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接触网作业车平台的高压安全保护装置分析

2022-11-24胡亮曲广友杨戈辉

新型工业化 2022年9期
关键词:场效应管导体接触网

胡亮,曲广友,杨戈辉

国能新朔铁路有限责任公司供电分公司,内蒙古鄂尔多斯,010323

0 引言

近年来,我国铁路电气化路线建设规模不断拓展,有效提高了列车运行速度,电力机车逐渐成为我国主要的运输工具,和其他机车相比,其具有多样化优势,如运行功率大、超长交路、速度快、无污染等。我国早在19世纪初期就引进电力机车,在中期研究出第一台电力机车,并建立电气化铁路宝凤线,直到20时期初期,我国电气化铁路已建设到20000km,电气牵引成为未来铁路发展的必然趋势。同时,由于电力机车每天都需要完成大量工作,一旦在哪方面存在问题,都会给自身安全带来严重影响。基于此,本文通过分析高压安全保护装置,来设计多样化接触网检测装置,从而解决不同检测信号存在的问题,保证工作人员能及时检测出接触网是否存在带电现象,从而解决单一检测装置检测准确度不高的问题[1]。

1 系统检测部分设计

1.1 接触网高压有无的检测

1.1.1 接触网下导体的静电感应电压

当导体出现接触网电场作用时,导体中电流通常向相反方向进行移动,从而导致导体出现正电荷和负电荷两种现象,当正负电荷载在电场中进行相互碰撞时,很可能出现相互抵消的现象。即当导体内电场强度下降到零点时,电场电子不会向特定方向移动,导体两侧所产生正负电荷载不会呈现出提升的趋势,导体逐渐向静电状态发展,让所有导体呈现出等势体。同时,在本系统中是利用接收天线来收集静电感应电压,当感应器电压超过标准值时会进行自动报警,如果感应电气低于整定值,会打开电子锁。因此,管理者有必要从理论方面进行分析,来分析接触网下导体的静电感应电压,再计算出其准确的整定值。

1.1.2 结型场效应管电压传感器

在日常工作中,电场强度能利用电场效应来进行检测。本文提前分析场效应管3DJ6的工作流程,再结合实际情况来建立科学的电路,从而达到检测电场强度的作用。目前,结型场效应管有N沟道结型场效应管和P沟道结型两种类型(如图1所示)。

图1 结型场效应管

从图1可见,结型场效应管具有G、D、S三种电极,电路符号中栅极的箭头方向可表示两个PN结构的正向导电方向。同时,在D、S间安装电压UDS,能在漏极和源极间建立专项电流,工作人员可利用优化源极和栅极的反向电压,来拓展两个PN结阻挡层的宽度,有利于其解决漏极电流问题。而场效应管属于电压控制型半导体物件,其具有噪音小、功耗低、输入电阻高等特征,是目前双极型晶体管最常见的目标。另外,场效应管拥有较强的放大功能,通过组合功能来组建放大电路,并具有下面特征:第一,场效应管能利用UGS来进行控制;第二,由于场效应管输入端电流输出量较低,表示其输入电阻较高;第三,放大电路电压功率要低于三极管所构成的放大电路电压系数。目前,在电路日常工作中,工作人员利用检测场强信号,来确定场强信号是否达到提前预期标准,如果并未达到指定标准,工作人员可利用场效应管来对其进行放大处理,然后将该信号传输到下阶段的信号调理电路中,工作人员采用最专业的方式进行换算后,能准确查看周围场强大小,有利于工作人员检测接触网上是否存在高压现象。

1.1.3 专用的霍尔电流传感器

霍尔电流传感器是指将磁场应用到金属导体中,让其出现横向电位差物理现象。当电流通过金属箔片时,如果垂直电流出现磁场,则表示金属箔片两侧很可能出现电位差,而工作人员通过大量研究表明,半导体中霍尔效应效果要远超过金属箔片效果,如果将其放置在特定条件下,甚至会产生霍尔效应。因此,工作人员可提高对霍尔效应的重视程度,来优化整个传感器类型。由于通电导向周围存在磁场,其磁场大小与电流数量成正比,工作人员能利用霍尔元件来检测出磁场强弱和导线电流大小,其具有不影响被测电路、不消耗被测电源功率、不与被测电路产生电接触等优点[2]。

1.1.4 方案选择

本文通过分析几种常见的接触网高压检测方法,发现在日常工作中都具有较强可行性,但在现场应用过程中,整备作业区域的电力轨道数量要超过4个,且每个轨道间距为3m,如果高压电网并行距离小,感应电场间很可能出现相互影响问题,给其他电场带来严重干扰。

1.2 隔离开关状态的检测

1.2.1 开关状态变量在系统中的运用

在电气化铁路整备作业中,工作人员通常采用隔离开关来控制接触网状态。操作流程是指通过伺服电机带动传动轴旋转,当其旋转到指定位置后,隔离开关会自动旋转到指定位置,从而实现接触网电路日常运转工作。同时,在整个操作过程中,会产生明显的机械运动效果,电机主轴和传动杆旋转会相互运动,从而产生135°夹角。因此,工作人员可在该区域安装一台开关变量判断装置,用来分析隔离开关运动前后的基本状态,从而判断接触网是否存在高压情况。和霍尔检测、电场检测方式相比,这种检测方式是利用简单开关状态来判断隔离开关状态,其具有实施简单、思路清晰、检测结构方便等优点[3]。

