铁道信号电缆绝缘在线检测

　　1 引言

　　保证电缆对地绝缘性能良好是实现铁路电气化和自动化重要而又基础性的环节。对于一个中型车站而言，其控制室所控制的区域除站场外，还包括近十公里范围的区间线路，他们之间电源及信号的传输，依靠上千根置于地沟内的电缆完成;因此，必须定期对电缆的绝缘性能进行检测;由于铁路运输是不间断的，电缆绝缘测试只能在电缆带电的情况下进行，这对于在线监测来说，除满足检测精度的要求外，在针对电气化线路的强电干扰和雷击方面，对监测系统的可靠性和安全性有着特殊的要求。采用omorn公司的cs1型作为监测系统的核心，不仅满足了对于可靠性和安全性要求，简化了系统结构，而且大大提高了系统的可维护性。

　　2 系统概述

　　铁道信号电缆在线检测系统原理结构图如图1所示，测试电源的测试极接入切换电路，切换电路按切换地址依次将测试电源接入被测电缆，测试电源的另一极和接地线(采样点)分别接在采样电阻的两端，采样电阻上得到的信号经绝缘检测电路转换为1~5v直流电压信号，至plc的a/d模块实现数据的采集。plc通过通讯模块与上位机相连，上位机不仅根据相应的规程要求发出绝缘测试命令，分析与管理所有的数据，而且实现与各级管理部门的网络通讯。

　　3 信号切换与信号保护

　　由于需要检测的电缆数量大，但采样周期没有具体的限制，因此采用切换方式检测可以简化系统结构，也保证系统的可扩展性。如图2所示，切换电路由切换继电器及继电器控制电路组成，继电器的常闭接点相互串联，与测试电源us相连，保证us的传递;常开接点与被测电缆相连，输出测试信号。继电器切换过程由plc控制，plc的采样程序流程框图如图3所示。

　　信号保护指在检测过程中如何保护被检测信号的安全，由于切换过程中被检测电缆高度集中，因此，切换电路必须防止被测电缆的相互短路。在故障情况下，若发生二个继电器同时吸合，前面继电器常开接点“接通”，向相应被测电缆输出测试信号的同时，常闭接点“断开”，切断与后面电路的连接，从结构上防止了二路电缆的“短路”。

　　4 系统可靠性分析

　　由于plc为该监测系统的下位机，完成检测控制、切换控制、数据采集(a/d转换)、及数据通讯等核心工作，从总体上保证了系统的可靠性。作为检测系统的前置电路，绝缘检测电路在电路结构上采取信号输入、输出及电源等多重隔离措施，使系统和电路在受到由被测电缆引入的电气化或雷击等的强电冲击时，得到有效的保护。

　　5 测量精度分析

　　绝缘电阻测量的基本方法有三种：惠斯登电桥法(零点法)、电容充电法和电流电压法。本系统采用常用的电流电压法测量电缆绝缘电阻。电流电压法的原理简单可靠，如图4所示。

　　在测量电压us(us=500v)稳定的条件下，采样电压u1与回路中的电流ix成正比;

　　因为测量电压us为稳定电压源，限流电阻ro和采样电阻rm均为已知的固定值，因此采样电压u1与绝缘电阻rx之间为单值反比关系，函数关系曲线如图5所示。

　　由图5曲线可以看出，绝缘电阻rx与信号电压u1之间，绝缘值越小，曲线的斜率越大，既绝缘电阻值每变化一个单位，信号电压u1的变化值越大。其检测精度就越高。反之，当绝缘值增大的情况下曲线的斜率减小，绝缘电阻值每变化一个单位，信号电压u1的变化值减小;而电缆的检测过程是在线检测，信号中包含了很强的噪声，由于信噪比降低，因此测量误差增大。

　　信号电缆的放置环境条件和长度有很大差异，电缆绝缘的等效电阻也相差很大，正常情况下有的可达几百兆欧，有的仅几十千欧;要求0～20兆欧范围具有基本一致的检测精度，就要在全程范围内保持基本一致的斜率。

　　由公式(3)不难看出，改变采样电阻rm可有效改变曲线斜率;图6所示为本系统的设计的分段斜率曲线，及相应的采样电阻等效电路原理见图7。

　　由图7可以看出，将采样电阻分成r1～r5五个电阻，其中r2、r3、r4、r5分别与稳压管w2、w3、w4、w5相并联，且r1

　　不难理解，绝缘电阻rx在5～20兆欧范围内时，测量电流ix流过r5所产生电压u5小于稳压管w5的稳压值，稳压管截止;显然w1、w2、w3、w4均截止，此时的采样电阻rm最大：

　　若rx减小，随着ix增大，u5上升;当rx小于5兆欧，u5大于w5的稳压值，w5导通，将u5稳定在w5的稳压值。rx在1～5兆欧范围内，w1、w2、w3、w4截至，w5导通，rm减小

　　同理：rx在200k～1m范围内：

　　显然，采用图4所示的采样电阻电路，可以改变rx与u1之间非线性，使之线性化;若测量精度要求高，可增加分段;若测量过程中，干扰噪声不大，也可再通过软件对各分段区间在进行插值处理。在所研制的信号微机检测系统电缆绝缘检测回路中，在硬件上将检测范围分为5段，然后在软件上将每一段再分为4段插值进行标定，保证测量的相对精度在5%以内。

　　采取上述措施之后，不仅达到了较高的检测精度，而且保证了测量的稳定性。

　　6 结束语

　　自1998年7月至今本系统已在广深线的仙村、茶山、石滩、东莞等站可靠运行数年，且各项技术指标均达到设计要求。