一种铁路信号电缆绝缘低压快速在线测试装置及方法与流程

本发明涉及一种铁路信号设备的检测装置，尤其是涉及一种铁路信号电缆绝缘低压快速在线测试装置及方法。

背景技术：

信号设备分为室内设备和室外设备，两者之间通过信号电缆进行连接。如果电缆对地绝缘不好，轻则影响设备的正常工作，重则影响电源屏供电异常，引发系统性设备故障。所以，信号电缆绝缘测试是csm的重要功能之一。

现有信号电缆绝缘监测设备存在的两种弊端，第一，测量电压为dc500v，当在线测量时，会使防雷设备动作，限制了设备的使用；第二，测量内阻大，使被测电缆的等效电容充电时间长，导致测量时间≥10s。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种输出电压低、测量耗时短、精度高的铁路信号电缆绝缘低压快速在线测试装置及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种铁路信号电缆绝缘低压快速在线测试装置，用于低压快速准确测量铁路信号电缆绝缘电阻，所述的测试装置分别与外部待测电缆和外部绝缘漏流测试装置，所述的测试装置包括：

信号采样及滤波电路，与外部待测电缆连接，用于对外部待测电缆采集数据；

adc芯片及通信隔离电路，与信号采样及滤波电路，用于将信号采样及滤波电路采用的模拟信号转换成数字信号并输出；

主mcu电路，分别于与信号采样及滤波电路和adc芯片及通信隔离电路连接，用于对信号采样及滤波电路进行采样使能控制，以及接收adc芯片及通信隔离电路输出的数字信号并对adc芯片及通信隔离电路进行复位和反馈；

通信电路，分别与主mcu电路和外部绝缘漏流测试装置连接，用于将主mcu电路处理后的信号发送给外部绝缘漏流测试装置。

优选地，所述的装置还包括电源电路，该电源电路输入端与外部绝缘漏流测试装置输出的24vdc电源连接，输出端分别与信号采样及滤波电路、adc芯片及通信隔离电路、主mcu电路和通信电路连接。

优选地，所述的通信电路通过rs485串口与外部绝缘漏流测试装置的主控板连接，进行串口数据通信。

优选地，所述的主mcu电路通过spi通信与adc芯片及通信隔离电路连接，所述的主mcu电路通过uart电路与通信电路连接。

优选地，所述的信号采样及滤波电路通过输出48vdc对接入的电缆进行电缆绝缘电阻数据采样，将采集的数据滤波后传送给adc芯片及通信隔离电路，该adc芯片及通信隔离电路将模拟量转换成数字量传送给主mcu电路。

优选地，所述的信号采样及滤波电路包括采样电路，该采样电路包括采样电阻r59、输入隔离电路、输入防护电路，所述的采样电阻r59分别与输入隔离电路、输入防护电路连接。

优选地，所述的输入隔离电路包括运算放大器u21、二极管d3、二极管d4、二极管d5和二极管d6；所述的运算放大器u21正极输入端分别与采样电阻r59一端、二极管d4正极、二极管d5负极连接，所述的二极管d4负极与二极管d3负极连接，所述的二极管d3的正极接地，所述的二极管d5的正极与二极管d6的正极连接，所述的二极管d6负极接地，所述的运算放大器u21的负极输入端与输出端连接。

优选地，所述的运算放大器u21依次通过运放保护电阻r57和r56后与采样电阻r59连接。

优选地，所述的输入防护电路包括依次串联的熔丝r51、熔丝r45、保护电阻r46、保护电阻r47和保护电阻r48，所述的熔丝r51与采样电阻r59连接，所述的保护电阻r48与外部待测电缆连接。

一种所述的铁路信号电缆绝缘低压快速在线测试装置的方法，该方法绝缘电阻测量引入了时间参数，通过建立电缆的等效模型，根据rc的充电公式，基于短时间的充电曲线变化即可得到准确的电阻值。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、测量时间短：本发明中有别于普通的伏安法电阻测量，新的绝缘电阻测量引入了时间参数，通过建立电缆的等效模型，根据rc的充电公式，基于短时间的充电曲线变化即可得到较准确地电阻值，有效的加快了数据的处理速度，大大缩短了测量时间。

二、安全性能好：本发明的激励输出电压低，内阻大，短路电流小，具有较高的安全性能。

三、测量精度高：本发明在测量绝缘电阻小于1mω的电缆时也具有较高的精度，便于精准判断出电缆是否绝缘良好。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的工作流程图；

图3为本发明采样电路的具体电路图；

图4为本发明简化的测量电路模型的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种铁路信号电缆绝缘低压快速在线测试装置，用于低压快速准确测量铁路信号电缆绝缘电阻，所述的测试装置分别与外部待测电缆和外部绝缘漏流测试装置，所述的测试装置包括：

信号采样及滤波电路1，与外部待测电缆连接，用于对外部待测电缆采集数据；

adc芯片及通信隔离电路2，与信号采样及滤波电路，用于将信号采样及滤波电路采用的模拟信号转换成数字信号并输出；

主mcu电路3，分别于与信号采样及滤波电路和adc芯片及通信隔离电路连接，用于对信号采样及滤波电路进行采样使能控制，以及接收adc芯片及通信隔离电路输出的数字信号并对adc芯片及通信隔离电路进行复位和反馈；

