一种接触轨带电显示装置设计

摘要随着经济的发展，人民生活水平的提高，城市规模越来越大，人口越来越多，小汽车数量不断快速增加，城市交通拥堵加剧，尤其是近几年北京、上海等城市的堵车问题，更是严重。面临城市的不断发展、交通流量大幅度增加，交通拥挤不断加剧的局面，各大城市都在采取各种措施解决城市交通问题。在此情况下，发展地下轨道交通是城市发展的必然趋势，在城市道路被各种车辆相互堵塞的情况下，轨道交通车辆能顺利通行，地铁轨道交通技术在公共交通体系中的地位愈来愈高。城市轨道交通接触轨现在基本都采用直流供电的方式，直流电压现在也多选取直流1500v，所以本文以直流1500接触轨系统为重点。本文首先简单的介绍了直流供电牵引技术，然后分析了电压测量原理，确定了非接触式电压测量仪静电电压表，然后分析三种静电系测量系统模型和各种非接触式测量方法优缺点的基础上，总结选择最合理方案，进而才可以设计出最佳的非接触式接触轨电压检测方案，配合通信系统，显示装置等就构成了接触轨带电显示装置的设计。非接触式带电显示装置中，主要有静电计探头、耦合器、隔离放大电路、AD转换器和通信系统等等，然后对他们进行器件选型，选取最优。最后是整个方案设计的保护装置和一些其他的电路。整个装置具有带电检测、显示、报警和通信的功能。关键词：直流牵引供电系统；静电计；隔离放大电路；AD转换器；ABSTRACTWitheconomicdevelopment,peopleslivingstandardsimprove,moreandmorelarge-scaleurbanpopulation,moreandmorerapidlygrowingnumberofcarsincreases,increasingurbantrafficcongestion,especiallyinrecentyears,theproblemoftrafficjamsinBeijing,Shanghaiandothercitiesevenmoreserious.Facedwiththecontinuousdevelopmentofthecity,asignificantincreaseintraffic,congestionescalatingsituation,majorcitiesaretakingvariousmeasurestosolveurbantrafficproblems.Inthiscase,thedevelopmentofundergroundrailtransportistheinevitabletrendofurbandevelopment,inthecaseofurbanroadswerecloggedwitheachotherallkindsofvehicles,railvehiclescansmoothlypass,MetroRailTransittechnologypositioninthepublictransportsystemintheincreasinglyhighUrbanRailTransitcontactrailDCpowersupplyisnowbasicallytheway,theDCvoltageisnowmulti-selectDC1500v,Sothisarticle,withemphasisonthedc1500contactrailsystem.Firstly,abriefintroductionoftheDCtractionpowersupplytechnology,andthenanalyzesthevoltagemeasurementprinciple,todeterminethenon-contactvoltagemeasuringinstrument-electrostaticvoltmeter,Andanalyzesthreekindsofelectrostaticmeasurementsystemmodelandavarietyofstrengthsandweaknessesofthenon-contactmeasurementmethod,basedonthesummarytochoosethemostreasonablesolution,andthenwecandesignthebestnon-contactvoltagedetectionschemecontactrailinwithcommunicationsystems,displaydevicesconstitutethecontactrailelectricdisplaydeviceNon-contactelectricdisplaydevice,thereelectrometerprobe,coupling,