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        動車線纜導(dǎo)通性自動測試系統(tǒng)研究

        2022-06-08 08:00:26牛勝鎖武哲男黃勝坡
        電氣傳動 2022年11期
        關(guān)鍵詞:通性自動測試動車

        牛勝鎖,武哲男,黃勝坡

        (1.華北電力大學(xué)(保定)電氣與電子工程學(xué)院,河北 保定 071000;2.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,山東 青島 266111)

        動車組電氣系統(tǒng)的可靠性對其安全運行具有至關(guān)重要的影響,因此作為電氣系統(tǒng)主體的線纜的可靠性關(guān)系到整個動車組的安全與穩(wěn)定[1]。目前,在國內(nèi)動車組的線纜導(dǎo)通試驗和絕緣試驗過程中,大多采用傳統(tǒng)的的手工檢測方式。手工檢測方法既浪費人力又浪費時間,并且容易出現(xiàn)誤操作與誤判斷,從而導(dǎo)致導(dǎo)通測試的可靠性較差。

        針對傳統(tǒng)人工校線測量方法可靠性低、檢測時間長等方面的不足,文獻(xiàn)[1]給出了一種動車線纜自動測試方法,文獻(xiàn)[2]設(shè)計了一種手持式動車線纜導(dǎo)通性自動測試裝置,但二者均未實現(xiàn)動車線纜系統(tǒng)性的自動測試以及故障點定位。

        目前,常用的電纜故障測距方法主要有阻抗法和行波法兩大類。阻抗法的故障測距準(zhǔn)確度受過渡電阻、系統(tǒng)運行方式等因素影響很大。行波法在測距時存在二次反射波頭不易識別等缺點,使得行波法的應(yīng)用受到了一定的局限。電磁時間反演(electromagnetic time reversal,EMTR)法不僅避免了行波法的波速不穩(wěn)定與反射波頭不易識別的問題,還消除了阻抗法中不同過渡電阻給測距精度帶來的影響[3]。為了更快更準(zhǔn)確地定位故障,文獻(xiàn)[4]在電力系統(tǒng)輸配電線纜上采用時間反演法進(jìn)行故障定位并取得了良好的效果,文獻(xiàn)[5]基于分?jǐn)?shù)階電力電纜模型,實現(xiàn)了常見的電力電纜故障的定位。但目前的研究者采用的環(huán)境都是輸配電線路,均未采用動車線纜進(jìn)行建模,因此文中首次將EMTR與動車線纜結(jié)合實現(xiàn)短路故障點定位。在此基礎(chǔ)上,研制動車線纜導(dǎo)通性自動測試系統(tǒng),可有效提高動車線纜測試工作的效率。

        1 動車線纜導(dǎo)通性自動測試方法原理

        動車組經(jīng)過長時間運行后,其車體內(nèi)部的線纜較易出現(xiàn)故障,常見的故障類型為斷線故障和短路故障。線纜導(dǎo)通性測試和短路測試均依賴于電阻測量,文中采用開爾文四線法測電阻,而故障定位采用的方法是時間反演法。

        1.1 開爾文四線測電阻法基本原理

        由于動車線纜正常的導(dǎo)通電阻非常小,測量線纜自身的電阻又不可忽略,因此為減小測量線纜自身電阻引起的誤差,文中采用開爾文四線連接法對線纜導(dǎo)通電阻進(jìn)行測量。

        圖1為開爾文四線法測試電阻原理圖。

        圖1 開爾文四線法測試電阻原理Fig 1 Principle of Kelvin four wire method for measuring resistance

        圖1中Is為電源所提供的電流,電阻R1,R2,R3,R4分別為4段測量引線的電阻值。R為動車線纜待測電阻。由基爾霍夫電流定律可知:

        由于電壓表自身的阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于待測電阻R的阻值,所以有:

        由式(1)、式(2)可得:

        電壓表兩側(cè)引線電阻R3,R4的阻值非常小,而流過R3,R4的電流也非常小,因此電壓表兩側(cè)引線引起的電壓降可忽略不計[6]。電壓表示數(shù)約等于動車線纜待測電阻R自身的電壓值,可以根據(jù)公式(4)計算出線纜的阻值:

        1.2 動車線纜斷線測試技術(shù)原理

        主機(jī)和從機(jī)分別設(shè)置兩條母線(GM,GM′為匯流母線;DM,DM′為獨立母線),如圖2所示,分壓電阻為 20 Ω,圖中 R1,R2,R3,R4和 R1′,R2′,R3′,R4′分別為主從機(jī)4段測量引線的電阻。在采用圖2所示的線纜斷線測試中,測試主機(jī)與測試從機(jī)同時接地(車體)構(gòu)成回路。采用測量線纜導(dǎo)通阻值的測試方式,逐根對導(dǎo)通電阻進(jìn)行檢測,線纜正常的導(dǎo)通電阻R一般不超過5 Ω,如果檢測出的電阻值大于20 Ω,則系統(tǒng)判定為故障線路。

