CN110794239A - 一种无绝缘轨道补偿电容故障速测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无绝缘轨道补偿电容故障速测装置及方法，包括：控制器以及分别与控制器连接的两路输入；其中第一路输入测量无绝缘轨道的轨面电压，并将所述的电压信号经过信号处理后调整为控制器能够识别的信号；然后通过同步采样电路对信号进行同步采样后送入所述控制器；第二路输入获取测量距离信号并转换为脉冲信号，送入所述控制器；所述控制器根据接收到的信号分析轨面电压变化规律是否符合要求，实现补偿电容故障检测判断。本发明将无绝缘轨道轨面电压分布曲线的变化规律作为电容是否故障的判断依据，无需注入其他信号，对轨道信号的传输无影响，能准确判断出补偿电容的好坏。

Description

一种无绝缘轨道补偿电容故障速测装置及方法

技术领域

本发明涉及无绝缘轨道电路补偿电容测量技术领域，尤其涉及一种无绝缘轨道补偿电容故障速测装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

无绝缘轨道电路补偿电容器是ZPW-2000(UM)系列无绝缘轨道电路相配套的重要技术配件，直接关系到自动闭塞、机车信号车载系统设备和超速防护系统安全可靠运行。补偿电容的标称值在22uF至90uF之间，通过塞钉或铜接线端子等引线接在轨道之间。在铁道部发布的《TJDW134-2007无绝缘轨道电路补偿电容器技术条件》中规定ZPW-2000(UM)系列无绝缘轨道电路中：补偿电容的电容偏差≤5％，补偿电容的补偿正切角≤70×10⁴，ZPW.CBG型使用寿命不低于5年，ZPW.CBG-M型使用寿命不低于6年。在ZPW-2000(UM)系列无绝缘轨道电路中，每隔50米就要安装一个补偿电容。

随着既有线提速和客运专线的快速建设，轨道电路补偿电容在全路大量的铺设，这给现场的补偿电容测试、维护带来了一定的困难。补偿电容每隔一段时间就要人工测量电容值及补偿正切角，判断补偿电容是否故障。目前，补偿电容的测试主要采用2种方式：一种是人工采用专门的测试仪器，如郑州麦科电子技术有限公司的ME2000B轨道电路综合测试仪、北京博学宏业信息技术有限公司的WXY111B型通用测试仪等，需要测量每个补偿电容的容值；另外一种方法是通过段务检测车对补偿电容进行状态检测和实效分析；这2种常见的检测方法，都是采用信号注入的方法，从轨道补偿电容一端注入固定信号，从补偿电容另外一端或其他地方测量回收信号，通过测量信号的能量衰减值来判断电容的好坏。

但是，发明人发现，通过测量计算电容值来判断补偿电容是否故障的方式，存在效率低、工作量大的问题；通过段务检测车对补偿电容进行状态检测和实效分析的方式，存在设备成本高、时效性差的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种无绝缘轨道补偿电容故障速测装置及方法，可以以一定速度行驶在铁轨上，能够每隔一定距离准确测量轨面电压值，根据判断轨面电压是否在规定范围内或变化趋势是否正确等方法，自动判断补偿电容好坏。

为了实现上述目的，在一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种无绝缘轨道补偿电容故障速测装置，包括：控制器以及分别与控制器连接的两组输入；其中第一组输入测量无绝缘轨道的轨面电压，并将所述的电压信号经过信号处理后调整为控制器能够识别的轨面电压有效值及频率信号；控制器根据送入信号进行轨面电压及频率计算识别；第二组输入获取测量距离信号并转换为脉冲信号，送入所述控制器，控制器根据送入信号计算行进距离及方向；所述控制器根据接收到的信号分析间隔设定距离测量的轨面电压变化规律是否符合要求，实现补偿电容故障检测判断。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种无绝缘轨道补偿电容故障速测系统，包括：移动底盘，所述移动底盘上分别连接支架和推杆，所述支架上连接上述的无绝缘轨道补偿电容故障速测装置；所述移动底盘上设有与导轨相匹配且能够在轨道上滑动的滚轮。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种无绝缘轨道补偿电容故障速测方法，包括：

