金 光，婁劉娟，于 龍，陳唐龍

0 引言

工程實踐表明，弓網(wǎng)關系是目前制約國內高速電氣化鐵路發(fā)展的瓶頸之一，而弓網(wǎng)電弧是弓網(wǎng)關系中需要解決的核心問題。

弓網(wǎng)電弧的危害主要有以下方面：對接觸線和受電弓滑板產生侵蝕和磨耗；產生過電壓；產生高頻噪聲；電力機車（高速動車）供電質量下降。因此研究電氣化鐵路中的弓網(wǎng)電弧問題，對促進國內高速鐵路的建設和發(fā)展具有重要意義[1，2]。

1 弓網(wǎng)電弧的光譜特性

當機車高速運行時，機車通過其頂部的受電弓從高壓接觸線獲取所需要的電流，當二者良好接觸時，其電壓相等。但在二者分離的瞬間，其電壓差急劇增加，使得它們之間的氣體發(fā)生“擊穿”現(xiàn)象，從而引起氣體放電。放電現(xiàn)象發(fā)生時，在電極最近處空氣中的正負離子被電場加速，在移動過程中與其他空氣分子碰撞產生新的離子，該離子大量增加的現(xiàn)象稱之為“電離”?？諝獍l(fā)生電離時，溫度急劇上升，同時以弧光的形式發(fā)射出能量。

通過光譜分析儀，在25 kV 交流電、銅導線和金屬冶金滑板的實驗環(huán)境下，可以測得弓網(wǎng)離線電弧光譜特征分布曲線。由實驗可知，弓網(wǎng)電弧能量的分布相對比較集中，其中紫外光部分的波長主要集中在3 個區(qū)域內：270～300 nm，320～330 nm，396～400 nm[3，4]。因此，在實際測量中，只需要重點檢測這幾個波段的紫外光，便可較為準確全面地檢測是否有弓網(wǎng)電弧現(xiàn)象發(fā)生，從而得到弓網(wǎng)離線相關參數(shù)。

2 系統(tǒng)總體設計

該系統(tǒng)主要是根據(jù)弓網(wǎng)電弧的光譜特性，采用光電傳感器捕捉弓網(wǎng)離線時所產生的紫外光，由此來判斷是否有離線情況發(fā)生。系統(tǒng)設計總體框圖如圖1 所示。

3 系統(tǒng)硬件電路設計

3.1 紫外光電傳感器

在該系統(tǒng)中，對紫外光電傳感器的選型依據(jù)主要是離線電弧光的波長范圍，也就是說選用的紫外光電傳感器的感應范圍必須要能包括離線弧光的能量集中范圍，這樣才能良好地實現(xiàn)氣體光譜匹配。除此之外，對于光電傳感器的敏感范圍、正常工作溫度、環(huán)境等因素都是應考慮的問題。

圖1 系統(tǒng)設計總體框圖

通過比較，選用美國perkinelmer 公司生產的UV10T2E10F 型紫外線傳感器，該紫外線傳感器能很好地探測210～380 nm 光譜范圍的紫外線輻射，并產生光電流，它具有高靈敏度，寬響應光譜范圍，密封封裝，小尺寸，低價格，寬工作溫度范圍以及能長期暴露在紫外光輻射下的特性，很適合紫外線探測應用[5，6]。根據(jù)弓網(wǎng)離線電弧的光譜特性，選擇A1（290～390 nm）型濾光鏡，可以對電弧發(fā)出的紫外光進行比較準確的響應，盡可能地減少外界干擾的影響。

UV10T2E10F 型紫外線傳感器的基本參數(shù)

響應光譜波長范圍：210～380 nm；

峰值相應波長：280 nm；

峰值低溫度系數(shù)：140 mA/W；

工作電壓：2.5～5 V；

工作溫度：-20℃～80℃。

3.2 A/D 轉換器

A/D 轉換器選用ADS5422，ADS5422 是14 bit的最高采樣頻率可達62 MS/s 的高速AD 轉換芯片，采用單一5 V 電源供電，在采樣頻率為10 M時其最大動態(tài)范圍為82 dB，最高信噪比達到72 dB，其數(shù)字量輸出可以直接和5 V 或者3.3 V 的CMOS 芯片連接，模擬量輸入的峰值為4 V，可以直接輸入0.5～4.5 V 的模擬量。

3.3 信號預處理電路

在系統(tǒng)中設計了放大電路對電流信號進行放大，然后進行濾波，最后將其轉換成電壓信號送到DSP 系統(tǒng)進行處理，能有效減少電磁干擾的影響。

在傳感器的后續(xù)電路中，因為其輸出的信號比較小，所以采用多級運放進行信號放大，避免阻抗飽和。另外還設計了RC 濾波器，減小干擾信號的影響。其中運放選用OPA336，該型號是專門為電池供電而設計的微功耗的CMOS 運算放大器，單電源供電即可工作，最低到 2.1 V，采用RAIL-TO-RAIL 技術，靜態(tài)工作電流僅為20 μA，輸入偏置電流僅為1 pA，適合運用于微電流轉電壓的設計。電路中R 和C 的取值應進行詳細的計算。

另外，ADS5422 的模擬信號輸入采取差分輸入的方式，可以盡量減少信號噪聲及電磁的干擾，尤其該方式可將所有偶次諧波通過正反2 個輸入信號基本上相互抵消。

系統(tǒng)信號采集電路如圖2 所示。

3.4 DSP 最小系統(tǒng)

3.4.1 TMS320VC5509 芯片特點

該設計選取TI 公司生產的TMS320VC5509 芯片作為本系統(tǒng)的DSP 芯片。TMS320C5509 芯片主要具有以下特點：

（1）TMS320VC5509 型DSP 是一款高性能、低功耗的定點DSP，其內部總線由1 個程序總線、3 個數(shù)據(jù)總線、2 個數(shù)據(jù)寫總線組成，這些總線使得DSP 可以在一個周期內實現(xiàn)讀3 個數(shù)據(jù)和寫2個數(shù)據(jù)的高性能[7]。其內核電壓在時鐘頻率為200 MHz 的時候為1.6 V，管腳電壓在2.7～3.3 V的范圍內，較低的內核電壓和管腳電壓實現(xiàn)了DSP的低功耗。

