電力機(jī)車車頂高壓絕緣檢測系統(tǒng)應(yīng)用分析

馬牮

摘 要：文章介紹了一種電力機(jī)車車頂高壓絕緣檢測裝置，它利用機(jī)車已有的高壓電壓互感器及蓄電池電源在互感器的一次側(cè)模擬接觸網(wǎng)電壓，檢測車頂高壓設(shè)備絕緣狀態(tài)，從而避免因機(jī)車車頂絕緣狀態(tài)不良造成的弓網(wǎng)事故。

關(guān)鍵詞：高壓絕緣檢測；弓網(wǎng)電壓；逆變電源；閉環(huán)控制

近年來，隨著我國電氣化鐵路的不斷增多，電力機(jī)車的應(yīng)用也越來越廣泛。由于電力機(jī)車的高壓電氣設(shè)備為戶外安裝，這就要求它們與機(jī)車車頂之間有良好的高壓絕緣性能，以防止風(fēng)、砂、雨、雪等惡劣天氣及雷電過電壓的侵襲。當(dāng)電力機(jī)車車頂高壓電氣設(shè)備發(fā)生故障，造成高壓設(shè)備接地或與車頂間絕緣降低時(shí)，一旦升弓輕則造成受電弓滑板與接觸網(wǎng)粘接，重則燒損接觸網(wǎng)，影響大面積接觸網(wǎng)線路，嚴(yán)重影響鐵路正常運(yùn)營秩序。

為此，中國鐵路總公司針對如何檢測機(jī)車車頂高壓絕緣狀態(tài)做了大量的研究，并從2014年起，在機(jī)車上陸續(xù)加裝了機(jī)車車載安全防護(hù)系統(tǒng)，本文對該系統(tǒng)中高壓絕緣檢測裝置的設(shè)計(jì)、原理和應(yīng)用進(jìn)行分析和介紹。

1 如何檢測車頂高壓設(shè)備的絕緣

機(jī)車上的高壓電壓互感器具有檢測接觸網(wǎng)電壓的作用，它通過固定的變比將接觸網(wǎng)的高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓加載到網(wǎng)壓表上，以顯示網(wǎng)壓狀態(tài)。以HXD3型機(jī)車為例，當(dāng)接觸網(wǎng)電壓為25kV時(shí)，高壓電壓互感器二次繞組感應(yīng)電壓為100V。反之，在二次繞組側(cè)施加AC100V電壓時(shí)，在一次側(cè)也會感應(yīng)出25kV的空載電壓。當(dāng)車頂高壓設(shè)備與車頂之間的絕緣降低時(shí)，一次繞組的等效阻抗會減小，一次繞組電流隨之增大，根據(jù)互感器的原理，二次繞組電流也將增大，從而影響到二次繞組的電壓，通過高壓電壓互感器的一、二次繞組的電壓變化就可以實(shí)現(xiàn)檢測車頂高壓設(shè)備絕緣狀態(tài)的目的。

2 高壓絕緣檢測裝置的原理闡述

高壓絕緣檢測裝置通過閉環(huán)開關(guān)電源檢測技術(shù)和直流逆變交流技術(shù)有機(jī)結(jié)合，將機(jī)車蓄電池輸出的直流電，通過逆變將其轉(zhuǎn)化為正弦交流電加到高壓電壓互感器的二次側(cè)，從而使高壓電壓互感器的一次側(cè)感應(yīng)出25kV高壓電模擬弓網(wǎng)電壓。當(dāng)高壓車頂絕緣狀態(tài)下降時(shí)，一次側(cè)等效阻抗下降，電流增加，當(dāng)?shù)刃ё杩瓜陆档揭欢ǔ潭葧r(shí)，由于高壓絕緣檢測裝置加到互感器次邊的電流被限定在一定范圍，所以為了維持電流到某一限定值，施加到互感器上的電壓會隨著阻抗的下降而下降，按照這個(gè)原理通過模擬加載電壓的大小就可以等效出車頂高壓設(shè)備的絕緣狀態(tài)。

2.1 直流逆變電源

高壓絕緣檢測裝置需要的電源來自于機(jī)車的蓄電池，電壓范圍在77～138V之間，輸入電壓先通過直流濾波器濾去高次諧波，再經(jīng)過DC/DC降壓模塊將直流電壓降低。這是由于機(jī)車模擬阻抗較低，同時(shí)受到高壓電壓互感器的最大功率限制，所以采用標(biāo)準(zhǔn)100V輸出會導(dǎo)致輸出電流過大，對高壓電壓互感器造成影響。

通過降壓的直流電再經(jīng)過PWM控制的逆變器，將輸出電壓控制在AC50V，50Hz，由于采用了PWM調(diào)制技術(shù)，輸出電壓的大小和頻率都可以進(jìn)行微調(diào)，同時(shí)設(shè)置了過壓、過載、短路保護(hù)措施，使該電源具有很高的可靠性和穩(wěn)定性。