isolationamplifier,ADconvertersandcommunicationsystems,Thenselectthedevicetype,todeterminethefinalprogram,Therestistheprotectionoftheschemedesignandsomeothercircuits,Thewholedevicehaschargeddetection,display,alarmandcommunicationsfunctions.Keywords:Dctractionpowersupply;system.electrometer;isolatingamplifiercircuit;A/Dconverter;communicationsystem目录1绪论.11.1本课题的研究背景.11.2本课题研究的目的和意义.11.3国内外研究现状.21.4本课题主要研究内容.32直流供电牵引系统.42.1直流供电系统的组成.42.2外部供电方式.42.2.1中压供电网.62.2.2主变电所.63接触轨带电显示装置整体方案.93.1非接触式电压测量仪.93.1.1静电系测量.93.1.2静电电压表（静电计）.93.2.1电压检测.123.2.2隔离开关辅助触点.123.3非接触式接触轨带电显示装置设计.133.4本章小结.144非接触式接触轨带电显示装置主板设计.164.1非接触式带电检测单元.164.1.1耦合器.164.1.2A/D转换.174.2通信系统.214.3监测主机.255保护及其他电路.275.1隔离放大电路.275.2看门狗.305.3高压继电器.306总结与展望.31附录.33翻译部分.35英文原文.35中文翻译.45致谢.511绪论1.1本课题的研究背景随着现代科学技术的发展与城市化速度的加快，大量轨道交通技术在现代化城市中起着越来越重要的作用，越来越成为人们出行的便捷交通工具，也很大程度上缓了城市交通的拥堵。鉴于城市轨道交通在缓解城市交通矛盾中起到的特别重要作用，我国在很多地方如杭州、成都、苏州、青岛等城市开始了地铁项目的建设，相应的地铁技术的相关研究也就成为了重点。地铁是城市轨道交通的先驱。地铁不仅具有运量大、速度快、安全、准时、节约能源、不污染环境等优点，而且可以在建筑物密集而不便于发展地面交通和高架轻轨的地区大力发展。所以，地铁在城市公共交通中发挥着巨大的作用，给城市居民出行提供了便捷的交通工具1。因此发展地铁轨道交通以成为一种潮流趋势。在我国，城市轨道交通技术的开发和应用都还比较落后，很多的技术和设备要依赖进口，这就导致地铁的工程造价比较贵，往往高于外国造价。所以提高我国国内城市轨道交通自主建设能力，拥有自主知识产权，努力降低工程造价，维护地铁系统正常、安全、稳定的运行是我国地铁科研人员目前需要研究和解决的问题。而在其中，地铁接触轨带电的检测和显示，是本课题着重研究部分。1.2本课题研究的目的和意义大部分地铁采用直流牵引供电，将牵引电流从牵引变电所馈送到列车上的方式就是牵引供电受流，一般有俩种方式，架空接触网与接触轨(又称“第三轨”)两种方式。架空接触网是指在轨道上面布置接触网，地铁机车获流是通过其受电弓与接触线的接触来获取电图1.1接触轨示意图流，为了预防雷击可能造成的损害，还需沿线路设置一根架空地线。接触网架设在车辆上面，布满电线，整个线路多而繁杂，因此对沿线城市景观和车站内景观均有一定影响，影响美观2。接触轨受流方法是指机车通过集电靴和接触轨接触受流。接触轨，简称第三轨，或简称三轨。接触轨系统是地铁牵引供电系统的重要子系统，它直接影响到地铁供电系统甚至整个地铁系统的安全运营。接触轨是沿着电气化铁路运行轨布置并将电力输送给机车的刚性输电导轨，因其一般布置于两轨之间或其中一轨的外侧，因此又叫做“第三轨”，也称“导电轨”3。见图1.1。在上图，我们可以看出，接触轨与运行轨的大致位置关系。现代接触轨系统是以钢铝复合轨为主，配以鱼尾板，电缆连接板，端部弯头，锚结等部件形成的输电系统。接触轨上部一般都设有防护罩，最早的防护罩是木板制造，而现在一般由玻璃钢制成。直流供电最主要优点是直流传输线路没有电抗压降，电压损耗相比交流要小，更加的符合当代社会的绿色环保节能意识。还有，地铁轨道交通都建在人口比较密集的城市，那么相应的供电系统也需要建在这些地方，即使是为了保护他人的人生财产安全，供电电压也不能太高。国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommission,IEC）电压标准是：600v、750v及1500v后俩个推荐值，在我国,GB为750v和1500v，不推荐现有的600v。DC1500V接触轨系统的一个研究难点就是系统与人之间的安全关系。