動(dòng)車組整車耐壓測(cè)試儀的設(shè)計(jì)及耐壓分析

田 鵬，韓 帥，劉 俠

(南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111)

動(dòng)車組整車耐壓測(cè)試儀的設(shè)計(jì)及耐壓分析

田 鵬，韓 帥，劉 俠

(南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111)

介紹了整車耐壓測(cè)試儀的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。通過(guò)分析不同車型、不同運(yùn)行里程動(dòng)車組的耐壓數(shù)據(jù)，總結(jié)出動(dòng)車組高壓回路漏電流的變化規(guī)律。

動(dòng)車組;整車耐壓;泄漏電流

高壓電氣設(shè)備耐壓試驗(yàn)為交流電壓試驗(yàn)，就是在電氣設(shè)備導(dǎo)電部分和絕緣體之間施加高于額定電壓一定倍數(shù)電壓值(倍數(shù)根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定)，保持一定的時(shí)間從而考核絕緣是不是會(huì)被擊穿。動(dòng)車組的絕緣性能是其安全性的一個(gè)重要指標(biāo)，具體來(lái)說(shuō)，整車耐壓就是車輛編組后用耐壓機(jī)對(duì)車頂高壓電纜、電纜連接器以及各種支撐絕緣子進(jìn)行耐壓，通過(guò)泄漏電流來(lái)考察這些部件的絕緣品質(zhì)、安裝質(zhì)量，這是每一列動(dòng)車組交付前必須要進(jìn)行的一項(xiàng)試驗(yàn)。由于現(xiàn)有的耐壓機(jī)只能設(shè)定耐壓電壓、泄漏電流和耐壓時(shí)間，無(wú)法對(duì)泄漏電流進(jìn)行分析，存儲(chǔ)以及歷史查詢。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)研制了整車耐壓測(cè)試儀(以下簡(jiǎn)稱"測(cè)試儀")，并且根據(jù)耐壓數(shù)據(jù)，分析總結(jié)出不同車型、不同運(yùn)行里程的車載電纜高壓回路泄漏電流的變化趨勢(shì)，為后續(xù)試驗(yàn)及耐壓漏電流數(shù)值的設(shè)置提供數(shù)據(jù)支持。

1 測(cè)試儀的硬件設(shè)計(jì)

測(cè)試儀電壓測(cè)量時(shí)高壓端通過(guò)連接耐壓機(jī)的高壓分壓器分壓，然后連接電壓傳感器，后接A/D數(shù)據(jù)采集卡來(lái)構(gòu)建;泄漏電流測(cè)量是通過(guò)電流傳感器采集低壓側(cè)電流，連接A/D數(shù)據(jù)采集卡來(lái)構(gòu)建。測(cè)量系統(tǒng)具體的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測(cè)試儀硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

測(cè)試儀中的核心部件是A/D數(shù)據(jù)采集卡，它負(fù)責(zé)被測(cè)信號(hào)的采集，其性能的好壞直接關(guān)系到測(cè)量的精度及軟件處理的難易。整車耐壓試驗(yàn)所加電壓為50 Hz的工頻信號(hào)，一般來(lái)說(shuō)，20次以上的諧波分量已經(jīng)很小，對(duì)于這樣的信號(hào)，采集模塊的采樣頻率需要達(dá)到800 Sa/sec。

2 測(cè)試儀的軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是測(cè)試儀的核心，主要由應(yīng)用程序和相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序組成。應(yīng)用程序?qū)⒂布c軟件聯(lián)系在一起，實(shí)現(xiàn)了儀器模塊間的通信與測(cè)量。驅(qū)動(dòng)程序是控制各種硬件接口并且連接計(jì)算機(jī)和采集模塊的程序，由采集模塊的供應(yīng)商提供。根據(jù)A/D數(shù)據(jù)采集卡的供應(yīng)商提供的驅(qū)動(dòng)程序，我們選用VB作為測(cè)試儀的編程語(yǔ)言開發(fā)應(yīng)用程序。軟件需要實(shí)現(xiàn)以下幾種功能:試驗(yàn)波形的實(shí)時(shí)繪制、存儲(chǔ)及分析;歷史記錄的追溯查詢;報(bào)表的生成及打印;試驗(yàn)信息的錄入和存儲(chǔ)。