通信电路4，分别与主mcu电路和外部绝缘漏流测试装置连接，用于将主mcu电路处理后的信号发送给外部绝缘漏流测试装置。

电源电路5，该电源电路输入端与外部绝缘漏流测试装置输出的24vdc电源连接，输出端分别与信号采样及滤波电路、adc芯片及通信隔离电路、主mcu电路和通信电路连接。

其中外部绝缘漏流测试装置可进行对地绝缘电阻精确测试、对地交流漏流测试、对地直流漏流测试、对地交流电压测试、对地直流电压测试、对地绝缘电阻快速测试、对内置标准电阻测试。

电源电路5将输入的24vdc电源转换成3.3vdc、5vdc、隔离±5vdc，隔离±2.5vdc，隔离2.048v电压基准，提供给其他功能模块作为工作电源。转换成隔离48vdc，用于电缆绝缘电阻测量。

通信电路4通过rs485串口与外部绝缘漏流测试装置的主控板相连，进行串口数据通信。

主mcu电路3与adc芯片及通信隔离电路2进行spi通信，作用是adc芯片复位和反馈，主mcu电路3通过uart电路与通信电路4相连，主mcu电路3对信号采样及滤波电路1进行采样使能控制。主mcu电路可以实现在线升级、上传版本号和硬件自检状态等功能。

信号采样及滤波电路1与外部测量电缆相连，通过输出48vdc对接入的电缆进行电缆绝缘电阻等数据采样，将采集的数据滤波后传送给adc采样/通信隔离电路，adc电路再将模拟量转换成数字量传送给主mcu电路。

该方法可以实现测量外部绝缘漏流测试装置主控板的0ω和1mω电阻的功能，用于测量校准功能。

如图2所示，测量的流程是根据监测站机的通信协议，接收站机发出的测试命令，接通测量电源，启动充电时间记录，启动adc采样记录，采样频率为500hz，共采集充电1.9s内的充电数据，断开测量电源，adc采样原始数据滤波，根据测量原理计算不同时间多个电阻值，对多个电阻值进行滤波，取平均值得出最终电阻值，根据最终测量阻值判断电阻绝缘，输出测量结果给站机，结束本次测量。

由于测量回路中的干扰来自工频干扰，干扰的频率是固定的50hz，所以采用500hz的频率对测量对象进行采样，然后进行数字滤波处理，即可滤除此干扰。

由测量原理分析可知，由于有电容存在，普通伏安法电阻测量必须在电容充满电后，才能得到较准确的电阻值。有别于普通的伏安法电阻测量，本方法的绝缘电阻测量引入了时间参数，通过建立电缆的等效模型，根据rc的充电公式，基于短时间的充电曲线变化即可得到较准确地电阻值。由于在测量时引入了时间参数，根据不同充电时间点的采样值，可以计算吸收系数：如1s或1.5s时的采样值对应的电压值与推算的完全充电时的采样电压值之间的比例。

测量原理

如图4所示是简化的且不考虑干扰信号的测量电路模型，其中，u为测量激励电压源，rn为测量板内部所有电阻之和的等效电阻，cx和rx为待测电缆的对地绝缘电阻和分布电容。

设测量激励电压为u，设rn两端的电压为un，cx和rx两端的电压为ux，即则由kvl定理可知：

un+ux＝u2-(1)

由kcl定理知：

根据欧姆定律：

un＝i×rn2-(3)

联立2-(1)、2-(2)、2-(3)可得：

求解该微分方程可得：

在式2-(5)中，c^*是方程2-(4)通解的常数项。

t＝0时，代入2-(5)可得：

将2-(6)代入2-(5)得：

公式2-(7)描述了图1模型电缆的的变化规律，t都是已知的测量量，u、rn是常量。如果能够测到cx数值，则可以根据本式直接计算出rx。但是在模型电路中，cx无法被同时求解出。为此，我们采用另一个变换技巧解决该问题。

由2-(7)可知，是时间t的函数，随时间变化而变化。我们选取测量过程中不同的测量时刻t1、t2，分别测出该时刻对应的从而联立一个方程组：

方程组2-(8)中的未知变量只有rx和cx，通过数值运算即可得到待测电阻rx的值。

如图3所示，所述的信号采样及滤波电路包括采样电路，该采样电路包括采样电阻r59、输入隔离电路、输入防护电路，所述的采样电阻r59分别与输入隔离电路、输入防护电路连接。所述的输入隔离电路包括运算放大器u21、二极管d3、二极管d4、二极管d5和二极管d6；所述的运算放大器u21正极输入端分别与采样电阻r59一端、二极管d4正极、二极管d5负极连接，所述的二极管d4负极与二极管d3负极连接，所述的二极管d3的正极接地，所述的二极管d5的正极与二极管d6的正极连接，所述的二极管d6负极接地，所述的运算放大器u21的负极输入端与输出端连接。所述的运算放大器u21依次通过运放保护电阻r57和r56后与采样电阻r59连接。所述的输入防护电路包括依次串联的熔丝r51、熔丝r45、保护电阻r46、保护电阻r47和保护电阻r48，所述的熔丝r51与采样电阻r59连接，所述的保护电阻r48与外部待测电缆连接。