1.2.2 开关变量采集接口

在监测系统中,主要包括A/D转换接口、I/O并行接口等方式,本文合理分析模拟量输入输出接口、开关变量等。首先是开关量采集回路,开关量作为监测输入回路的重要方式,主要分为断开和接通两种状态,可利用一位二进制数据0和1来表示,一个字节可描述8个开关量。在电气化铁道供电系统中,继电器、断路器、隔离开关、告警信号等都属于开关量,其是采用一个通/断继电器作为信号源,来提供给接口电路进行收集。通过分析图2发现,KI-Kn表示第n个开关量,当KI闭合时,会自动连接+E电源,输入大量高电平,当KI开启时,则输入低电平。通过分析输入输出情况来看,+E电位较高,可达到24V、110V,而安装数字电路是利用微机回路来隔离开关量信号所带来的干扰,而并行I/O接口为实现数据采集功能,其将信号变成规定型号的数据,并将其全部存储在数据库中[4]。

图2 开关量采集框图

其次为光电隔离电器。数字信号隔离通常是采用光电二极管LED来进行控制,其是由光敏晶体管和LED两个环节组成,当LED连接到信号源一端时,光敏晶体管通常作为控制角色,当LED连接光敏晶体开关会呈现闭合状态,由于两侧信号间并未连接其他任何电路,其具有较强的隔离作用。同时,光电隔离能隔离数字信号和模拟信号,其提前放大模拟信号,将A/D转换为数字信号,再针对数字信号进行隔离[5]。

1.3 信息的检测和处理

在自动控制系统中,经常需要应用到运算放大器,其将电路单元放大。而功能模块是以反馈网络为主体,在早期研究人员就意识到反馈网络的重要性,将其广泛应用在计算机中,用来解决数学运算方面存在的问题,能有效提升数学计算效率;运放是利用分立器件来确定名称的电路单元,通常被工作人员放在半导体芯片中。随着半导体技术不断发展,目前运放种类趋于多样化,被广泛应用在其他行业中,特别是在工业技术领域应用效果最佳,如被应用在自动控制系统中,先将一种被控制的非电量利用传感器转换为电信号,通过将其和其他元素进行对比,能收集中多样化偏差信号。但由于被放大信号属于变化缓慢的直流信号,放大器自身有电容器零部件,其根本无法和该信号进行相互结合,所以无法实现信号放大操作[6]。

2 可靠性设计

2.1 硬件可靠性设计

控制系统在运行中,工作人员要根据现场实际情况来设计抗干扰流程,如果对其抗干扰流程重视程度不足,一旦控制系统受到外在因素影响,很容易给程序带来不同程度的影响,如跑飞、死循环等问题,甚至会给程序、仪器带来严重损坏,如果出现这种情况,会让在正常工作的机构失去控制,如果工作人员没有在规定时间内解决问题,很容易损害其他装置性能。同时,在本系统日常工作中,设备受到电磁干扰,很容易影响到设备性能,从而形成严重的电磁干扰问题。近年来,我国铁路电气化路线建设规模不断拓展,有效提高了列车运行速度,电力机车逐渐成为我国主要的运输工具,和其他机车相比,其具有多样化优势,如运行功率大、超长交路、速度快、无污染等。其中电磁干扰源种类趋于多样化,如元件物理性质、周围设备、自然因素等,经常干扰源有磁场干扰、各种放射干扰、脉冲干扰等;耦合通道是将干扰源通过各种途径传输到被干扰设备上的媒介,通常以I/O信号输入输出线为主体;敏感设备则是表示被干扰的设备。

2.1.1 电源抗干扰

随着工业生产不断发展,市电电网电源存在大量污染问题和干扰信号,给线路系统带来不同程度的影响。因此,工作人员要加强对电源抗干扰性能的重视程度,利用电源滤波技术来提高电源抗干扰性能,由于整个电源电路主要包括稳压电路、整流电路、变压器等环节,该种电压通过二极管和滤波电容相互连接,从而形成直流电压。但由于在电路中有很多方面位置需要采用+12V电压,所以在整流后将MC78057和MC7812T进行相互连接,从而得到两种不同类型的直流电压[7]。

2.1.2 地线抗干扰

目前电力机车整备作业方式存在很多方面的问题,如劳动强度大、工作效率低等,给接触网作业带来各种问题,甚至会出现严重的安全事故,所以如何保证工程人员人身安全成为目前铁路部门急需考虑的问题。本系统中数字电路和模拟电路属于共同存在的情况,所以当所有数字地和模拟地进行相互连接时,工作人员可将电路中模拟地和数字地电源集中在一点,并用地线将数字区和模拟区隔离起来,从而有效避免模拟电路和数字电路通过地线回路相互干扰。

2.2 软件可靠性设计

2.2.1 看门狗技术

软件可靠性作为控制系统的重要环节,其性能和控制系统作用具有直接联系,一旦其出现任何问题,很容易给控制效率带来严重影响。因此,相关企业要加强对软件可靠性的重视程度,单片机系统可提前设计看门狗电路,当WDI端超过1.6秒未被进行投喂时,RST端会自动发布脉冲信号,再采用单片机进行复位。

2.2.2 MCU口线刷新

在MCU结构中,I/O电路被工作人员设计在管芯边缘位置,但由于其靠近外部,经常有很多方面的影响因素,会给逻辑电路日常运行带来不同程度的影响。因此,在设计用户程序中,工作人员要加强对外在因素的重视程度,及时优化I/O数寄存器和方向寄存器,减少系统出现的错误操作[8]。

3 结语

综上所述,安全在整个铁路运输中占据重要位置,一旦相关企业在日常工作中管理出现问题,或者未严格遵循行业规则制度进行作业操作,导致工作人员在接触网带电环境中工作,会出现严重的安全事故。因此,本文通过分析铁路企业对电力机车整备作业的基本要求,利用多冗余多重安全保护设计理念,来设计多样化接触网检测装置,通过对不同检测信号进行合理处理,及时检测出接触网是否带电,从而解决单一检测装置检测准确度不高的问题。

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