1 引言

　　保證電纜對(duì)地絕緣性能良好是實(shí)現(xiàn)鐵路電氣化和自動(dòng)化重要而又基礎(chǔ)性的環(huán)節(jié)。對(duì)于一個(gè)中型車站而言，其控制室所控制的區(qū)域除站場(chǎng)外，還包括近十公里范圍的區(qū)間線路，他們之間電源及信號(hào)的傳輸，依靠上千根置于地溝內(nèi)的電纜完成;因此，必須定期對(duì)電纜的絕緣性能進(jìn)行檢測(cè);由于鐵路運(yùn)輸是不間斷的，電纜絕緣測(cè)試只能在電纜帶電的情況下進(jìn)行，這對(duì)于在線監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō)，除滿足檢測(cè)精度的要求外，在針對(duì)電氣化線路的強(qiáng)電干擾和雷擊方面，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性和安全性有著特殊的要求。采用omorn公司的cs1型作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心，不僅滿足了對(duì)于可靠性和安全性要求，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且大大提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性。

　　2 系統(tǒng)概述

　　鐵道信號(hào)電纜在線檢測(cè)系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，測(cè)試電源的測(cè)試極接入切換電路，切換電路按切換地址依次將測(cè)試電源接入被測(cè)電纜，測(cè)試電源的另一極和接地線(采樣點(diǎn))分別接在采樣電阻的兩端，采樣電阻上得到的信號(hào)經(jīng)絕緣檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換為1~5v直流電壓信號(hào)，至plc的a/d模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。plc通過(guò)通訊模塊與上位機(jī)相連，上位機(jī)不僅根據(jù)相應(yīng)的規(guī)程要求發(fā)出絕緣測(cè)試命令，分析與管理所有的數(shù)據(jù)，而且實(shí)現(xiàn)與各級(jí)管理部門的網(wǎng)絡(luò)通訊。

　　3 信號(hào)切換與信號(hào)保護(hù)

　　由于需要檢測(cè)的電纜數(shù)量大，但采樣周期沒有具體的限制，因此采用切換方式檢測(cè)可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，也保證系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。如圖2所示，切換電路由切換繼電器及繼電器控制電路組成，繼電器的常閉接點(diǎn)相互串聯(lián)，與測(cè)試電源us相連，保證us的傳遞;常開接點(diǎn)與被測(cè)電纜相連，輸出測(cè)試信號(hào)。繼電器切換過(guò)程由plc控制，plc的采樣程序流程框圖如圖3所示。

　　信號(hào)保護(hù)指在檢測(cè)過(guò)程中如何保護(hù)被檢測(cè)信號(hào)的安全，由于切換過(guò)程中被檢測(cè)電纜高度集中，因此，切換電路必須防止被測(cè)電纜的相互短路。在故障情況下，若發(fā)生二個(gè)繼電器同時(shí)吸合，前面繼電器常開接點(diǎn)“接通”，向相應(yīng)被測(cè)電纜輸出測(cè)試信號(hào)的同時(shí)，常閉接點(diǎn)“斷開”，切斷與后面電路的連接，從結(jié)構(gòu)上防止了二路電纜的“短路”。

　　4 系統(tǒng)可靠性分析

　　由于plc為該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的下位機(jī)，完成檢測(cè)控制、切換控制、數(shù)據(jù)采集(a/d轉(zhuǎn)換)、及數(shù)據(jù)通訊等核心工作，從總體上保證了系統(tǒng)的可靠性。作為檢測(cè)系統(tǒng)的前置電路，絕緣檢測(cè)電路在電路結(jié)構(gòu)上采取信號(hào)輸入、輸出及電源等多重隔離措施，使系統(tǒng)和電路在受到由被測(cè)電纜引入的電氣化或雷擊等的強(qiáng)電沖擊時(shí)，得到有效的保護(hù)。

