電力機車車頂絕緣檢測裝置高壓開關電源的研究

李淼，易吉良，周述慶，陳兵

（湖南工業(yè)大學電氣與信息工程學院 湖南 株洲 412007）

電力機車車頂絕緣檢測裝置高壓開關電源的研究

李淼，易吉良，周述慶，陳兵

（湖南工業(yè)大學電氣與信息工程學院 湖南 株洲 412007）

針對目前電力機車車頂絕緣檢測裝置中高壓電壓互感器易故障、絕緣檢測無法定量等問題，提出了一種基于高壓開關電源的絕緣檢測系統(tǒng)。介紹了絕緣檢測裝置的總體構成和工作原理，設計了基于UC3842控制芯片的高壓開關電源模塊，并采用Saber軟件對高壓開關電源模塊進行了設計與仿真。仿真結果表明該高壓開關電源具有良好的適應性和穩(wěn)定性，滿足絕緣檢測裝置設計要求。

電力機車；絕緣檢測裝置；高壓開關電源

0 引言

電力機車車頂高壓設備的絕緣性能是保證機車正常秩序和安全運行的重要指標。電力機車車頂高壓設備為戶外安裝，容易受到雨雪等惡劣環(huán)境的侵害。車頂高壓設備發(fā)生故障時，將造成受電弓滑板與接觸網粘連，甚至燒壞接觸導線。

車頂絕緣檢測裝置能夠有效、快速的判斷車頂高壓設備是否接地，或者絕緣降低，防止在未確定車頂高壓設備絕緣狀況下盲目升弓，導致受電弓和接觸網發(fā)生故障，從而為故障點檢測和行車秩序提供有效手段。目前的電力機車車頂絕緣檢測裝置是利用機車上安裝的高壓電壓互感器的一、二次繞組的電壓變化來實現車頂高壓設備絕緣的檢測。該裝置在不升弓情況下，將機車直流110V電源逆變?yōu)榻涣?00V送入高壓電壓互感器的二次側，由此在互感器的一次側產生25KV的高壓。測試人員根據司機室電壓表的電壓顯示判斷機車車頂絕緣狀態(tài)[1-2]。這種方式雖然較為簡便安全，但無法給出精確量化的絕緣電阻值。

為了解決目前絕緣檢測裝置中高壓互感器故障率、檢測只能定性等問題，本文提出一種基于高壓開關電源的新型絕緣檢測裝置。

1 絕緣檢測裝置總體構成

1.1 系統(tǒng)構成

新型高壓開關電源絕緣檢測裝置主要由高壓開關電源模塊、信號采集與轉換電路模塊、條件信號檢測模塊、人機接口模塊、數據存儲與通信模塊組成，其主要結構如圖1所示。

其中，高壓開關電源模塊提供絕緣電阻檢測所需穩(wěn)定直流電壓；信號采集與轉換電路模塊實現高壓開關電源輸出直流電壓的采集和轉換；條件信號檢測模塊實現對受電弓信號、主斷路器信號、車頂門信號以及司機車鑰匙信號的檢測，保證系統(tǒng)的運行安全；人機接口模塊主要實現按鍵輸入、液晶顯示等人機交互功能，數據存儲與通信模塊實現數據的存儲和記錄。

1.2 系統(tǒng)絕緣檢測原理

高壓開關電源絕緣檢測裝置采用DC-DC變換器，將機車直流110V電壓，通過高壓開關電源進行升壓，輸出所需直流3000V的檢測電壓。其檢測原理如圖2所示。其中，Rstd為采樣電阻，Rx為被測機車車頂測絕緣子，Rf為受電弓工作采樣電阻。

假設圖中所示串聯電路的電流為I，直流高壓開關電源的電壓為U，采樣電阻Rstd電壓為V，則

經整理后可得，

圖1 電力機車車頂絕緣檢測裝置系統(tǒng)結構Fig.1 System construct of roof insulation detection device on electric locomotive