而本课题研究的接触轨带电显示装置可以通过警示预告来预防不安全事故的发生，在很大程度上可以保护靠近接触轨人员的安全。而接触轨带电显示装置实际上就是接触轨轨道电压的测量装置，更加简单来说就是接触轨电压的测量。1.3国内外研究现状接触轨电压测量的方法根据是否接触被测物体可分为俩种：接触式电压测量和非接触式电压测量接触式电压测量在测量电压时要接触待测电路，肯定会对测量电路产生影响，这样就导致测量结果有偏差，精度不是特别高，适合于初步测量。而非接触式在测量不需与带电体接触，这样对测量结果影响较小，精度更高。非接触式电压测量方法是以后的发展趋势。本课题中的静电电压表，也称静电计，属于非接触式电压测量系统的重要组成单元。我们根据测量探头采用不同的原理，将静电计大致分为直流放大式、旋转叶片式、振动电容式三种结构。当前，在我国由于研发成本、元件生产，技术条件，成本问题等种种原因，大部分的地铁任然采用老式的比较落后的接触式电压测量方法（第四章有特别介绍）。随着经济与技术的进步，非接触式的电压测量方法成为趋势，在接触轨带电显示装置中也多应用该技术，这种非接触式的接触轨带电显示装置最重要的部件就是非接触式检测单元静电计。将接触轨的电压接到一铜板上，使用静电计测量铜板的电位，所测电压就是当前状态下接触轨的电压。所以静电计是非接触式接触轨带电显示装置的重要研究内容也是难点。目前，国外的静电计大部分都采用的是震动电容式，震动电容式可以将检测到的直流信号转变为交流信号进行传输，这样可以避免传输信号的耦合衰减，然后再经过一系列的中间信号处理，最后将交流电压信号转变为成直流电压信号。这种静电计的电压信号不会因为时间的变化而衰减，因此震动电容式静电剂具有灵敏度比较、高稳定性较好的优点。震动电容式静电剂可以适应于条件特别恶劣的环境，例如有高压放电、灰尘多、湿度大等恶劣的环境。震动电容式静电剂不仅适应于电路电压的检测，也可将其接入固定电路，实现对电路的监测。振动电容式静电计相比直接感应式静电计不存在零点漂移的现象；相比旋叶式静电计也很好的避免了旋叶式静电剂存在的电机磨损而导致的误差。但这种静电剂也存在技术难度较大、成本较高等问题。所以在我国国内很少使用，除非在要求极高的特殊场合才有应用。直接感应式静电计的测量原理就是利用探头与带电体之间的电容变化来进行直接的静电感应，然后经过放大、处理、传输最后显示电压。通过简单地改变与被测物体之间距离的静电计，电容和电压也随之改变。所以该静电计所测电压为平均值，不适合测量电压变化特别大的环境。直接感应式静电计还存在和零点漂移的现象，静电计接入电路一段时间后，电压会慢慢趋近零。因此，此静电计的检测是不适合实时电压电路。旋叶式静电计是通过电机带动扇叶从而把直流电压信号变成交流信号，然后进过放大、转换、显示。上面所讲该静电计也存在电机磨损，从而导致误差。但是瑕不掩瑜，旋叶式静电计成本小，技术成熟，在我国应用比较普遍。由于我国整体科技水平不是很高，很多的科学技术，科技设备都需要从国外进口，所以我国静电计主要还是依赖于进口。1.4本课题主要研究内容电压测量可分为接触式和非接触式两种，前者利用法拉第电磁感应定律，我们使用最多，而非接触式则是主要应用静电感应原理，目前比较先进。电压表的工作原理大致分为四种，电磁系、磁电系、电动系、静电系，重点分析了静电电压表。然后通过比较各电压表的优缺点，适应场合及其他条件，我们从中选出适合接触轨带电检测的电压表。接触式电压表使用比较广泛，但不适合本课题的设计要求，所以不做重点介绍。所以本课题主要研究对接触轨进行电压检测的非接触式带电检测单元静电电压表（也被称为静电计）。根据静电计探头工作原理的不同我们可以把静电计大致分为：直接感应式、旋转叶片式、振动电容式。本文首先初步了解直流牵引供电牵引系统，然后主要工作是在分析以上三种静电系测量系统模型和各种非接触式测量方法优缺点的基础上，总结选择最合理方案，进而才可以设计出最佳的非接触式接触轨电压检测方案，配合通信系统，显示装置等就构成了接触轨带电显示装置的设计。接触轨带电显示装置主要有接触式和非接触式，接触式有正在使用比较成熟的方案：电压检测式和隔离开关辅助触点式，分析这两种方案的优缺点，可以使我们更好的认识电压测量方法，从而提出更加合理的非接触式电压测量。本课题主要设计内容有静电计探头、耦合器、隔离放大电路、A/D转换器和通信系统等等，然后对它们进行器件选型。最后是对整体设计方案的一种保护和其他电路。整个装置具有带电检测、显示、报警和通信的功能。2直流供电牵引系统电力牵引系统根据供电电流的不同，可以分为直流供电系统、低频单相交流供电系统和工频单相交流供电系统。由于在地铁系统中多采用直流供电牵引系统，所以本文重点介绍直流制牵引系统。