圖2 系統(tǒng)信號采集電路圖

（2）TMS320VC5509 型DSP 有豐富的片上外設功能，有雙通道10 bit 的A/D 轉換器、1 個可以訪問異步存儲器和同步存儲器的外部存儲接口（EMIF）、3 個多通道緩存串口（MCBSP）、USB接口、I2C 接口、主從設備（HPI）接口等，豐富的外設和管腳為DSP 的擴展外圍設備奠定了基礎。

3.4.2 電源模塊設計

TMS320VC5509 芯片DSP 采用低電壓分離式供電方式進行供電，這樣可以大大降低DSP 芯片的功耗。其中芯片內核采用1.8 V 電壓供電，外部I/O 采用3.3 V 電壓供電[3]，據(jù)此可以選擇TI 公司的TPS73HD318 芯片，該芯片是雙路輸出低壓降（LDO）穩(wěn)壓器，最大電流750 mA，可以將TPS70451 的雙輸出配置成2 路不同的輸出，分別輸出1.8 V 和3.3 V 的電壓。

3.4.3 FLASH

FLASH 是一種高速、電擦除、電改寫的非易失性的存儲器。因其具有速度快、容量大、功耗低以及成本低等優(yōu)點，所以在電子、計算機、通信、軍事以及航空航天等領域得到了廣泛應用，根據(jù)容量、速度、兼容性等方面的考慮，選取美國SST公司的128 K×8 bit 的閃存存儲器SST29LE010。

FLASH 連接到DSP 作為其外部程序存儲器，供DSP 上電時啟動載入程序使用，其作用是將FLASH 中保存的程序載入DSP 中運行。

3.4.4 數(shù)據(jù)RAM

對DSP 進行外擴存儲器，增大系統(tǒng)的數(shù)據(jù)空間，用于對采集的數(shù)據(jù)進行暫存，數(shù)據(jù)RAM 選用IDT72V2113，該型號RAM 主要由一個內部RAM陣列以及讀寫控制單元、讀寫指針單元、輸入輸出寄存器、標志信號以及復位單元組成。通過設置輸出使能引腳來決定數(shù)據(jù)輸出的狀態(tài)。另外為了方便數(shù)據(jù)的讀寫，IDT72V2113 還增加了一些對數(shù)據(jù)讀寫的控制信號，包括讀寫使能、讀寫時鐘以及字寬控制等。

3.4.5 可編程邏輯器件

該系統(tǒng)選用Alter 公司的MAX 7000A，它通過嵌入IEEE 標準1149.1 JTAG（Joint Test Action Group）接口支持3.3 V ISP，并具有高級引腳鎖定功能。該器件具有節(jié)能模式，還具有可編程電壓擺率控制、6 個引腳或邏輯驅動輸出使能信號、快速建立時間的輸入寄存器、多電壓I/O 接口能力和擴展乘積分布可配置等結構特性。

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 系統(tǒng)主程序流程

系統(tǒng)主程序流程圖如圖3 所示。

4.2 數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)

該系統(tǒng)是根據(jù)紫外光電傳感器對弓網(wǎng)離線電弧發(fā)出的紫外光的響應來估算一個控制區(qū)段的電弧強度、電弧數(shù)目、電弧持續(xù)時間總和、最大電弧持續(xù)時間等數(shù)據(jù)，進而得到離線率、離線時間、燃弧率等一些重要的弓網(wǎng)關系評價參數(shù)。

因為當紫外光照射到紫外光電傳感器上時，會發(fā)出一系列響應信號，通過對響應信號進行放大、濾波、A/D 轉換等一系列處理之后，便可以轉化成一系列響應脈沖的形式。紫外光強度越大，響應脈沖越密集、幅值越大；反之，越稀疏、幅值越小。

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

根據(jù)上述依據(jù)，然后編制相應的算法，利用DSP 的高速運算能力進行數(shù)據(jù)處理，便可以估算出需要的弓網(wǎng)關系評價參數(shù)。

4.3 上位機數(shù)據(jù)處理軟件

該系統(tǒng)是作為接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)子系統(tǒng)來進行設計的，所以應與相應的上位機進行通訊，將DSP得到的電弧及離線信息上傳至本地PC，并與接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)得到的公里標、時速等信息相結合，進而顯示、保存，這樣才能詳細地反應線路狀況，為線路的維護提供依據(jù)。

5 結束語

電弧檢測技術是一種比較新的檢測技術，在國內外的研究中越來越受到重視，在某些發(fā)達國家已經(jīng)有相應的產品問世，但在國內還沒有相應的產品出現(xiàn)，本文利用弓網(wǎng)電弧的光譜特性并結合當前在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中應用較為廣泛的DSP 技術，對弓網(wǎng)電弧進行檢測，進而得到線路的一些弓網(wǎng)關系參數(shù)，如離線率、離線時間、燃弧率等，從而為線路的維護提供便利。但是由于系統(tǒng)使用的環(huán)境惡劣，并且存在較大的干擾，所以整個系統(tǒng)仍需進一步完善，以便更加準確地運行，提供更加可靠的數(shù)據(jù)，為下一步廣泛應用于電氣化鐵路的檢測領域打下基礎。

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