采样电路使用一个2kω/3w的电阻作为采样电阻，后端使用一个极低偏置电流的运放作为输入隔离，运放前端使用两个极低漏流的钳位二极管，作为对输入过冲电压的防护。采样信号输入点使用两个电阻型熔丝作为输入防护，同时电路内部串接多个大功率电阻来增加电路内阻，确保测量信号不会对被测电缆正常工作信号产生影响。

测量电压选择dc48v，在正常情况下，dc48v测量激励电流从测量板流出，具体途径：dc48v测量激励电源正极→fn(板子内部本安保险丝)→r1(测量板内阻)→被测电缆→对象信号设备→对象信号设备另一根电缆→r2(另一根电缆对地绝缘电阻)→大地→测量板rm→dc48v测量激励电源负极。

该路径电流流入对象信号设备，形成干扰电流。在最不利情况下，假设对象设备的另一根电缆对地完全短路，并且对象设备的直流内阻为零，干扰电流也不到0.1ma。这个干扰能量非常有限：对信号机、转辙机等需要较高工作电压的信号设备的影响可以忽略不计。对于敏感的zpw-2000a轨道电路也不构成影响，因为测量过程施加的是稳定的直流激励电压，没有交流分量，也没有周期性的通断控制，因此干扰噪声频谱分量为零，不对zpw-2000a轨道电路接收器产生影响。对于25hz轨道电路而言，触发继电器动作依靠交流电的相位信息，绝缘测量的直流漏电流不起作用。对于480轨道电路而言，受端回线串入了轻微的绝缘测量直流漏电流，能够通过jzxc-480继电器内部的整流桥作用到线圈上，影响也极其有限，该继电器的吸起电压≥8v，流过的励磁电流≥17ma。这个电流门限远远大于整个绝缘测量装置对外流出的最大值0.1ma，因此不会导致轨道继电器错误吸起。

在线测量过程中，对象信号设备的工作电流也会经过上述路径流入测量板，对测量形成干扰，尤其当对象信号设备的另一根电缆绝缘不良的时候，在测量板两端将产生较大的干扰或浪涌。为此，采用如下措施：

dc48v测量激励电源模块采用较高隔离电压，器件型号为urh2424p-6wr3，输入-输出采用了加强绝缘，具有6kv隔离性能。爬电距离8mm。使用此电源模块，有效避免了外部测量干扰电压冲击下可能导致测量激励电源模块输入-输出击穿而导致测量电路对大地的绝缘电阻下降或构成迂回干扰回路，影响安全。

保险丝采用力特公司pico305本质安全性熔丝。测量板和被测电缆经过50ma本质安全型保险丝连接。当异常浪涌通过时，该熔丝能够可靠熔断，并且熔断过程中可能引起的高温、烧灼等均被包容在耐火壳体内部，确保不会蔓延至pcb，引起冒烟、燃烧等严重后果。

测量板和被测电缆连接通过的保护电阻rn，实际采用3个3w金属膜功率电阻串联，增强外部冲击时的耐压性能。

根据数据手册，单个该规格电阻的最高工作电压350v，最高过负载电压700v，3个串联以后最高过负载电压2100v，确保在浪涌电压冲击下不会直接击穿而失去限制电流的保护功能。

测量板和被测电缆连接的端子采用5.08mm脚距连接器，额定工作电压320v/20a，绝缘耐压ac2500v/1min。当异常浪涌通过时，连接器不会被击穿短路或发热燃烧。

测量板测量取样电阻r59采用3w金属膜功率电阻2kω电阻。电阻不会因为过热被损坏，不存在因为过热烧断的风险，确保后级电路总是通过rm连接至测量电源的负极，限制了浪涌电压，避免了浪涌直接冲击后端电路。

测量板r56、r57采用2个贴片1210电阻串联，d4、d5二极管bass116，共同组成运放的输入保护电路。当输入电源高于vcc+0.3v或低于-0.3v时，d4或d5导通，将输入电压限制在vcc+0.3v或-0.3v，防止损坏运放。在保护二极管d4、d5导通期间，流过二极管的电流由r56+r57限制。

当外部浪涌持续冲击时，可能导致d4、d5电流进一步增大，两端压降也随之升高。为此，电路设置了tvs管d3、d6，分别保护正电源和负电源。在出现较高浪涌的时候，能够及时触发，将电源电压限制在可耐受的水平。d3、d6型号为1sma10at，触发门限最低6.67v，最高7.37v，配合前述的d4、d5，能够可靠保护后级敏感的运放。

运放和adc的电源avcc5v和avcc_-5v由隔离电源模块g2405s-2w提供，该隔离电源模块和测量激励电源模块相似，均采用6kv隔离电压等级。adc隔离采用高等级耐压光耦6n137，最高耐受过压6000v。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。