李銀軒　吳雙雙　柏文琦

(湖南省計(jì)量檢測(cè)研究院，長(zhǎng)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(duì)地完全隔離。若機(jī)車主、輔回路出現(xiàn)兩點(diǎn)接地，將會(huì)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(cè)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(cè)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(shí)保護(hù)電路才起作用，預(yù)警不及時(shí)，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(hào)注入原理絕緣電阻檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)兩路主回路正、負(fù)母線對(duì)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(shí)自動(dòng)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(cè)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(hào)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(bào)警輸出是在主輔回路產(chǎn)生接地故障后輸出報(bào)警信號(hào)，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(gè)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(shí)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(duì)I/O口數(shù)量、存儲(chǔ)器容量和運(yùn)行速度較高的場(chǎng)合。

2.2　主回路絕緣檢測(cè)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(duì)地電阻的無源采樣。前端高電壓信號(hào)經(jīng)過分壓變?yōu)榈蛪翰蓸有盘?hào)，低電壓信號(hào)經(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(duì)地電阻的實(shí)際值。主回路絕緣檢測(cè)電路如圖2所示。

圖2　主回路絕緣檢測(cè)電路

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

WB1的對(duì)地電阻

(1)

WB2的對(duì)地電阻

(2)

當(dāng)K1、KP斷開時(shí)，設(shè)WB2線對(duì)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(cè)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(cè)電路

輔助回路絕緣檢測(cè)電路采用信號(hào)注入法對(duì)交流220V輸出回路進(jìn)行檢測(cè)，其原理圖如圖3所示，U11為隔離光耦，R14、R15、R16組成測(cè)量分壓網(wǎng)絡(luò)。注入信號(hào)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(hào)，供控制器處理和計(jì)算對(duì)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(cè)量誤差，采用正負(fù)電源交替注入，進(jìn)行正反向兩次測(cè)量，并對(duì)兩次測(cè)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(duì)電壓信號(hào)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(shí)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(cè)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(cè)任務(wù)， 開始對(duì)電壓信號(hào)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(bào)警信號(hào)，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(duì)主回路、輔助回路接地進(jìn)行預(yù)報(bào)警，同時(shí)該裝置對(duì)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(chǎng)前景。

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

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

[3]周堅(jiān).針對(duì)機(jī)客車DC 600V供電系統(tǒng)接地絕緣檢測(cè)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(zhǎng)，郭朝有.船舶集控系統(tǒng)直流電源網(wǎng)絡(luò)絕緣檢測(cè)技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011，19(4)

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