获取轨面电压频率和有效值；

获取测量距离信息，每隔设定距离提取无绝缘轨道轨面电压及频率值并存储；

将提取到的轨面电压值绘制成曲线，将所述曲线与标准中规定的轨面电压分布曲线进行比对，判断无绝缘轨道补偿电容是否发生故障。

具体地，将所述曲线与标准中规定的轨面电压分布曲线进行比对，判断无绝缘轨道补偿电容是否发生故障，具体为：

1)测量到的信号电压幅值在设定的电压范围之间；

2)相邻补偿电容上信号幅值增加或递减幅度不超过A％，A为设定值；

3)相邻补偿电容之间信号幅值变化率有一个从负到正或从正到负的过程；

如果轨面电压幅值满足上述条件，判定无绝缘轨道补偿电容无故障；否则，判定补偿电容发生故障。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明将无绝缘轨道轨面电压分布曲线的变化规律作为电容是否故障的判断依据，无需注入其他信号，对轨道信号的传输无影响，能准确判断出补偿电容的好坏，算法简单，用DSP即可实现，无需再通过计算机能进行复杂仿真计算，使得测量工具可以小型化。

2.本发明采用移动小车的形式，实现无绝缘轨道上补偿电容的监测，避免了人工手持测量仪器进行检测导致的费时费力的问题，能够提高工作效率；同时小车的行进的距离能够被准确检测到，从而提高了检测精度。

附图说明

图1为本发明实施例一中无绝缘轨道电路结构简图；

图2为本发明实施例一中测量点的选取图；

图3为本发明实施例一中无绝缘轨道补偿电容故障速测装置结构示意图；

图4为本发明实施例一中信号处理及保护电路图；

图5为本发明实施例一中电压提升电路图；

图6为本发明实施例一中分压电路和有效值转换电路图；

图7为本发明实施例一中接近开关脉冲输入电路原理图；

图8为本发明实施例一中无绝缘轨道补偿电容故障速测系统结构示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

当无绝缘轨道中没有电容故障时，从轨道发送盒到接收盒的一端工段内，轨道上的电压变化幅值呈逐渐衰减的趋势，在经过补偿电容点时，电压幅值发生一定幅度的补偿，具体见中国铁道部的《铁路信号维护规则-技术标准Ⅱ》中对于轨道中电压分布的说明。

无绝缘轨道电路结构可以简化如图1所示，无绝缘轨道电路整体呈感性，信号在轨道上传输。补偿电容起到减少信号衰减的作用。

正常的信号传输下，信号能量衰减在标准值(信号能够正常传输的值)之上。

补偿电容故障表现为：电容短路、电容开路、电容值变化超出标称值三种现象。当电容短路时，在短路电容之后，传输信号能量迅速衰减到标准值之下；当电容断路时和电容值变化超出标称值情况下，传输信号能量也会有明显衰减。

电容故障时，传输信号能量的变化，可以反映到无绝缘轨道2个轨道之间的电压变化。因此，测量无绝缘轨道轨面电压值，把测量出来的电压幅值进行记录。通过记录分析轨道上电压幅值变化的趋势和幅度，对比《规则》中的电压分布值，通过判断轨面电压幅值是否在规定范围内，轨面电压一次导数即斜率变化率是否符合规定以及轨面电压二次导数即变化趋势是否符合规定，就可以分析判断出测量过的电容中是否有故障电容，进而判断出测量点处补偿电容的好坏。

具体地，根据《铁路信号维护规则-技术标准Ⅱ》中的轨面电压分区曲线图，根据测量要求，轨道上传递的信号为1700Hz、2000Hz、2300Hz、2600Hz，最远传输距离为1500米，从发送盒到接收盒之间，传输信号幅值从2.2V衰减到0.3V，衰减幅度和距离基本上成线性关系。每个补偿电容对信号的幅值有一定的补偿作用，在补偿电容附近，信号幅值变化的斜率有一个负正交替的变化。