2.1直流供电系统的组成直流牵引供电系统的电力能源首先从发电厂获得，然后经过升压，然后经电力网输送至区域的变电站或者是城网降压变电站，再输送至外部供电系统（其中包括主变电所，专用中压供电网）、直流牵引变电所和降压变电所最后至接触网。如图2.1所示。地铁系统可直接从高压电网取得电力，所以只需要安装一个主变电站，把110kv的高压降到10或35kv，然后经直流牵引变电所再整流降压供给接触轨。接触轨是沿着列车运行轨进行敷设的，列车通过集电靴和复合轨的接触来获得电力，轨道是牵引电路部分，然后回牵引变电所。区域变电站220KVG域网降压变电站主变电所中压电网外部供电系统110kv35-10kv直流牵引变电所直流牵引网降压变电所接触轨图2.1城市轨道交通直流牵引供电系统组成图2.2外部供电方式地铁轨道交通系统从城市电网或者区域变电站取得电源，由于牵引负荷以及其相关负（包括信号灯、照明等）都属于一级负荷，从电源接受和传输电能并为其供电的外部供电方式要求有足够的灵活性、可靠性，并且能够保证供电质量。外部供电方式有集中式供电、分散式供电和混合式供电3种，其结构和主要特点分述如下：1.集中式供电由一个特意设置的主变电所集中的为沿线的直流牵引变电所和降压变电所供电的供电方式称为集中式供电。如下图2.2所示，主变电所A、B需要俩路从区域变电站或者是城网降压变电站所馈出的独立的电源进线，一次电压多为220kv，经区域变电站或城网降压变电站到主变电所电压多为110kv，然后经降压后输出35kv的电压馈线。为直流牵引变电所供电。在图中主变电所的供电方式是划分为若干区域进行分区供电，供电分区之间的连接通过双环网电缆进行，并且设有联络开关QF1、QF2等，一般不闭合。具体工作状态是，当主变电所A停止工作时，联络开关QF1、QF2自动闭合，开始由相邻的主变电所B向原主变电所A负责的供电分区供电。同理，当另一台变压器不工作是，开关闭合，好的变压器承接工作。集中式供电方式的主要特点：（1）专用主变电所从城网（或区域变）高等级的110v电压级接入，形成独立的供电系统，受其他负荷干扰较小，供电质量较高，更加的安全，可靠。（2）外部供电系统和直流牵引变电所和降压变电所组成了一个独立的城市轨道交通直流电力牵引系统，系统集中有利于统一的管理和维护，可以提高工作效率。（3）相比于分散式供电方式，集中供电输出后的35kv电压大于分散供电的10kv电压，由于电压较大，传输距离也就比较大，这样有利于长远发展，多线也可以分享主变电站，降低成本。图2.2集中式供电方式2.分散式供电方式和集中式供电方式相比，只是不设置主变电所，他的电源直接引自区域或城网，其他的工作方式和集中供电大致相同，不在做详细介绍。分散式供电具有如下特点。（1）由于直接从区域或城网引入电源，平均每四到五个车站（牵引和降压变电所）就需要接入俩路电源进线，明显的与城网接口较多，这样就导致受城网负荷干扰较大，影响了供电质量和可靠性。主变电所B主变电所AQK1QK2联络断路器（2）系统独立性较差，不利于管理和维护的统一。我国只有在早期的北京地铁和个别城市的轻轨线路有使用分散式供电方式。3.混合式供电方式将前面俩种方式组合在一起就是混合式供电。根据不同的条件和要求，因地制宜的选择以集中供电为主，分散供电作辅助的混合供电，这样可以充分利用资源，完善城市轨道交通。混合式供电的中压网络及运行方式和前面相同，不做重复介绍。混合式在北京地铁近期工程得到了应用。2.2.1中压供电网中压供电网在城市轨道交通外部供电系统中起一个桥梁的作用，连接了外部电源和牵引变电所、降压变电所。中压供电网电压的高低直接影响到整个轨道牵引系统的安全、可靠、经济。电压越高，供电距离越远，但相应的变电站就更大，需要占用更大的场地，增加了投资。2.2.2主变电所外边供电采用集中式供电时，应设置专用主变电所。主变电所的作用是接受从供电系统的区域变电站或者是城网降压变电站馈出的高压电源，然后经主变压器降压后中压供电网向直流牵引变电站和降压变电站供电。根据城市轨道交通牵引和动力照明负荷的特点，为其供电的主变电所应设置在沿轨道线并处于负荷中心的位置，这样可以有效缩短供电电缆长度，节约成本。除此之外还应该满足中压供电网末端电压损耗允许值的要求，规定应按列车运行的远期通过能力时，对互为备用的供电线路，当一回路退出运行，另一回路承担其一、二级负荷供电的情况下，该线路末端电压损失不宜超过5%,据此以确定主变电所的数量，为保证供电的可靠性，一条线路应设置俩座或更多主变电所4主变电所采用110kv高压两路专用电源进线，或一回路为专用，另一回路接入城网，（采用“T”式接入），高电压测的接线多采用线路加变压器组或内桥接线方式。如下图2.3，为采用内桥接线的主变电所接线图，如图，俩台主变压器T1、T2容量相同，正常情况下并列运行，各承担50%负荷，一台主变压器故障或检修时，另一台负责全部负荷。