列車上的供電系統主要包括48V或110V直流系統和380V或600V交流供電系統,供電線路的絕緣狀態一直是列車安全運行重要因素之一,列車每次進出庫都要進行電力線的絕緣檢測,而我國現有鐵路上普遍采取兆歐表 (搖表)進行設備絕緣數據的檢測,由于兆歐表每次只能測量兩線間的絕緣值,而且需要人工記錄,對列車干線的U、V、W、N、P向線需要人工組合才能進行測量、記錄,因此利用兆歐表來檢測列車供電線路的絕緣值非常的不方便,其已不能適應當前高速鐵路發展和鐵路智能運輸系統(Railway Intelligent TransportSystem, RITS)發展的需要。目前,在國內外,不斷出現了基于單片機技術的數字化兆歐表,其原理都是以單片機為控制模塊,直流高壓為測量電源, A/D轉換器實現模擬信號到數字信號的轉換,并實現數字顯示。由于其功能比較單一,針對性不強,不便于鐵路運輸的網絡化和智能化管理,因此,本文以單片機為主控制器,采用雙積分式AD轉化芯片ICL7135,開發了一套專用于鐵路列車的便攜式智能數字兆歐表,利用電橋法消除直流高壓本身的影響,通過繼電器的排列組合可以實現列車交流供電線路U、V、W、N、P向之間的任意兩線間絕緣值,該表采用鎳氫電池供電使其體積小,攜帶方便,通過低功耗設計使其使用時間長,具有自動記錄功能、與PC通訊功能、智能報捷功能、非線性補償功能、顯示直觀和數據精確度高等優點。
1 硬件電路設計與實現
數字兆歐表主要由直流高壓模塊、繼電器陣列、取樣電路、數據采集與控制、LCD顯示與鍵盤、數據保存和USB通訊等7大部分組成,其原理框圖如圖1所示。具體的工作原理為:直流高壓經過繼電器陣列,施加到被測電源線的兩向間,取樣電路的電信號經過ICL7135數據采集轉化為數字信號,單片機將數字信號進行計算,轉化為絕緣值,同時進行數據保存、報捷判斷,同時根據設置進行換向檢測,直到把各個向間的絕緣值全部檢測完為止。
1. 1 直流高壓模塊
數字兆歐表測量的基本原理與兆歐表(搖表)類似,兆歐表(搖表)是利用手搖發電機產生高壓進行測量,其輸出的額定電壓為500 V(轉速為120r/min),而數字兆歐表對此做了一些改進,采用直流高壓模塊代替手搖發電機,這就避免了由于手搖轉速不夠引起的高壓的不穩定問題,針對鐵路列車的要求,特別將高壓模塊的額定電壓設置為500V/1kV兩擋可調,對不同的線路選擇不同的測量電壓。電路如圖2所示,高壓模塊電壓輸入Vin是12V,利用V5/10位控制繼電器S2選擇R49或R50來確定輸出電壓Vout為500V還是1kV,對于380V或600V交流供電線路采用1kV高壓測量,而對于列車48V或110V直流供電線路采用500V高壓測量, R/S是高壓模塊的電壓轉化的起停控制位。
1. 2 繼電器陣列
數字兆歐表主要是用來檢測列車供電線路絕緣情況的,特別是其交流線路,按照規定列車交流供電線路一般是380V或600V,且有U、V、W、N向,在檢測絕緣時除了要求檢測任意兩向之間的電阻值外,還需要各向對列車外殼P的電阻值,這樣一共就有5向10種組合電阻值,因此采用繼電器陣列來實現各向間的組合測量。電路如圖3所示,當繼電器U1和V2閉合時就檢測U和V向間的絕緣值,其它的向間值類似,這樣利用繼電器陣列,通過表的Port1接口與列車上U、V、W、N、P線一一對應連接就可以循環檢測各向間的絕緣值,避免使用搖表需要人工切換的過程。