        圖2 測試接線示意圖Fig.2 Test wiring diagram

        圖2中將主從機(jī)分別安于車廂始末端進(jìn)行線纜測試。Li為動車待測車廂的任意一根線纜?,F(xiàn)以Li號線纜測試為例,詳細(xì)闡述具體檢測流程。

        首先主機(jī)發(fā)Li導(dǎo)通電阻測試指令給從機(jī);從機(jī)收到指令后動作對應(yīng)的繼電器將Li連接到DM′,并將繼電器K2′閉合使得DM′連接到車體,然后返回操作完成指令給主機(jī);主機(jī)收到從機(jī)指令后,動作Ka,進(jìn)行信號測量和電阻計算,完成Li導(dǎo)通電阻的測試。依此類推對其余線路逐根測試導(dǎo)通電阻。

        1.3 動車線纜短路測試技術(shù)原理

        如圖2所示,短路故障檢測時,從機(jī)斷開獨立母線的繼電器,使獨立母線DM′處于懸空狀態(tài),將其余線路均連接到匯流母線,并將K1′閉合。在線纜正常狀態(tài)下,主從機(jī)與動車線纜連接后并不能構(gòu)成回路,主機(jī)端測得的電阻值很大,若測得的電阻值很小,則證明被測線纜與其它線纜或車體之間短路。

        系統(tǒng)檢測故障共分為2步。第一步:短路線纜的檢測;第二步:具體短路狀況的判別。具體流程如圖3所示,其中,i=1,2,…,n,n+1,…N;m為第一步篩選出的故障線纜總數(shù)。假設(shè)第一步篩選出短路故障線纜為 L3,L5,L6,L7,L11;第二步:將經(jīng)第一步篩選出的故障線纜按序選取為L3依次與其他故障線纜 L5,L6,L7,L11進(jìn)行檢測,直至檢測出與L3發(fā)生短路的線纜如L5,系統(tǒng)記錄并保存;重復(fù)上述步驟自故障線纜L6始,將剩余線纜檢測結(jié)束,導(dǎo)通系統(tǒng)短路檢測階段完成。

        圖3 單線纜短路測試流程Fig.3 The procedure of single circuit short circuit test

        1.4 基于時間反演法的動車線纜故障定位方法

        利用前文所敘的方法進(jìn)行故障識別后還需定位故障點,從而為故障排除提供依據(jù),文中將采用電磁時間反演法(EMTR)進(jìn)行線纜故障的精確定位。

        1.4.1 基于時間反演法的線纜故障定位方法

        在系統(tǒng)設(shè)置的觀測點可以看到均勻傳輸線始端電壓U1、電流I1,根據(jù)均勻傳輸線在給定始端邊界條件下的正弦穩(wěn)態(tài)解方程:

        式中:γ為傳播常數(shù);x為始端與故障點間的距離;ZC為傳輸線的特性阻抗,它也是一個與均勻傳輸線的原參數(shù)和電源頻率有關(guān)的參數(shù)。

        假設(shè)故障發(fā)生在與觀測點A1距離為xf的地方,將故障點等效為一個電壓源Uf,如圖4所示。

        圖4 故障點等效電路Fig.4 Fault point equivalent circuit

        根據(jù)式(5)推測到A1端電壓如下式:

        利用雙曲函數(shù),可得:

        式中:ρ為觀測點A1端的反射系數(shù)。

        在時間反演法的使用上,通過快速傅里葉變換將觀測點A1處接收到的信號轉(zhuǎn)換至頻域,取相位共軛后再轉(zhuǎn)換至?xí)r域,最終實現(xiàn)時域信號的時間反轉(zhuǎn)。圖5為反注入等效示意圖。

        圖5 反注入等效示意圖Fig.5 The equivalent diagram of the reverse injection

        式(7)給出了觀測點的故障源電壓頻域表達(dá)式,根據(jù)電磁時間反演法(EMTR),需要將時間反轉(zhuǎn)的故障瞬變電壓U(*ω)注入系統(tǒng),其中,ω為角頻率。

        根據(jù)等效電源定理可得故障瞬變電流:

        聯(lián)立式(7)~式(9),可計算假設(shè)故障點處的對地電流為

        當(dāng)假設(shè)故障點即為真實故障點時,傳感器發(fā)出的信號能量值最大,對比對地電流幅值,最大值所對應(yīng)的假設(shè)故障點便是真實故障點。