内桥接线是指在进线断路器QF4和QF5的内侧再设置一个断路器QF3，俩路电源进线正常工作时,QF3断开。当其中一条进线发生故障时，QF3自动闭合，这个时候就依靠另一条进线同时供电俩座变压器，保持系统的正常运行。经主变电所降压后，电压由110kv变为35kv，电源降压后要输出至分段断路器QFD的35kv中压分段母线，然后经多路馈电线再输送到中压供电网、牵引变电所以及降压变电所。图2.3主变电所接线图2.2.3直流牵引变电所直流牵引变电站从中压电网获得电源，经整流机组整流变压器降压、分相后，按一定整流接线方式由大功率硅整流器把三相电转换为直流牵引变电站所需要的直流电。然后向电机车供电。如下图2.4所示，可以知道整流机组是直流牵引变电所的重要环节，经实验验证，采用24脉波或者是12脉波的整流接线方式。wl1wl2QF4QF5QF3QF1QF2TT210KV电源进线10kv电源进线主变压器QFDQF1QF3QF2QF4T1T2RCT1RCT2DQF5DQF6QS3QS4QS1QS2DQF2DQF4回流线回流线上行与下行接触网馈线（左侧）上行与下行接触网馈线（右侧）+1500-1500DQF1DQF3WL1WL2图2.4直流牵引变电所主接线图如图2.4所示，两回路35kv进线电源，从主变电所或区域变电站引来，在35kv单母线合流，再经俩套三绕组多相整流变压器T1、T2以及俩台基于俩组并联三相桥式整流电路构成的大功率硅流器RCT1、RCT2组成的俩套12脉波整流装置，在直流输出侧并联。整流器的阳极直接与负母线（-1500）相连，而阴极输出则需要经直流快速断路器DQF5、DQF6再与正母线（+1500）连接。然后通过接触网馈线以及直快速断路器QDF1、QDF2、QDF3、QDF4分别向俩侧的上行和下行的接触网供电。负母线则经回流线与走行轨连接，这样就构成了电机车的直流供电牵引系统。3接触轨带电显示装置整体方案3.1非接触式电压测量仪电压测量是故障诊断及故障检测常用的一种方法，根据其测量对象的不同，可分为交流电压测量和直流电压测量；按照工作方法的不同又可分为模拟、数字两种。模拟电压表的磁电式电流表头是以电流流经磁场中的线圈所产生的电磁力作为指针偏转的动力。因此测量时需要从被测对象中获取一定量的电流，这样将不可避免的对被测对象造成一定的影响，其影响的程度与表头灵敏度有关所5。接触式电压表以法拉第电磁感应原理为依据，本文非接触式电压表测量根据静电原理。3.1.1静电系测量利用电容器俩个极板间的静电作用力产生转动力矩的测量机构，称为静电系测量机构。固定电极和可动电极构成了一个空气电容器将被测的直流电压引到两个电极上，俩极板之间形成电场，产生静电作用力，吸引可动电极产生偏转运动。很明显，被测电压越高，静电作用力就大，产生的转动力矩也就越大，可动电极偏转角就越大（经证明，偏转角和被测电压的平方有关系）。因此通过指针的转动，加以刻度就可测出电压。现在结合数字电路，更加方便实用。静电系测量优点：一个是可动电极的偏转角可以直接反应所测电压的大小，不需要电压、电流之间相互转换。所以，静电系测量机构适合制成电压表，接入合适结构后，可直接测高压电路。另一个优点是静电电压表能耗损失非常小，几乎可忽略不计。这是由于电容器电容很小（几十到几百pF），而容抗很大，所以在通交流时耗能很小，通直流时更是几乎没有电流通过，电能损失更加少。这就决定了静电电压表也可应用于功率很小的电路。3.1.2静电电压表（静电计）1.测量原理主要是分别运用静电感应和空气电离的原理。静电感应是把探头接近带电板，直接测量带电板表面电位，实际就是测量带电板表面的电场。空气电离则是利用同位素电离空气，电阻分压，测量的是带电板的对地电压。相应的静电计就分为静电感应式静电计和电离型两种。2测量仪表静电感应型是指利用静电感应原理，以电容分压的方式，直接读取放置在带电板附近探头上的感应电位。其测量原理如下图3.1所示。探头与带电板靠近，产生电容，0C带电板在探头上的感应电压，在等效电路L中，和串联分压以及部分电荷由接地0C22R获得。T为测量探头，L为测量仪表等效电路。图3.1静电感应型测量原理探头感应电压为：(3-1)2_02CRteV式中：测试仪表的输入阻抗；2R测试仪表的输入电容；C放电时间；t带电板的电位；V探头上的感应电压。2由于传感器探头上的信号很弱，所以必须进行放大，才能通过表头显示。按照放大方式的不同，静电计分为直流放大和交流放大，交流放大又可分为振动电容式和旋转叶片式两种。a.直流放大式静电计测量时，探头上的感应电压使检流计指针偏转，即可显示被测带电板对地电位和极性。但其读数漂移无法抑制，测量值也随时间变化有衰减。所以要想保证测量值的准确稳定，就要保证时间常数不能太小，一般规定时间常数RC的乘积大于s。