3 主要算法設(shè)計(jì)

測(cè)試儀主要是記錄試驗(yàn)過(guò)程中的電壓、漏電流有效值的變化，而實(shí)際采集卡采集的為瞬時(shí)值(10 μs一個(gè)點(diǎn))，在顯示與存儲(chǔ)過(guò)程中需將瞬時(shí)值轉(zhuǎn)換成有效值;在對(duì)曲線進(jìn)行縮放過(guò)程中，需要確定開始時(shí)間;在游標(biāo)移動(dòng)過(guò)程中，需要確定游標(biāo)的具體位置所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，這需要一種查找算法能快速的得到所需要的時(shí)間點(diǎn)?，F(xiàn)將有效值的計(jì)算和查找算法介紹如下。

(1)有效值計(jì)算

有效值的定義是:對(duì)于周期為T的信號(hào)u(t)，其有效值為式(1):

但是由于測(cè)試儀是通過(guò)采集卡采集波形數(shù)據(jù)送往計(jì)算機(jī)來(lái)處理的，這樣的波形已離散化，運(yùn)用這樣的公式計(jì)算有效值非常麻煩，所以需要對(duì)式(1)進(jìn)行處理。

對(duì)于式(1)，可以使用數(shù)值計(jì)算中的復(fù)合梯形求積公式，可得式(2):

其中ΔT為采樣間隔。則式(2)可以進(jìn)一步變?yōu)槭?3):

這樣就可以用計(jì)算機(jī)來(lái)處理離散信號(hào)了。

(2)查找算法

查找是在大量的信息中尋找一個(gè)特定的信息元素，在計(jì)算機(jī)應(yīng)用中，查找是常用的基本運(yùn)算。在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行查找的方法有很多，如順序查找、二分查找、分塊查找等等。

二分查找要求線形表中的結(jié)點(diǎn)按關(guān)鍵字值升序或降序排列，用給定值K與中間結(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵字進(jìn)行比較，中間結(jié)點(diǎn)把線形表分為兩個(gè)子表，若相等則查找成功;若不相等，再根據(jù)K與該中間結(jié)點(diǎn)關(guān)鍵字的比較結(jié)果確定下一步查找哪個(gè)子表，這樣遞歸進(jìn)行，直到查找到或查找結(jié)束，發(fā)現(xiàn)表中有沒(méi)有這樣的結(jié)點(diǎn)。二分查找的優(yōu)點(diǎn)是比較次數(shù)少，查找速度快，平均性能好。考慮到測(cè)試儀中的電壓、漏電流數(shù)據(jù)是按時(shí)間順序遞增進(jìn)行排列，為快速查找到所需值，從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀出后直接運(yùn)用二分查找算法進(jìn)行查找，不必再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

用VB程序編寫友好的軟件界面如圖2和圖3所示。

圖2 測(cè)試儀軟件界面1

圖3 測(cè)試儀軟件界面2

4 耐壓測(cè)試數(shù)據(jù)記錄及分析

在整車耐壓時(shí)，將整車耐壓測(cè)試儀與現(xiàn)有耐壓機(jī)相連接。電壓應(yīng)從較低值(不應(yīng)超過(guò)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定試驗(yàn)電壓的40%)開始，緩慢平穩(wěn)地升至所規(guī)定的試驗(yàn)電壓值，并維持所規(guī)定的耐壓時(shí)間。降低電壓時(shí)，直至所規(guī)定的試驗(yàn)電壓值的40%，然后切斷電源，不允許在高壓下突然切斷電源，以免出現(xiàn)過(guò)電壓?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況如圖4所示，001L型8001動(dòng)車組測(cè)試數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖4 整車耐壓測(cè)試儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖

圖5 001L型8001動(dòng)車組耐壓測(cè)試曲線

從圖5中我們可以看出，001L型8001動(dòng)車組在耐壓時(shí)，漏電流隨著試驗(yàn)電壓的變化而變化，變化趨勢(shì)基本一致;在保壓過(guò)程中，漏電流曲線未發(fā)現(xiàn)明顯的周期性跳動(dòng)，也未發(fā)現(xiàn)明顯的突變毛刺現(xiàn)象，這說(shuō)明001L型8001動(dòng)車組車頂高壓線纜等部件絕緣性能良好。

用測(cè)試儀分別對(duì)4組不同車型、不同使用周期的動(dòng)車組進(jìn)行耐壓測(cè)試，并將測(cè)試曲線圖進(jìn)行放大，得到圖6～圖9。

圖6 001L型動(dòng)車組(新造)測(cè)試放大曲線

圖7 001L型動(dòng)車組(三級(jí)修)測(cè)試放大曲線

圖8 002型動(dòng)車組(四級(jí)修)測(cè)試放大曲線

圖9 003型動(dòng)車組(五級(jí)修后三級(jí)修)測(cè)試放大曲線

將4組動(dòng)車組漏電流曲線匯總起來(lái)形成對(duì)比曲線，如圖10所示。4組動(dòng)車組的具體測(cè)試信息如表1所示。

圖10 4組動(dòng)車組耐壓曲線對(duì)比圖

通過(guò)4組動(dòng)車組測(cè)試曲線對(duì)比和4組動(dòng)車組的詳細(xì)信息，我們可以得出如下結(jié)論:

(1)動(dòng)車組泄漏電流的大小與列車編制有關(guān)。長(zhǎng)編組的車由于電纜長(zhǎng)度增加、連接頭增加等原因，使得泄漏電流增大。如本次測(cè)試中不同動(dòng)車組的泄漏電流001L型＞002型＞003型;

(2)動(dòng)車組泄漏電流的大小與溫度和濕度有關(guān)。由于測(cè)試時(shí)溫度高、濕度小，天氣晴朗，同樣是001L型動(dòng)車組，8062列動(dòng)車組的絕緣性能要高于8001列動(dòng)車組。

(3)動(dòng)車組泄漏電流的大小與運(yùn)行里程有關(guān)。車輛長(zhǎng)期在環(huán)境惡劣的室外運(yùn)行，隨著時(shí)間推移，絕緣材料會(huì)有老化現(xiàn)象，其絕緣性能也隨之下降。由圖10和表1均可看出，001L型新造車8062列的泄漏電流要小于001L型三級(jí)修的8001列;而003型7028列動(dòng)車組在行駛250萬(wàn)km后，相比于運(yùn)行里程少的動(dòng)車組，泄漏電流曲線已經(jīng)出現(xiàn)明顯毛刺，說(shuō)明絕緣性能下降明顯。

表1 4組動(dòng)車組具體測(cè)試信息表

［1］ TB/T 2227－1996 鐵道客車車電配線耐壓試驗(yàn)方法［S］.

［2］ JISE 4014－2007 鐵道車輛絕緣電阻試驗(yàn)方法及耐壓試驗(yàn)方法［S］.

［3］ 鄭啟亮，于延尊.動(dòng)車組特高耐壓試驗(yàn)方法研究［J］，科技創(chuàng)新與應(yīng)用2013，(19):21-22.

［4］ 李金霞，王海豐.二分查找判定樹的構(gòu)造方法研究及應(yīng)用［J］軟件，2012，33(4):20-22.

Design of the EMUs Withstand Voltage Tester and Analysis of Withstand Voltage

TIAN Peng，HAN Shuai，LIU Xia
(CSR SiFang co.，Ltd.，Qingdao 266111 Shandong，China)

This paper introduces the software and hardware designed for the withstand voltage tester of the train.Based on the voltage withstanding data gathered from EMUs of different types and various operation mileages，this paper also concludes the changing principles of current leakage in high voltage circuit on EMUs.

EMUs;voltage withstanding of the train;leakage current

U266.2

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.02.13

1008－7842(2015)02－0055－03

)男，工程師(

2014－08－24)