一種智能型直流機(jī)車主、輔回路絕緣檢測裝置*

李銀軒　吳雙雙　柏文琦

(湖南省計(jì)量檢測研究院，長沙 410014)

0　引言

直流電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架牽引電機(jī)供電主要由主回路系統(tǒng)供電，主回路對地完全隔離。若機(jī)車主、輔回路出現(xiàn)兩點(diǎn)接地，將會造成供電系統(tǒng)、機(jī)車運(yùn)行或人身安全事故[1]。

電力機(jī)車二次回路連接設(shè)備繁多，延伸范圍廣，需要可靠的接地保護(hù)[2]。機(jī)車上安裝在線監(jiān)測絕緣狀態(tài)變化的裝置是保障電力機(jī)車安全的重要手段[3]。目前電力機(jī)車主、輔回路的接地保護(hù)采用的是有源檢測方式[4]，導(dǎo)致主、輔回路與機(jī)車地的隔離電阻很低，容易發(fā)生事故。且只有在嚴(yán)重接地發(fā)生時保護(hù)電路才起作用，預(yù)警不及時，靈敏度低[5]。

為了解決故障預(yù)警問題，本文設(shè)計(jì)了一種主回路無源非平衡電橋原理與輔助回路采用信號注入原理絕緣電阻檢測系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能型直流機(jī)車主、輔回路絕緣檢測系統(tǒng)在線監(jiān)測兩路主回路正、負(fù)母線對地絕緣狀態(tài)，把主回路、輔助回路、控制回路與機(jī)車地完全隔離，并保證故障出現(xiàn)時自動恢復(fù)原機(jī)車的所有保護(hù)功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主輔回路高電壓經(jīng)檢測電路轉(zhuǎn)換為小電壓后，由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入控制器進(jìn)行處理；接地繼電器用于控制原回路接地的通斷；報警輸出是在主輔回路產(chǎn)生接地故障后輸出報警信號，按鍵、顯示、通信接口為系統(tǒng)提供人機(jī)接口和遠(yuǎn)程通信。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2　主要功能模塊

2.1　單片機(jī)控制器

控制器采用ATMEL公司的Atmega128高速單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器，它是一個屬于AVR RIST結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS高速單片機(jī)，自帶先進(jìn)的指令集以及單周期指令執(zhí)行時間，采用哈佛結(jié)構(gòu)，所有寄存器都直接與算術(shù)邏輯單元(ALU)相連，大大提高了代碼效率，特別適合對I/O口數(shù)量、存儲器容量和運(yùn)行速度較高的場合。

2.2　主回路絕緣檢測電路

利用主回路自身的DC1000V電壓，采用非平衡電橋原理實(shí)現(xiàn)對地電阻的無源采樣。前端高電壓信號經(jīng)過分壓變?yōu)榈蛪翰蓸有盘?，低電壓信號?jīng)過線性光耦隔離放大、A/D轉(zhuǎn)換，輸入到Atmega128控制器，計(jì)算出對地電阻的實(shí)際值。主回路絕緣檢測電路如圖2所示。

圖2　主回路絕緣檢測電路

絕緣電阻測量方法是“不平衡電橋法”。在測量原理圖2中，WB1、WB2、KP和KE是系統(tǒng)對機(jī)車的接線端子，WB1、WB2是正負(fù)母線端子，KP和KE是兩個不同的接地點(diǎn)，RX1、RX2是待測的正、負(fù)母線與地之間的等效絕緣電阻。

WB1的對地電阻

(1)

WB2的對地電阻

(2)

當(dāng)K1、KP斷開時，設(shè)WB2線對地電壓U-，則有

(3)

(4)

由方程式(3)和式(4)聯(lián)合求解可得

(5)

(6)

通過兩次測量結(jié)果可計(jì)算得到R+、R-的值，用式(1)和式(2)算出RX1和RX2的值。

2.3　輔助回路絕緣檢測電路

輔助回路絕緣檢測電路采用信號注入法對交流220V輸出回路進(jìn)行檢測，其原理圖如圖3所示，U11為隔離光耦，R14、R15、R16組成測量分壓網(wǎng)絡(luò)。注入信號經(jīng)過光耦隔離放大和分壓網(wǎng)絡(luò)，送入A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，供控制器處理和計(jì)算對地電阻的實(shí)際值。為了消除工頻旁路電容C6單相沖電產(chǎn)生測量誤差，采用正負(fù)電源交替注入，進(jìn)行正反向兩次測量，并對兩次測量結(jié)果取平均值。

2.4　A/D轉(zhuǎn)換器選擇

A/D轉(zhuǎn)換器中選用ADI公司生產(chǎn)的AD9220高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對電壓信號等的模數(shù)轉(zhuǎn)換。AD9220為12位AD轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)到5MSPS。在AD9220選擇內(nèi)部參考源，用單端輸入方式進(jìn)行采樣，Atmega128控制器通過編程產(chǎn)生周期為125ns的方波作為AD9220的采樣時鐘，充分發(fā)揮AD9220高速模數(shù)轉(zhuǎn)換的性能。

圖3　輔助回路絕緣檢測電路

圖4　軟件流程圖

3　軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件流程圖如圖4所示，系統(tǒng)初始化后，接受接地故障檢測任務(wù)， 開始對電壓信號進(jìn)行采集，并計(jì)算出實(shí)際電阻值，判斷是否存在接地故障，如存在故障則輸出報警信號，并鎖定機(jī)車回路，需人工確認(rèn)方可解鎖。

4　結(jié)束語

該裝置使主回路、輔助回路、控制回路完全隔離，經(jīng)試驗(yàn)該裝置能有效對主回路、輔助回路接地進(jìn)行預(yù)報警，同時該裝置對機(jī)車線路基本無改造，方便在已有電力機(jī)車上使用。主回路與機(jī)車地的隔離電阻達(dá)到50MΩ以上，輔助回路與機(jī)車地的隔離電阻都達(dá)到500kΩ以上，提高了電力機(jī)車的安全運(yùn)行，有著廣闊的市場前景。

[1]陳愛軍，漆志佳，劉宏，等.機(jī)車直流絕緣監(jiān)測裝置的研制[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2008(1)

[2]王長華，李紅橋.基于平衡橋-不平衡橋直流電源絕緣檢測的策略[J].UPS應(yīng)用，2013(9)

[3]周堅(jiān).針對機(jī)客車DC 600V供電系統(tǒng)接地絕緣檢測顯示漏電不一致問題的改進(jìn)建議[J].鐵道車輛，2012，50(2)

[4]王友兵，吳杰長，郭朝有.船舶集控系統(tǒng)直流電源網(wǎng)絡(luò)絕緣檢測技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2011，19(4)

[5]汪根華.直流絕緣檢測的研究與應(yīng)用[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2003，22(11)