电容要受静电310计灵敏度的限制，要求不能太大，这样只能增大仪表的输人电阻。输入电阻过高，也带来了制作工艺的复杂，所以现在已很少使用。b.旋转叶片式静电计旋转叶片式静电计，简称为旋叶式静电计，这种仪表是由测量探头、放大电路和显示器等组成。旋叶式静电计探头部分有三个金属片：A极片上有十字形的开口，是用来固定安装的；B极片是一个十字形的旋转叶片，与电动机相连，靠电动机的带动作旋转运动；P极片是感应极片，前两个极片对感应极片起屏蔽作用。当探头靠近带电板时，极片本身产生旋转运动，传感器电极片会产生连续的交流电压信号。这种静电计探头它能将固定叶片上感应到的直流信号变成交流信号，然后再经放大，有效的避免了直流放大式静电计存在的零点漂移现象，目前使用较多。测量原理如下图3.2所示。图3.2旋叶式静电计原理图B极片需要连接已知极性的电源，作为参考电源，这样当探头测量带电板时就可根据B极片的极性确定带电板的极性。这样，即便没有外来的感应信号，感应极片P也会产生交流电压，仪表指针就会发生偏转，显示仪表的这一位置可作为零点。当带电板和B极片极性相同时，仪表指针正向偏转，反之，则反向偏转。这就是说，给转动极片加上一定的电压，通过仪表指示就可鉴别被测电压的极性，初步意向采用。c.振动电容式静电计他是一种高输入，交流放大型的静电计。包括探头、阻抗变换器、量程装换器、交流放电路、振荡器、积分电路、显示器、等部分组成。其原理如图3.3所示。图3.3振动电容式静电计原理图该静电计的探头部分为一个可活动的金属小板。机械振动探头和带电板之间的电容呈周期性的变化，即探头可以感应到一个周期性变化的电压信号。这个信号是非常微弱的，需要采用高电阻输入的阻抗变换器来接收信号，信号经过阻抗变换再传输到量程转换器，再经交流放大器放大，然后再经相敏检波电路，最后积分电路，传输到显示器显示出电压。振动电容式静电计克服了零点漂移现象，在带电离子环境中也能长时不间断检测，复杂环境也适合使用。而且长时间使用时也不需要清零，减少了误差。但相应的也存在结构复杂，成本高等问题，所以本文不做考虑。3.2接触轨带电显示装置整体方案接触轨是将电能传输到地铁和城市轨道交通系统电力牵引车辆上的装置6。接触轨多采用DC1500V，高电压就带来了不安全因素。我国自1965年北京建造我国第一条地铁线以来，伴随着我国地铁建设事业的发展，接触轨技术也走过了近40年的发展历程7。接触轨电压检测技术也随之发展，接触式接触轨电压检测的方法主要有电压检测和隔离开关辅助触点式。3.2.1电压检测接触式电压检测装置包括一个电压检测器、一个控制单元和一个警示灯显示部分，通过对接触轨DC1500V采用电阻分压的方式来控制警示灯的红、绿状态，红灯亮表示接触轨带电，绿灯亮表示接触轨不带电。因此这个装置具有熔断器保护、电阻分压、光电隔离、带电状态显示等功能。装置构成如图3.4所示。电压检测方式的接触轨带电显示装置原理是通过电压检测单元对接触轨进行电压采样，电阻分压分得电压，再进行光电隔离，检测单元检测到信号后，触发显示装置（即警示灯），通过显示红绿灯不同状态来提醒轨道工作人员是否安全，红灯危险，绿灯安全。图3.4装置构成图3.2.2隔离开关辅助触点隔离开关辅助触点式由隔离开关位置信号、控制单元和警示灯等组成。装置构成如图4.2所示。由图可知装置比较简单，所以结构简单是隔离开关辅助触点方式的一大特点。需要注意的是，接触式隔离开关辅助触点式接触轨带电显示装置需另外设立电源，来保证整个装置的正常运行。当隔离开关闭合时，与其并联的红色警示灯亮，表示接触轨带电；当隔离开关断开时，与其并联的绿色警示灯亮，表示接触轨不带电。控制单元接触轨DC1500V快速熔断器电压检测单元电阻分压光电隔离控制单元警示灯图3.5装置构成示意图3.3非接触式接触轨带电显示装置设计因为接触式还能满足目前要求，而且处于研发成本的考虑，所以非接触式接触轨带电显示装置目前应用较少，但是非接触式作为未来的一种发展趋势，应该引起我们的注意。该装置主要包括非接触式带电检测主机、监测主机和显示控制器。非接触式带电检测单元由信号耦合器和非接触式测量主机构成，其内部主要有非接触探头、前端耦合器、信号调理电路、隔离放大电路等。装置结构简图如3.6所示。工作原理：非接触处电压检测单元靠近接触轨，同理于前面介绍的给铜板带电，基于静电感应原理测量接触轨电压。详细来说就是把将静电计探头和接触轨距离拉近，这样静电计探头才会感应到接触轨电压，感应到的信号是和接触轨电压是正比例关系。此时信号为交流信号，这个信号要经过高输入阻抗前置放大电路和信号放大器进入相敏检波电路，此时变为直流信号，其幅值和极性由交流感应信号的幅值和相位决定，然后直流信号输入至直流一体放大器，然后驱动高压放大器，这时候探头就测到了接触轨的电位。