        1.4.2 系統(tǒng)建模和仿真驗證

        在Matlab中的Simulink中搭建如圖5所示的模型,根據(jù)動車車廂貫穿電纜的實際長度50 m進(jìn)行建模,設(shè)置短路故障位置為35 m處。

        在觀測點通過實時處理的示波器記錄信號波形,故障引起的瞬變通過示波器測量,其采樣頻率為1 kM采樣/s。通過使用任意波形發(fā)生器將產(chǎn)生的時間反轉(zhuǎn)瞬態(tài)波形注入系統(tǒng)中。電壓波形如圖6所示。

        圖6 時間反演前信號波形Fig.6 Signal waveform before time inversion

        與EMTR一致,圖6中記錄的瞬變在時間上被逆轉(zhuǎn),并被注入回系統(tǒng),圖7為時間反演后的信號波形。假設(shè)故障阻抗為固定值,推測的故障位置沿著線纜移動。對于每個猜測的故障位置,測量流經(jīng)故障電阻的電流,該電流應(yīng)顯示出與故障位置相對應(yīng)的最大值。

        圖7 時間反演后信號波形Fig.7 Signal waveform after time inversion

        圖8為各猜測故障位置的故障電流信號能量值,為方便分析,已經(jīng)對猜測的故障位置中的故障電流的最大信號能量實現(xiàn)了歸一化??梢杂^察到,正確的故障位置被唯一且清楚地識別。由圖8可知,在假設(shè)故障點為x′f=34.83m處時,對地電流能量值達(dá)到最大。時間反演法測量故障誤差率為0.34%。

        圖8 各假設(shè)故障點電流能量標(biāo)幺值Fig.8 The scale value of assumed fault point current energy

        2 導(dǎo)通性自動測試系統(tǒng)設(shè)計

        2.1 導(dǎo)通性自動測試系統(tǒng)總體設(shè)計

        動車線纜根據(jù)位置分為兩類,如圖9所示,一類為車鉤間貫穿線纜,分別位于動車首末兩端,位置固定,可采用固定式測試方式;第二類為車鉤和車上分散線纜,位置分散,若采用固定式測量方式需連接復(fù)雜的轉(zhuǎn)接線纜,因此選用便攜式分離測試從機(jī)。因此,為了適應(yīng)上述動車線纜測試的需要,測試從機(jī)設(shè)計為兩種:一種裝設(shè)于和主機(jī)相對的另一端車鉤,用于測試車廂兩端車鉤之間線纜的導(dǎo)通情況,該種測試從機(jī)最大測點為250點、體積相對較大,稱為“固定式檢測儀”,見圖9右上部分;另一種測試從機(jī)為“手持式檢測儀”,見圖9右下部分,可引導(dǎo)測試人員測量車體其余接頭處線纜的導(dǎo)通情況,該種從機(jī)體積相對較小,最大可測50點。此種分離式測試方式更符合現(xiàn)場需求,使用人員應(yīng)用更為方便。

        圖9 測試系統(tǒng)硬件組成Fig.9 Test system hardware composition

        2.2 導(dǎo)通性自動測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

        2.2.1 固定式檢測儀硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

        固定式檢測儀硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖10所示,工控機(jī)通過USB串口與繼電器驅(qū)動板相連,控制繼電器對線纜進(jìn)行切換,通過USB串口讀取AD的電壓和電流采樣數(shù)據(jù),判斷線纜的導(dǎo)通、開路和短路狀態(tài)。

        圖10 固定式檢測儀硬件構(gòu)成示意圖Fig.10 Hardware structure diagram of the fixed detector

        繼電器組是測試回路的核心,導(dǎo)通性自動測試系統(tǒng)采用了歐姆龍5V-1型微型繼電器。手持式檢測儀可以一次性完成最多50根零散線纜的測試工作。固定式測試儀主要用于車鉤的貫通線纜測量,設(shè)計采用250個繼電器組,可一次性完成車鉤貫通線纜的電阻及故障測試工作。

        2.2.2 手持式檢測儀硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

        手持式檢測儀硬件構(gòu)成如圖11所示,由STM32單片機(jī)、存儲器、觸摸液晶顯示器、繼電器陣列及ESP8266 WIFI通訊模塊工程組成。手持式檢測儀通過無線或有線通訊方式與測試主機(jī)交換測試命令與應(yīng)答信息,控制繼電器使被測線接于相應(yīng)的母線上,由測試主機(jī)完成測量和數(shù)據(jù)采集與存儲工作,最后將測量結(jié)果發(fā)給現(xiàn)場校線人員。