根据上述轨面电压分布曲线的变化规律，提出本实施例电容故障识别判据如下：

1)测量到的信号电压幅值应该在0.3V到2.2V之间(和道床电阻无关)；

2)相邻电容上信号幅值增加或递减幅度不超过50％(和道床电阻无关)；

3)相邻补偿电容之间信号幅值变化率(电压幅值变化斜率)有一个从负到正或从正到负的过程(和道床电阻无关)。

如果轨面电压幅值满足上述判据条件，则判定补偿电容无故障；否则，判定补偿电容发生故障。

对于非短路故障的衰减性电容故障，可以通过精确的测量仪器进一步测量电容值，以确定是否要更换电容。

无绝缘轨道测量点的布置如图2所示：从信号发送盒开始，每隔10米布置一个测量点，直到接收盒。这些测量点的选取由电容测量仪根据每间隔一定距离采集的轨面电压自主决定。

基于此，在一个或多个实施例中，公开了一种无绝缘轨道补偿电容故障速测装置，包括：控制器以及分别与控制器连接的两组输入；其中第一组一路输入测量无绝缘轨道的柜面电压，并将电压信号经过信号处理后调整为控制器能够识别的电压有效值及频率信号；然后送入控制器；第二组四路输入获取测量距离信号并转换为脉冲信号，送入控制器；控制器根据接收到的信号实现补偿电容故障检测判断。

具体地，参照图3，第一组一路输入具体包括：依次串联连接的1路轨面电压测量电路、信号处理及保护电路、电压提升及分压电路和有效值转换电路。

1路轨面电压测量电路用于采集轨面电压；信号处理及保护电路中，保护电路单元防止输入电压超过正常范围；信号处理电路单元通过滤波等变换，改善信号质量；电压提升及分压电路用于把轨面电压调整到控制器能够识别的信号。有效值转换电路把正弦波的幅值转换为有效值，输入到CPU，用作故障判断的参数。

对于轨面电压的测量，测量范围-5～5V，正弦波信号，经过电压提升电路和分压电路测量范围变为0到5V，要求有110V高压保护功能，测量路数2路(1路备用)。

图4-图6分别给出了信号处理及保护电路、电压提升电路、分压电路和有效值转换电路的电路图；

参照图4，轨面电压输入信号处理及保护电路，首先经过R10、R12进行分压，把轨面电压降压(防止输入电压过高)，分压后电压经过TVS-D3和电容C8滤除尖峰，再经过隔离电容C9滤除直流电压后，再经过场效应管单管放大电路，输入到电压提升电路。

参照图5，电压提升电路经过一级集成放大电路把轨面电压放大，再经过一级电压抬升放大电路，把轨面电压由关于横轴对称的正弦波变为关于VREF对称的正弦波，VREF为2.5V，则轨面电压正弦波波形都大于0V，为有效值转换做好准备。

参照图6，有效值转换电路，首先用集成运放跟随电路把轨面电压信号进行阻抗匹配，再利用真有效值检测集成芯片AD7788把正弦波轨面电压的有效值检测出来，变换为数字信号，通过SPI总线送入CPU，CPU识别SPI总线信号即可识别轨面电压信号有效值。

对于轨面信号频率的测量：根据测量要求，轨道上传递的信号为1700Hz、2000Hz、2300Hz、2600Hz，在设计中，把轨面正弦波的电压经过比较器，变为脉冲信号，输入到CPU，进行频率识别。

第二组输入具体包括：四路霍尔脉冲输入电路，采用光耦进行隔离整形，用于把距离信号转换为脉冲信号。其中，采用的光耦芯片是4路的，三路用来测量接近开关信号，一路备用。

参照图7，4路脉冲输入电路，采用光耦进行隔离整形。主要输入信号为霍尔开关信号，小车轮子上安装了三个磁性接近开关，用来测量小车的行进距离和行进方向，轮子每转一周，三个磁性接近开关各发出一个脉冲信号，输入到光耦芯片，进行距离和方向识别。