圖2 絕緣檢測工作原理Fig.2 The principle of insulation detection

因此，通過測量采樣電阻Rstd上面的電壓，經運算放大電路和AD轉換電路，送至處理器進行數據運算處理，就可以間接的測量出車頂絕緣子的電阻值。本裝置在進行測量時，自動檢測并確保受電弓DG降弓，同時真空斷路器QS斷開，單刀雙擲開關K置于絕緣檢測端狀態(tài)，實現絕緣檢測的數字化和智能化。

2 高壓開關電源設計

2.1 高壓開關電源工作原理

如圖3所示，高壓開關電源模塊主要包括：功率開關管、高頻變壓器、倍壓整流電路、PWM控制電路、隔離反饋電路。針對絕緣電阻測量時要求的高電壓、小電流特性，高壓開關電源主電路采用單端反激拓撲結構[5-6]。通過兩級升壓，首先經單端反激變換器將DC110V輸入電壓轉換為DC500V輸出，再通過倍壓整流電路將電壓升高至DC3000V檢測電壓。

倍壓整流電路利用二極管的單向導通性和濾波電容的存儲作用，可以獲得幾倍于變壓器副邊電壓的輸出電壓。工程中倍壓整流電路可分為科克羅夫特-沃爾頓（C-W）倍壓整流電路、信克爾倍壓整流電路。C-W倍壓整流電路的每只電容承受的電壓為變壓器輸出電壓的兩倍，在甚高壓的場合得到廣泛應用[3-4]。本設計采用C-W倍壓整流電路，其電路原理如圖4所示。

高壓開關電源PWM控制回路采用高性能電流模式PWM控制芯片UC3842。該芯片通過可微調的振蕩器，可進行精確的占空比控制。并具有電壓反饋和電流反饋雙閉環(huán)。內置輸入端過壓保護和輸出端過流保護，并設有欠壓鎖定電路。由該控制器構成的開關電源與一般電壓控制型開關電源相比，具有外部電路簡單、電壓調整率好、頻率響應快等優(yōu)點[7]。

高壓開關電源反饋回路由可調式精密并聯穩(wěn)壓器TL431和光耦PC817構成，其電路設計如圖5所示。TL431作為電壓基準和高增益誤差放大器，采樣輸出，產生的誤差信號通過光耦PC817，作為反饋控制信號，耦合到控制器UC3842的引腳1。該電壓反饋回路略過UC3842的內部誤差放大器，直接將誤差信號連接到控制器UC3842內部誤差放大器的輸出端，從而使電源具有更快的動態(tài)響應[8-9]。

2.2 高壓開關電源主要參數設計

開關電源技術指標如表1所示。根據技術指標，單端反激變換器選擇DCM工作模式[5]，主要參數按要求設計如下。

圖3 高壓開關電源結構Fig.3 The structure of high-voltage switching power supply

圖4 C-W倍壓整流電路Fig.4 C-W voltage doubling rectifier circuit

圖5 TL431與PC817構成的反饋回路Fig.5 The feedback loop composed of PC817 and TL431

表1 高壓開關電源技術指標Tab.1 Specifications of high-voltage switching power supply

式中，Pin為輸入功率；K'為拓撲系數；ΔB為最大AC磁通密度，鐵氧體典型值為200mT；f為開關頻率。在本設計中，計算AP值為0.065cm4，查磁芯手冊，選取EE30型磁芯。

（2）初級繞組匝數

初級繞組匝數需要滿足AC電壓應力和磁芯飽和特性，

式中，Np(min)為最小初級繞組匝數；Vin(min)為最小輸入電壓；Ton(max)為開關管最大導通時間，開關管的最大導通時間出現在最小輸入電壓和最大負載時，本設計中最大導通時間不超過總工作周期的50%，留有裕量取Ton(max)值為12μs，其中T/2=1/2f；Ae為磁芯中心柱有效面積。