        圖11 手持式檢測儀硬件構(gòu)成框圖Fig.11 Hardware block diagram of handheld detector

        2.3 導(dǎo)通性自動測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

        導(dǎo)通性自動測試系統(tǒng)采用Delphi軟件進(jìn)行開發(fā),并由SQLite數(shù)據(jù)庫完成線纜數(shù)用戶登錄、測試主從機(jī)線纜數(shù)據(jù)檢測、結(jié)果打印上傳、登錄賬號管理等操作,界面如圖12所示。

        圖12 登錄界面Fig.12 Login screen

        動車線纜數(shù)據(jù)信息管理分為系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊、線束信息管理模塊、線束導(dǎo)通測試模塊、系統(tǒng)自檢和修正模塊4部分,其作用如下:

        1)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊:在系統(tǒng)執(zhí)行測試工作前,應(yīng)對各個模塊的物理地址進(jìn)行統(tǒng)一配置,保證各模塊物理地址唯一。

        2)線束信息管理模塊:線纜導(dǎo)通測試前,工作人員將線束信息的Excel文件導(dǎo)入應(yīng)用程序,應(yīng)用程序依據(jù)電纜種類將線束信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的邏輯地址,并生成地址分配文件和測試流程文件,將該信息通過通訊方式下發(fā)到相應(yīng)的檢測終端,進(jìn)行測試工作。

        3)線束導(dǎo)通測試模塊:該模塊用于控制各個檢測終端完成線束的導(dǎo)通測試工作。

        4)系統(tǒng)自檢和修正模塊:在對線束進(jìn)行測試之前,需進(jìn)行測試設(shè)備自檢,其自檢包括:a.對電壓源輸出電壓進(jìn)行檢測;b.對電流測試單元準(zhǔn)確度檢測;c.各切換開關(guān)電阻的修正。

        為了便于測試項目的管理與備份,軟件設(shè)計采用工程式管理方式,將當(dāng)前測試信息和測試結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫。同時,軟件程序還具有查詢,修改和刪除功能,便于使用人員對測量記錄進(jìn)行管理。

        3 實驗室及現(xiàn)場測試驗證

        3.1 實驗室測試

        測試設(shè)備的各項性能包括:導(dǎo)通電阻、斷線、短路。用測試主機(jī)與手持式檢測儀對5根測試線進(jìn)行導(dǎo)通測試,其中一根正常,一根接56 Ω測試電阻,一根斷線,兩根短路。測試實驗圖如圖13所示,分別模擬了線纜開路、線纜間短路及線纜電阻三種。

        圖13 線纜測試實驗示意圖Fig.13 Schematic diagram of cable test experiment

        部分測試結(jié)果見表1。從本次實驗結(jié)果可以看出,第24根電阻值是0 Ω,為正常導(dǎo)線;第25根電阻值是9 999 Ω,說明發(fā)生了斷線;第27根電阻值是57,為串電阻的導(dǎo)線;第26和28根發(fā)生了線間短路。在導(dǎo)線正常、斷線、短路和有一定電阻情況下,設(shè)備均給出了正確的測試結(jié)果,由此驗證了設(shè)備功能的完備性和準(zhǔn)確性。

        表1 實驗室測試結(jié)果Tab.1 Laboratory test results

        3.2 現(xiàn)場測試

        采用開發(fā)的“動車線纜導(dǎo)通性自動測試系統(tǒng)”進(jìn)行了現(xiàn)場測試,如圖14所示。

        在動車首末兩端采用固定式檢測儀(見圖14右圖)對車鉤間貫穿線纜進(jìn)行檢測。而車鉤和車上分散線纜,由于其位置相對不固定,若采用固定式檢測儀檢測,測試時布線復(fù)雜,檢測過程繁瑣,因此采用手持式檢測儀(見圖14左圖)將更加高效。根據(jù)圖15顯示的實測結(jié)果與現(xiàn)場手工校線具有相同的結(jié)果,驗證了所開發(fā)的“動車線纜導(dǎo)通性自動測試系統(tǒng)”的正確性與裝置的可靠性。

        圖14 現(xiàn)場測試儀器圖Fig.14 Photos of field test instrument

        圖15 現(xiàn)場測試結(jié)果Fig.15 Results of field tests

        4 結(jié)論

        文中介紹了動車線纜導(dǎo)通性測試的基本原理,包括斷線、短路故障類型的識別以及故障點的定位。在此基礎(chǔ)上研制了動車線纜導(dǎo)通性自動測試系統(tǒng),并進(jìn)行了現(xiàn)場測試。

        現(xiàn)場試驗結(jié)果證實,導(dǎo)通性自動測試方法具有速度快、準(zhǔn)確性高、操作方便的特點,保證了工作人員快速、準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)并排除故障,對動車運行的安全性至關(guān)重要。

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