由于輸出電壓為50V，為了與其他機(jī)車的高壓絕緣檢測裝置的外部特性進(jìn)行統(tǒng)一，采用當(dāng)量顯示法，將實(shí)際12.5kV顯示為25kV，便于操作及參看。

2.2 保護(hù)電路

高壓絕緣檢測裝置操作時(shí)會在車頂受電弓部分加載試驗(yàn)高電壓，所以操作前必須確認(rèn)處于安全操作狀態(tài)，即無論處于庫內(nèi)還是在線運(yùn)用，必須確認(rèn)機(jī)車處于降弓停車、主斷路器斷開狀態(tài)，并必須確認(rèn)機(jī)車車頂無人操作并鎖閉活動天窗。

高壓絕緣檢測裝置利用了機(jī)車原有的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)。當(dāng)使用絕緣檢測裝置檢測車頂高壓設(shè)備絕緣狀態(tài)時(shí)，只有受電弓降下且車頂天窗處于鎖閉狀態(tài)時(shí)才能從機(jī)車上拔下藍(lán)鑰匙，而藍(lán)鑰匙又是控制高壓絕緣檢測裝置電源接通的開關(guān)，只有用藍(lán)鑰匙打開高壓絕緣檢測裝置上的電源，高壓絕緣檢測裝置才能進(jìn)行絕緣測試。通過電氣連鎖確認(rèn)受電弓降下并且確認(rèn)車頂無人且車頂天窗鎖閉，可以確保高壓絕緣測試安全進(jìn)行。

2.3 閉環(huán)控制技術(shù)

閉環(huán)控制是基于反饋原理建立的自動控制系統(tǒng)。所謂反饋原理，就是根據(jù)系統(tǒng)輸出變化的信息來進(jìn)行控制，即通過比較系統(tǒng)行為（輸出）與期望行為之間的偏差，并消除偏差以獲得預(yù)期的系統(tǒng)性能。

高壓絕緣檢測裝置采用閉環(huán)控制技術(shù)對高壓電壓互感器二次側(cè)的電流進(jìn)行控制，當(dāng)機(jī)車車頂絕緣狀態(tài)下降時(shí)，一次側(cè)電流會增大，同時(shí)，根據(jù)互感器的原理，二次側(cè)電流會隨之增大，二次側(cè)電流的信號采樣后會被輸送到PWM控制器中，通過控制器中的控制算法改變PWM波的占空比，從而降低交流輸出電壓，達(dá)到控制二次側(cè)電流的目的。

3 運(yùn)用案例分析

2014年，某HXD3型機(jī)車承擔(dān)貨運(yùn)牽引任務(wù)。列車于1：56分開車，5：57分到站，停車后司機(jī)斷電、降弓，辦理直供電交接。車輛乘務(wù)員摘除列供重聯(lián)線后，司機(jī)準(zhǔn)備升弓，按程序使用“6A系統(tǒng)車頂高壓絕緣檢測功能”檢測機(jī)車車頂高壓設(shè)備絕緣情況，“6A系統(tǒng)”顯示報(bào)警不通過。機(jī)車升弓前，乘務(wù)員首先確認(rèn)網(wǎng)側(cè)感應(yīng)電壓。確認(rèn)網(wǎng)側(cè)感應(yīng)電壓為零后，使用“6A系統(tǒng)車頂絕緣檢測裝置”進(jìn)行車頂設(shè)備絕緣檢測，檢測結(jié)果顯示車頂絕緣不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，判定機(jī)車車頂高壓設(shè)備絕緣不良。

綜合現(xiàn)場檢查情況，并根據(jù)“6A系統(tǒng)”車頂絕緣檢測故障記錄，分析可能造成本次故障的原因是：該機(jī)車在嚴(yán)重霧霾天氣下長時(shí)間運(yùn)行，影響車頂高壓設(shè)備絕緣性能，導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)感應(yīng)電壓為零，并且乘務(wù)員使用“6A系統(tǒng)”連續(xù)三次車頂絕緣測試，絕緣值均遠(yuǎn)低于系統(tǒng)門限值15kV，絕緣報(bào)警，更進(jìn)一步證明當(dāng)時(shí)機(jī)車車頂高壓設(shè)備絕緣狀態(tài)不良。通過高壓絕緣檢測裝置，有效的避免了機(jī)車盲目升弓可能導(dǎo)致的弓網(wǎng)事故。

4 結(jié)束語

高壓絕緣檢測裝置作為機(jī)車車載安全防護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分，在檢測機(jī)車車頂高壓設(shè)備絕緣狀態(tài)方面起到了重要作用。運(yùn)用機(jī)車每次出庫前進(jìn)行一次絕緣檢測，確認(rèn)裝置及機(jī)車絕緣狀態(tài)，如發(fā)現(xiàn)絕緣檢測裝置報(bào)警，不可盲目升弓，將兩個(gè)受電弓通過高壓隔離開關(guān)分別隔離后單獨(dú)測試絕緣，以此確定并隔離故障受電弓后方可升弓。這樣可以有效的減少弓網(wǎng)事故，保障機(jī)車運(yùn)行安全和鐵路運(yùn)營秩序。

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