这个时候的信号再经过信号调理电路的调理，然后是隔离放大电路的隔离和与放大。再进入信号比较器与设定的安全值比较，输出可以代表接触轨电压状态的开关量信号。将此开关量信号传至监测主机。监测主机和上位主机通信，检测控制器接收监测主机传送的接触轨带电信息。检测信号超过设定安全值时，红灯亮表示接触轨带电危险；检测信号低于设定安全值时，绿灯亮表示接触轨不带电。还可设置一个检测的黄色灯，当设备有故障时使用。接触轨电压信号传输过程如图3.8所示。在正常情况下绿灯亮，只有在接触轨带电情况下红灯才亮，这样就可以实时监测接触轨带电状态。隔离开关位置信号控制单元警示灯图3.6非接触式接触轨带电显示装置结构简图3.4本章小结为直观显示接触轨的带电状态，方便运营维护人员在轨行区工作、在正线停车线以及折返线道岔区、车辆段库内股道旁和检修库外中性区进行安全有效的工作。需设置接触轨带电显示装置8。本章简单的分析了接触式和非接触式种测量方法，得出非接触式可不与接触轨进行接触，减小对供电系统的影响，相对来说，电114能的损耗就小，测量也更加精准，总的来说，非接触式测量在准确性、安全性都比较高，是未来的一种发展趋势。接触轨DC1500V高压继电器电压检测单元监测主机显示带电铜板静电计探头RS-485RS-485上位主机RS-485（预留）DC1500V接触轨信号耦合器信号调理电路输入输出隔离放大电路控制电源信号比较器报警阈值信号输出图3.7非接触式带电检测原理图图3.8接触轨电压信号传输图接触轨DC1500V耦合器信号调理电路隔离放大电路信号比较器监测主机显示控制单元LED显示屏非接触带电检测单元4非接触式接触轨带电显示装置主板设计非接触式接触轨带电显示装置主要包括非接触带电检测单元、监测主机和显示控制器三部分。4.1非接触式带电检测单元4.1.1耦合器耦合器是非接触式带电检测单元的主要组成部分。本设计采用旋叶式静电计探头作为耦合器使用，把监测到的直流信号转变为交流信号，可以避免直接耦合信号的衰减。下图4.1旋叶式静电计电路图图4.1旋叶式静电计线路图在图4.1中，三极管BG1为射极输出器，有较高的输入阻抗，作阻抗变换之用。三极管BG2和BG3是俩极有负载的放大器。变压器B是BG3的集电极负载，其作用有三；a.隔绝直流成分，只让交流成分接入仪表的显示部分；b.进行阻抗匹配，以取得最佳工作特性；c.原边线圈配合电容C7产生频率为讯号频率的谐振，实现选频放大，以减小测量误差。变压器B副边输出的交流信号经整流后使微安表指示读数。电位器W2可调节放大器的放大倍数，以供仪表调零之用。非接触式测量中（本文重点考虑静电电压计），直流放大式静电计存在零点漂移，不能满足实时监测等问题，现在已很少使用；振动电容式静电计克服了直流放大式静电电机动片定片22.5V6V9VC9100R430KR1510KR5100KR2510KBG1C13.3R310KR610KW1100R730KR85.1kR1110kC43.3C53.3W25.1KC21000pBG2C3100R91KR10510KR125.1KR13510KC6100C70.033pBG3A500C83.3R14510Z12AP4B的零点漂移问题，测量精度也高，但是其结构复杂，成本也高只有在特殊场合使用，不适宜大范围普遍使用，不作考虑；旋转叶片式静电计（简称旋叶式静电计）在探头部分需电机来带动叶片，电机存在机械磨损，容易产生误差，这样恰恰能够获得较大的输入信号，可以对放大器降低要求，并且旋叶式静电计相对来说成本较低，国内使用也较广泛。综上所述，决定耦合器采用旋叶式静电计。4.1.2A/D转换A/D转换（模数转换）是为了方便数据比较以及显示输出。一般A/D装换过程要经过采样、保持、量化和编码四个步骤完成。为了使转换后的信号不失真，A/D转换要服从采样定理采样频率的最大值要大sf于被采样输入模拟信号频率最高值的2倍（即奈奎斯特采样速率/频率），即f。采样定理也被成为奈奎斯特定理、香农定理9。maxax2ffs通常，ADC常用的主要有以下几种：型A/D，逐次逼近型、双积分型。a.型型A/D转换器采用的就是过采样技术和数字滤波技术。指增量，指积分，输出一位编码数据流，显示输入信号幅度的大小，原理框图如图4.2所示。由图可以看出，图4.2型A/D转换器原理框图模数转化在调制器完成，调制器以远大于奈奎斯特（Nyquist）速率对输入模拟信号进行采样、调制，把模拟信号用增量调制的方法量化成一位的串行数字位流，再经过分样和数字低通滤波器除去噪声后，得到编码输出数据。调制器由差值（）的求和部分，一阶或多阶积分器（）量化器和一个1位DAC组成。一阶调制器结构如图4.3所示。图4.3一阶调制器结构在图4.3中X是被采样信号，D是已经采样量化后的串行一位的数字位流。