（3）初級繞組電感量

根據初級繞組峰值電流Ipk求取初級繞組電感量Lp。

式中Po為輸出功率，D(max)為最大占空比，峰值電流Ipk由式（6）求取。

（4）次級繞組匝數

設輸出二極管的管壓降為0.8V，則次級繞組匝數為

式中，Vo為反激變換器輸出電壓DC500V，VD為二極管壓降。

3 仿真分析

為了驗證高壓開關電源設計的正確性，根據上述參數計算，在Saber中進行建模仿真，仿真電路如圖6所示。其中，輸入額定電壓DC110V，輸出最大功率為6W，開關頻率為40KHz，初級繞組電感量為2.31mH，初級繞組匝數42匝，次級繞組匝數296匝。圖7、圖8均為額定輸入電壓下的波形圖。

圖6 Saber仿真原理圖Fig.6 Saber simulation principle diagram

圖7 開關管漏源電壓和初級繞組電流Fig.7 Drain-source voltage of switch and current of the primary winding

圖8 輸出電壓Fig.8 Output voltage

表2 電壓調整率Tab.2 Voltage regulation rate

圖7 所示開關管漏源電壓Uds，其開關管的電壓應力由匝比引起的反射電壓和漏感導致的尖峰電壓組成。為了減小開關管的電壓應力，通常引入鉗位電路吸收漏感能量[10]。初級繞組電流波形表示，反激變換器處于DCM 工作模式。

圖8 為輸出電壓波形，反激變換器次級繞組電壓，經6 倍壓整流后輸出。表2 所示電壓調整率和圖8 輸出電壓波形表明，高壓開關電源具有良好的適應性和穩(wěn)定性，滿足絕緣檢測裝置所需穩(wěn)定直流檢測電壓。

4 結論

本文針對目前電力機車車頂絕緣檢測裝置的不足，提出一種新型檢測系統(tǒng)，并對其高壓開關電源模塊進行設計。通過仿真驗證，所設計的高壓開關電源模塊，具有良好的適應性，其輸出穩(wěn)定直流電壓，能夠滿足電力機車車頂絕緣檢測裝置所需檢測電壓要求。

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Research on High-voltage Switching Power Supply of Roof Insulation Detection Device on Electric Locomotive

LI Miao, YI Ji-liang, ZHOU Shu-qing, CHEN Bing
(College of Electrical & Information Engineering Hunan University of Technology, Zhuzhou 412007, China)

In view of the problems such as the high voltage transformer fault easily, insulation detection cannot be quantitatively of the roof insulation detection device on electric locomotive, an insulation testing system based on high-voltage switching power supply is proposed. This paper introduces the overall structure and working principle of insulation detection device, design of high-voltage switching power supply module based on UC3842 control chip, and using Saber software to design and Simulation of high-voltage switching power supply module. The simulation results show that the high-voltage switching power supply has good adaptability and stability, meets the design requirements for the insulation detection device.

Electric locomotive; Insulation detection device; High-voltage switching power supply

10.3969/j.issn.2095-6649.2016.02.004

LI Miao, YI Ji-liang, ZHOU Shu-qing, et al. Research on High-voltage Switching Power Supply of Roof Insulation Detection Device on Electric Locomotive[J]. The Journal of New Industrialization， 2016， 6（2）: 21-26.

2014年地方高校國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201411535006）；湖南省大學生研究性學習和創(chuàng)新性實驗計劃資助項目（湘教通［2014］248號314）

李淼（1990-），男，碩士研究生，研究方向為現代電力傳動及其故障診斷；易吉良（1972-），男，副教授，碩士生導師，研究方向為電能質量分析，數字信號處理研究

本文引用格式：李淼，易吉良，周述慶，等. 電力機車車頂絕緣檢測裝置高壓開關電源的研究［J］. 新型工業(yè)化，2016，6（2）：21-26.