　　5 測(cè)量精度分析

　　絕緣電阻測(cè)量的基本方法有三種：惠斯登電橋法(零點(diǎn)法)、電容充電法和電流電壓法。本系統(tǒng)采用常用的電流電壓法測(cè)量電纜絕緣電阻。電流電壓法的原理簡(jiǎn)單可靠，如圖4所示。

　　在測(cè)量電壓us(us=500v)穩(wěn)定的條件下，采樣電壓u1與回路中的電流ix成正比;

　　因?yàn)闇y(cè)量電壓us為穩(wěn)定電壓源，限流電阻ro和采樣電阻rm均為已知的固定值，因此采樣電壓u1與絕緣電阻rx之間為單值反比關(guān)系，函數(shù)關(guān)系曲線如圖5所示。

　　由圖5曲線可以看出，絕緣電阻rx與信號(hào)電壓u1之間，絕緣值越小，曲線的斜率越大，既絕緣電阻值每變化一個(gè)單位，信號(hào)電壓u1的變化值越大。其檢測(cè)精度就越高。反之，當(dāng)絕緣值增大的情況下曲線的斜率減小，絕緣電阻值每變化一個(gè)單位，信號(hào)電壓u1的變化值減小;而電纜的檢測(cè)過(guò)程是在線檢測(cè)，信號(hào)中包含了很強(qiáng)的噪聲，由于信噪比降低，因此測(cè)量誤差增大。

　　信號(hào)電纜的放置環(huán)境條件和長(zhǎng)度有很大差異，電纜絕緣的等效電阻也相差很大，正常情況下有的可達(dá)幾百兆歐，有的僅幾十千歐;要求0～20兆歐范圍具有基本一致的檢測(cè)精度，就要在全程范圍內(nèi)保持基本一致的斜率。

　　由公式(3)不難看出，改變采樣電阻rm可有效改變曲線斜率;圖6所示為本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的分段斜率曲線，及相應(yīng)的采樣電阻等效電路原理見圖7。

　　由圖7可以看出，將采樣電阻分成r1～r5五個(gè)電阻，其中r2、r3、r4、r5分別與穩(wěn)壓管w2、w3、w4、w5相并聯(lián)，且r1

　　不難理解，絕緣電阻rx在5～20兆歐范圍內(nèi)時(shí)，測(cè)量電流ix流過(guò)r5所產(chǎn)生電壓u5小于穩(wěn)壓管w5的穩(wěn)壓值，穩(wěn)壓管截止;顯然w1、w2、w3、w4均截止，此時(shí)的采樣電阻rm最大：

　　若rx減小，隨著ix增大，u5上升;當(dāng)rx小于5兆歐，u5大于w5的穩(wěn)壓值，w5導(dǎo)通，將u5穩(wěn)定在w5的穩(wěn)壓值。rx在1～5兆歐范圍內(nèi)，w1、w2、w3、w4截至，w5導(dǎo)通，rm減小

　　同理：rx在200k～1m范圍內(nèi)：

　　顯然，采用圖4所示的采樣電阻電路，可以改變r(jià)x與u1之間非線性，使之線性化;若測(cè)量精度要求高，可增加分段;若測(cè)量過(guò)程中，干擾噪聲不大，也可再通過(guò)軟件對(duì)各分段區(qū)間在進(jìn)行插值處理。在所研制的信號(hào)微機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)電纜絕緣檢測(cè)回路中，在硬件上將檢測(cè)范圍分為5段，然后在軟件上將每一段再分為4段插值進(jìn)行標(biāo)定，保證測(cè)量的相對(duì)精度在5%以內(nèi)。

　　采取上述措施之后，不僅達(dá)到了較高的檢測(cè)精度，而且保證了測(cè)量的穩(wěn)定性。

　　6 結(jié)束語(yǔ)

　　自1998年7月至今本系統(tǒng)已在廣深線的仙村、茶山、石灘、東莞等站可靠運(yùn)行數(shù)年，且各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。