在另一些实施方式中，控制器分别连接电池电压检测电路、日期时钟电路、液晶显示器、蜂鸣器和按键模块；

通过电池电压检测电路采集电池的供电电压，当供电电压接近于正常工作电压极限时，控制蜂鸣器发出充电报警信号；

通过日期时钟电路，在液晶显示器上显示时间、日期；

液晶显示器还用于显示测量过程中的轨面电压数据；

按键模块的功能包括：

1)用来输入标定参数，例如：测量轨面电压距离，小车轮子每转一周行进距离；

2)电容点标定，当人工操作是，行进到电容安装处，可以进行电容位置手工标定，提高测量精度，非人工操作可不标定；

3)其他基本操作，如用来操作查看历史数据，用来操作把数据传输到计算机等。

在另一些实施方式中，控制器分别连接USB接口、RS485总线接口、CAN总线接口以及串行ROM存储扩展。

本实施例中，考虑到每隔10米测量轨面电压并进行记录，存储速度要求不高，串行ROM存储扩展芯片采用串行AT24C512，扩展512MROM。

控制器选用DSP来实现，考虑到软件设计需要用到数据采集及故障判断，因此需要CPU的速度达到40M以上，内存容量在256KB以上才能满足要求，本实施例CPU选取TI的DSP，具体型号为TMS320VC5509APGE。

当然，本领域技术人员也可以根据需要选择其他型号的串行ROM存储扩展芯片或者CPU。

实施例二

在一个或多个实施例中，公开了一种无绝缘轨道补偿电容故障速测系统，参照图8，该系统整体设计成小车的形式，包括：轮轴部分、支架部分、仪器本体设计和推拉部分；

其中，通过轮轴部分完成小车和无绝缘导轨的连接及定位，轮轴部分设置在小车底盘上，轮轴部分包括与无绝缘导轨相匹配的车轮，车轮可以通过锁定结构被限制在无绝缘导轨上，使整个仪器不会从轨道上滑落；推拉部分包括与小车底盘连接的推杆，可以通过推杆推动小车在无绝缘导轨上来回滑动。当然，本领域技术人员也可以根据需要将小车设计成可遥控的小车，通过遥控的方式实现小车在无绝缘导轨上的滑动。同时，车轮与无绝缘导轨也可以解锁，使得小车快速从无绝缘导轨上脱离。

支架部分连接在小车底盘上，起到整个仪器的承重和支撑作用。支架部分的高度以方便测试人员观察屏幕为优选。

仪器本体设计部分采用实施例一中介绍的无绝缘轨道补偿电容故障速测装置；小车底盘上连接电源系统，能够为仪器本体设计部分供电。

小车轮子上安装了三个磁性接近开关，用来测量小车的行进距离和行进方向，轮子每转一周，三个磁性接近开关各发出一个脉冲信号，小车上安装一个特定位置的磁铁，当小车车轮旋转一周时，磁铁先后经过三个磁性接近开关，三个开关分别发出一个脉冲信号，当转换方向时，三个接近开关发出脉冲的先后顺序(相位)发生变化。这样小车轮子每旋转一周，对应于一组脉冲，计算脉冲的个数，就能得到进行距离。通过三组脉冲的相位，就能分析出前进还是后退，后退时，行进距离减少，前进时，行进距离增加。

本实施方式中，设计成小车形式的无绝缘轨道补偿电容故障速测系统，小车经过的距离能够准确地检测出来，不仅能够方便测试人员在无绝缘轨道上进行测试，避免人工手持测试设备带来的不便，还能够提高工作效率和测试准确率。