量化过程是由采样保持器（S/H）采样过来的输入信号X和反馈过来的信号W反相求和后得到量输出数据模拟输入一位的数字位流数字低通滤波器抽取滤波器-调制器X+-+BCD积分器量化器（比较器）数字滤波器1位DAC-W化的误差信号B，后B进入积分器，然后输出信号C进入比较器，和经过数字低通滤波器除去噪声的1位DAC比较判别。当C0时，输出“1”，否则输出“0”。这样量化得到二进制数0和1的序列D。本质上，型ADC是一个零电位比较器，其中一路信号传送给低通滤波器；另一路经过1位DAC，数模转换后输出反馈信号W，比上一个输出信号延迟一个采样时钟，所以代表的是前一个被采样信号X的量化电平。W再和下一个采样信号X相减，经比较，输出一位编码，依次循环，就完成了调制，也就是A/D转换。这样看来，型ADC的基本原理就是通过采样技术把基频外的量化噪声变成高频信号，然后通过数字低通滤波器把这些高频信号滤除掉10。由于型转换器采用的是一位编码技术，所以模拟电路很少。型转换器还具有高精度、高线性、低功耗、性价比高、信噪比高、易于集成数字电路等优点。b.逐次逼近型（SuccessiveApproximation，SA）逐次逼近型属于直接转换方式，由D/A转换器从高位到底位逐位增加转换位数，产生不同的转换模拟电压，再逐次与输入模拟电压进行比较，实现转换11。其结构如下图4.4所示。图4.4逐次逼近型A/D转换器原理图其原理就是从高到低一点一点的比较，就像在使用天平时，先要放重的然后才慢慢放轻的砝码。AD转换过程：刚开始工作时，先将逐次逼近寄存器(SAR)的最高位置1，然后送至DAC，DAC把数字量转换为模拟量Von，再送至比较器，在比较器内Von和Vin进行比较，若VonVin，则保留1，否则被清除。然后再置SAR次高位为1，重复上述过程进行比较，直至SAR最低位。比较完，SAR显示最终输出。由此看见，虽然逐次逼近型ADC的功耗低、成本低，但是转换速率低，精度低，最控制逻辑电路逐次逼近寄存器缓存寄存器D/A转换器Vino启动信号CLK转换结束主要的是抗干扰性很差，如果外界干扰很严重，会造成转换误差变大。c.双积分型双积分就是同一时间段内，用同一个积分器对输入电压和参考电源进线两次积分。其转换原理如图4.5所示。图4.5双积分型原理图转换过程是：首先开关接入Vin信号,输入信号电压Vin对积分器充电，充电周期为T,当时间达到T时，积分器输出电压；然后开关再接入和Vin极性相反的基准电压VREF，输入信号电压VREF再对积分器进行充电（即反向积分），到积分器输出电压为零时结束。Vin和VREF成正比，反向积分期间内计数器统计的数，就是Vin对应的数字量。综上所述，逐次逼近型A/D转换器首先排除，因为接触轨周围的电场、磁场多而繁杂，要求抗干扰性要很好，而逐次逼近型抗干扰性比较差；因为要测得是接触轨的瞬时电压，要求转换速率要高，才能更好的显示接触轨的电压，防止出现安全事故，所以也不能选择双积分型。所以本文装置设计使用型A/D转换器AD7705进行此项任务。AD7705是AD公司生产的16位无丢失代码的A/D转换器。功能组成框图如图4.6所示。从图中可以看出，AD7705主要由前端模拟调节电路、调制转换、串行数字信号输出三部分组成。多路模拟开关、缓冲器和可编程增益放大器（PGA）组成了前一部分。功能组成框图的外围是芯片的引脚，引脚注解见表格一1213。开关控制逻辑计数器VinREFR比较器积分器数字量时钟积分输出图4.6AD7705功能原理主要的特点是：有两个全差分通道；PGA可编程，数字滤波器也是可编程，因此增益1128之间可调，数字滤波器的数据输出更新速率可调；可进行自校准和系统校准的功能。AD7705电路如图4.7。时钟由石英振荡器提供，由A/D转换结束端口和主机进行连接。由于采用型A/D转换器结构实现模数转换，使得该器件在噪音环境下能免受干扰，因此它很适合作工业和工艺控制用。它还提供了一个可编程增益放大器，数字滤波和校准选项。因此，它提供比普通的积分ADC更多的系统级功能，而且没有必须要有高质量的积分电容器的缺点14。表格一：AD7705引脚注解引脚标识功能1SCLK串行接口时钟输入端2MCLKIN芯片工作时钟输入3MCLKOUT时钟信号输出4CS片选端5RET复位6、11AIN2(+)、AIN2(-)第二个差分输入通道正、负极寄存器组串行接口时钟发生器模拟信号输入端数字低通滤波器调制器A/D转换器A=1128缓冲器多路模拟开关7、8AIN1(+)、AIN1(-)第一个差分输入通道正、负极9、10REF(+)、REF(-)参考电压正、负极12DRYA/D转换结束标志13DOUT串行数据输出端14DIN串行数据输入端15DV电源电压，+2.7V+5.25V16GND接地端图4.7AD7705电路4.2通信系统在数据通信（主要是计算机或其他数字终端设备之