电气化区段牵引电流检测记录仪的设计

韩 龙，景利学，王 佳

（兰州交通大学 自动化与电气工程学院，硕士研究生，甘肃 兰州 730070）

随着我国电气化铁路的迅速发展，列车重量以及列车速度不断增加与提高，电力牵引电流也随之增加，牵引电流对信号设备造成的影响与干扰也逐步增大，甚至会导致信号设备损坏，增加列车行车的危险性。电气化铁路在检修信号设备时，也要测量轨道不平衡牵引电流，因此需要定期检测轨道的不平衡系数、分析其变化曲线，以使信号设备稳定可靠地工作。

现阶段，对牵引回流进行测试分析时，是把电流互感器夹在轨道上，当列车通过时，工作人员快速读取计数并手工记录下后绘成图表，通过人工对图表进行分析确认设备是否有故障。为便于对钢轨牵引电流进行定期测试，设计了一款基于C8051F340单片机的钢轨牵引电流检测与记录仪，可对牵引电流实时检测，并对检测的数据进行保存，以便有关人员在上位机对数据进行还原与分析并及时排除故障。

1 钢轨牵引电流检测的意义

1.1 牵引电流对轨道电路的干扰源及影响 在电力牵引区段（简称电化区段），变电所通过接触网与受电弓供给机车的牵引电流，有大约一半流经2条钢轨和扼流变压器返回牵引变电所，其余的由大地漏泄返回。同时，2条钢轨作为轨道电路的导体，传输移频信息等信号电流，如图1所示。

这2种不同性质的电流在同一钢轨中传输时，牵引电流会对轨道电路信息以及信号设备产生干扰与影响。干扰主要源于轨道电路中2条钢轨中牵引电流的不平衡及电磁干扰，干扰量的大小与牵引电流和不对称情况等因素有关。牵引电流对轨道电路的干扰源及影响主要有[1]：

1）瞬态冲击电流干扰。电力牵引机车在加速、减速，受电弓升弓、降弓或进入分相绝缘段转接时，牵引电流中出现一个冲击电流，导致牵引电流以50 Hz基波为主，并含有低次谐波分量，且能量主要集中在牵引电流的奇次谐波上。侵扰后的牵引电流会造成轨道电路不可靠工作或者错误动作。

2）不平衡牵引电流的干扰。电力机车运行时，牵引电流通过受电弓流经机车、钢轨和大地，再返回牵引变电所。由于2条钢轨阻抗不完全对称相等，以及钢轨对大地的漏泄电阻不同，会造成牵引电流回流不畅通，从而产生不平衡的牵引电流，会对轨道电路和信号设备造成严重的干扰，甚至导致信号设备损坏[2]。

图1 自动闭塞原理框图

1.2 钢轨牵引电流检测的必要性 针对轨道电路的纵向不平衡（有效电阻和感抗的不对称）和横向不平衡（绝缘电导的不对称），可采取相应的措施来减少牵引电流对轨道电路以及信号设备的干扰。例如改善钢轨接续线的运用状态以保证2条钢轨阻抗对称相等；采用等阻线改善由于扼流变压器连接线长度不同，而引起阻值不相等的现象，以及接触网的塔杆接地线通过火花间隙器间接地接向钢轨等方法[3]。但由于钢轨材质及其磨损状态不一致、轨条绝缘电导不对称、钢轨漏泄电阻不同等不可抗拒的外界因素，无法实现牵引电流绝对平衡，为了减少牵引电流对信号设备的影响，掌握钢轨牵引电流回流及不平衡程度，分析评估对轨道电路的干扰与影响，对牵引电流的检测就显得十分必要。

2 检测记录仪的硬件及软件组成

2.1 硬件组成 钢轨牵引电流检测记录仪的硬件主要包括用于采集钢轨牵引电流的接收线圈、滤波电路、信号调理电路、A/D转换、C8051F340微控制器以及数据存储。结构框架如图2所示。

图2 记录仪结构框图

2.1.1 主控制器 C8051F340是Silicon Lab推出的高性能单片机，采用了高速的8051控制器内核，速度高达48M IPS，是普通8051单片机的24倍，有4个16位定时器，看门狗定时器，扩展的中断系统及40个耐压达到5V的I/O口，同时该芯片还集成了UART串口、SPI和SMBUS等接口，为控制外围设备并和外围设备进行数据通信提供了方便。

2.1.2 模数转换 A/D转换器采用16位高精度的AD7705芯片，该芯片是双通道全差分模拟输入，可编程前端增益，增益范围1～128，带有自校准功能，可以直接接受来至传感器的低电平输入信号。

AD7705与C8051F340连接，如图3所示。

图3 AD7705与控制器的连接方式

SCLK，DIN，DOUT，DRDY分别与单片机的 4个I/O引脚连接，MC1403为AD7705提供精确的基准电压，PCF8653时钟芯片提供的时间值作为对已存数据进行提取时的时间特征量。

根据复杂的铁路现场环境，电路所选器件的工作温度都适于-40℃～85℃。仪器本身具备一定的抗电磁干扰和防水防潮功能。

2.1.3 工作流程 通过安装在钢轨下方的感应线圈获得包括轨道移频信息和牵引电流及各次谐波的混合信号，再经过滤波电路将牵引电流之外的其他信号滤除，信号调理模块把采集到的电压经过降压、电平抬升调整到AD7705的输入信号范围。AD7705的采样频率可以通过软件设置更改，转换后的数字信息保存到SD卡中。SD卡与C8051F340通过SPI串口方式通信。由于AD是16位的，保存到的信息是以高八位、低八位交替出现，并且存有定时读取的时间值，以便数据按时间要求进行提取。

2.2 软件组成 仪器的软件主要包括主程序、AD7705与微控制器的接口程序、中断程序、PCF8653时钟芯片的时间读取程序、SD卡的文件系统程序以及读写程序。采用C语言编程方式。

2.3 功能特点

2.3.1 实时动态采集功能 系统在上电以后，全天候实时对钢轨牵引电流进行采集。根据存储设备的容量和蓄电池组的性能，确定最大采集时间，及时将保存的数据取回。

2.3.2 数据保存功能 对实时采集的钢轨牵引电流及对应的时间信息进行保存，以便必要时在上位机进行数据显示与分析。还原的数据以波形的形式显示，并显示出当时的时间量。可以根据要求调取某一时间段内的数据进行分析。

2.3.3 操作简单且携带方便 该仪器体积小、重量轻，携带方便，易于操作。根据现场要求，可以灵活安装。

3 结束语

本文简述了牵引电流对轨道电路以及信号设备的干扰与影响，结合目前电务部门在检修信号设备时的现实需求，设计一款基于单片机的牵引电流检测与记录仪，提供牵引电流的实时数据，用于有关人员的分析并及时排除故障，提高列车行车的安全性。

该仪器实用性强、操作方便、安装灵活，可以不断地完善仪器功能，通过增加滤波电路和采集通道对移频信息等信号进行检测。

[1]马智芳.电气化牵引电流对信号轨道电路的干扰及防护措施[J].铁路通信信号工程技术，2004（03）：17-19.

[2]张生军.电气化区段轨道电路牵引电流不平衡的防护措施研究[J].光盘技术，2008（08）：46-47.

[3]郭进，魏艳，刘利芳.铁路信号基础设备[M]，西南交通大学出版社，2008

[4]林瑜筠，张铁增.区间信号自动闭塞[M]，北京：中国铁道出版社，2006.