实施例三

在一个或多个实施例中，公开了一种无绝缘轨道补偿电容故障速测方法，具体包括如下过程：

采集轨面电压值，得出频率和幅值有效值，在液晶屏上显示频率和有效值；

采集霍尔开关脉冲信号，计算小车进行距离；

根据计算的小车进行距离，每隔10米在屏幕上显示轨面电压值并进行存储，多个轨面电压值绘制成曲线；

分析轨面电压值的分布情况和规律，根据电容故障判据判断电容的好坏。

根据《铁路信号维护规则-技术标准Ⅱ》中的轨面电压分区曲线图可以看出，根据测量要求，轨道上传递的信号为1700Hz、2000Hz、2300Hz、2600Hz，最远传输距离为1500米，从发送盒到接收盒之间，传输信号幅值从2.2V衰减到0.3V，衰减幅度和距离基本上成线性关系。每个补偿电容对信号的幅值有一定的补偿作用，在补偿电容附近，信号幅值变化的斜率有一个负正交替的变化。

因此，根据轨面电压分布曲线的变化规律，确定电容故障识别判据如下：

1、测量到的信号电压幅值应该在0.3V到2.2V之间；

2、相邻电容上信号幅值增加或递减幅度不超过50％；

3、相邻补偿电容之间信号幅值变化率(电压幅值变化斜率)有一个从负到正或从正到负的过程。

如果轨面电压分布曲线满足上述要求，则表示电容无故障，如果任一项不满足，说明电容发生故障。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种无绝缘轨道补偿电容故障速测装置，其特征在于，包括：控制器以及分别与控制器连接的两组输入；其中第一组输入测量无绝缘轨道的轨面电压，并将所述的电压信号经过信号处理后调整为控制器能够识别的轨面电压有效值及频率信号；控制器根据送入信号进行轨面电压及频率计算；第二组输入获取测量距离信号并转换为脉冲信号，送入所述控制器，控制器根据送入信号计算行进距离及方向；所述控制器根据接收到的信号分析间隔设定距离测量的轨面电压变化规律是否符合要求，实现补偿电容故障检测。

2.如权利要求1所述的一种无绝缘轨道补偿电容故障速测装置，其特征在于，所述第一组输入包括：依次顺序连接的轨面电压测量电路、信号处理及保护电路、电压提升及分压电路和同步采样电路。

3.如权利要求1所述的一种无绝缘轨道补偿电容故障速测装置，其特征在于，所述第二组输入包括：四路霍尔脉冲输入电路。

4.如权利要求1所述的一种无绝缘轨道补偿电容故障速测装置，其特征在于，还包括：分别与控制器连接的电池电压监测电路、时钟电路、蜂鸣器和液晶显示器。

5.如权利要求1所述的一种无绝缘轨道补偿电容故障速测装置，其特征在于，分别与控制器连接的USB接口、RS485总线、CAN总线以及串行ROM存储电路。

6.一种无绝缘轨道补偿电容故障速测系统，其特征在于，包括：移动底盘，所述移动底盘上分别连接支架和推杆，所述支架上连接权利要求1-6任一项所述的无绝缘轨道补偿电容故障速测装置；所述移动底盘上设有与导轨相匹配且能够在轨道上滑动的滚轮。

7.一种无绝缘轨道补偿电容故障速测方法，其特征在于，包括：

获取无绝缘轨道轨面电压值信号；

对获取到的信号进行处理，得出轨面电压频率和有效值；

获取测量距离信息，每隔设定距离提取无绝缘轨道轨面的电压值并存储；

将提取到的轨面电压值绘制成曲线，将所述曲线与标准中规定的轨面电压分布曲线进行比对，判断无绝缘轨道补偿电容是否发生故障。

8.如权利要求7所述的无绝缘轨道补偿电容故障速测方法，其特征在于，将所述曲线与标准中规定的轨面电压分布曲线进行比对，判断无绝缘轨道补偿电容是否发生故障，具体为：

1)测量到的信号电压幅值在设定的电压范围之间；

2)相邻补偿电容上信号幅值增加或递减幅度不超过A％，A为设定值；

3)相邻补偿电容之间信号幅值变化率有一个从负到正或从正到负的过程；

如果轨面电压幅值满足上述条件，判定无绝缘轨道补偿电容无故障；否则，判定补偿电容发生故障。

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