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(dòng)車組電氣系統(tǒng)的可靠性對(duì)其安全運(yùn)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(gè)動(dòng)車組的安全與穩(wěn)定[1]。目前,在國(guó)內(nèi)動(dòng)車組的線纜導(dǎo)通試驗(yàn)和絕緣試驗(yàn)過(guò)程中,大多采用傳統(tǒng)的的手工檢測(cè)方式。手工檢測(cè)方法既浪費(fèi)人力又浪費(fèi)時(shí)間,并且容易出現(xiàn)誤操作與誤判斷,從而導(dǎo)致導(dǎo)通測(cè)試的可靠性較差。
針對(duì)傳統(tǒng)人工校線測(cè)量方法可靠性低、檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)等方面的不足,文獻(xiàn)[1]給出了一種動(dòng)車線纜自動(dòng)測(cè)試方法,文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了一種手持式動(dòng)車線纜導(dǎo)通性自動(dòng)測(cè)試裝置,但二者均未實(shí)現(xiàn)動(dòng)車線纜系統(tǒng)性的自動(dòng)測(cè)試以及故障點(diǎn)定位。
目前,常用的電纜故障測(cè)距方法主要有阻抗法和行波法兩大類。阻抗法的故障測(cè)距準(zhǔn)確度受過(guò)渡電阻、系統(tǒng)運(yùn)行方式等因素影響很大。行波法在測(cè)距時(shí)存在二次反射波頭不易識(shí)別等缺點(diǎn),使得行波法的應(yīng)用受到了一定的局限。電磁時(shí)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(shí)別的問(wèn)題,還消除了阻抗法中不同過(guò)渡電阻給測(cè)距精度帶來(lái)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(shí)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(shí)現(xiàn)了常見(jiàn)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(dòng)車線纜進(jìn)行建模,因此文中首次將EMTR與動(dòng)車線纜結(jié)合實(shí)現(xiàn)短路故障點(diǎn)定位。在此基礎(chǔ)上,研制動(dòng)車線纜導(dǎo)通性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng),可有效提高動(dòng)車線纜測(cè)試工作的效率。
動(dòng)車組經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后,其車體內(nèi)部的線纜較易出現(xiàn)故障,常見(jiàn)的故障類型為斷線故障和短路故障。線纜導(dǎo)通性測(cè)試和短路測(cè)試均依賴于電阻測(cè)量,文中采用開(kāi)爾文四線法測(cè)電阻,而故障定位采用的方法是時(shí)間反演法。
由于動(dòng)車線纜正常的導(dǎo)通電阻非常小,測(cè)量線纜自身的電阻又不可忽略,因此為減小測(cè)量線纜自身電阻引起的誤差,文中采用開(kāi)爾文四線連接法對(duì)線纜導(dǎo)通電阻進(jìn)行測(cè)量。
圖1為開(kāi)爾文四線法測(cè)試電阻原理圖。
圖1 開(kāi)爾文四線法測(cè)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(cè)量引線的電阻值。R為動(dòng)車線纜待測(cè)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(cè)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(guò)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(jì)[6]。電壓表示數(shù)約等于動(dòng)車線纜待測(cè)電阻R自身的電壓值,可以根據(jù)公式(4)計(jì)算出線纜的阻值:
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(dú)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(cè)量引線的電阻。在采用圖2所示的線纜斷線測(cè)試中,測(cè)試主機(jī)與測(cè)試從機(jī)同時(shí)接地(車體)構(gòu)成回路。采用測(cè)量線纜導(dǎo)通阻值的測(cè)試方式,逐根對(duì)導(dǎo)通電阻進(jìn)行檢測(cè),線纜正常的導(dǎo)通電阻R一般不超過(guò)5 Ω,如果檢測(cè)出的電阻值大于20 Ω,則系統(tǒng)判定為故障線路。
圖2 測(cè)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(cè)試。Li為動(dòng)車待測(cè)車廂的任意一根線纜。現(xiàn)以Li號(hào)線纜測(cè)試為例,詳細(xì)闡述具體檢測(cè)流程。
首先主機(jī)發(fā)Li導(dǎo)通電阻測(cè)試指令給從機(jī);從機(jī)收到指令后動(dòng)作對(duì)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(dòng)作Ka,進(jìn)行信號(hào)測(cè)量和電阻計(jì)算,完成Li導(dǎo)通電阻的測(cè)試。依此類推對(duì)其余線路逐根測(cè)試導(dǎo)通電阻。
如圖2所示,短路故障檢測(cè)時(shí),從機(jī)斷開(kāi)獨(dú)立母線的繼電器,使獨(dú)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(dòng)車線纜連接后并不能構(gòu)成回路,主機(jī)端測(cè)得的電阻值很大,若測(cè)得的電阻值很小,則證明被測(cè)線纜與其它線纜或車體之間短路。
系統(tǒng)檢測(cè)故障共分為2步。第一步:短路線纜的檢測(cè);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L(zhǎng)3依次與其他故障線纜 L5,L6,L7,L11進(jìn)行檢測(cè),直至檢測(cè)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(cè)結(jié)束,導(dǎo)通系統(tǒng)短路檢測(cè)階段完成。
圖3 單線纜短路測(cè)試流程Fig.3 The procedure of single circuit short circuit test
利用前文所敘的方法進(jìn)行故障識(shí)別后還需定位故障點(diǎn),從而為故障排除提供依據(jù),文中將采用電磁時(shí)間反演法(EMTR)進(jìn)行線纜故障的精確定位。
1.4.1 基于時(shí)間反演法的線纜故障定位方法
在系統(tǒng)設(shè)置的觀測(cè)點(diǎn)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(diǎn)間的距離;ZC為傳輸線的特性阻抗,它也是一個(gè)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(cè)點(diǎn)A1距離為xf的地方,將故障點(diǎn)等效為一個(gè)電壓源Uf,如圖4所示。
圖4 故障點(diǎn)等效電路Fig.4 Fault point equivalent circuit
根據(jù)式(5)推測(cè)到A1端電壓如下式:
利用雙曲函數(shù),可得:
式中:ρ為觀測(cè)點(diǎn)A1端的反射系數(shù)。
在時(shí)間反演法的使用上,通過(guò)快速傅里葉變換將觀測(cè)點(diǎn)A1處接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換至頻域,取相位共軛后再轉(zhuǎn)換至?xí)r域,最終實(shí)現(xiàn)時(shí)域信號(hào)的時(shí)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(cè)點(diǎn)的故障源電壓頻域表達(dá)式,根據(jù)電磁時(shí)間反演法(EMTR),需要將時(shí)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(jì)算假設(shè)故障點(diǎn)處的對(duì)地電流為
當(dāng)假設(shè)故障點(diǎn)即為真實(shí)故障點(diǎn)時(shí),傳感器發(fā)出的信號(hào)能量值最大,對(duì)比對(duì)地電流幅值,最大值所對(duì)應(yīng)的假設(shè)故障點(diǎn)便是真實(shí)故障點(diǎn)。
1.4.2 系統(tǒng)建模和仿真驗(yàn)證
在Matlab中的Simulink中搭建如圖5所示的模型,根據(jù)動(dòng)車車廂貫穿電纜的實(shí)際長(zhǎng)度50 m進(jìn)行建模,設(shè)置短路故障位置為35 m處。
在觀測(cè)點(diǎn)通過(guò)實(shí)時(shí)處理的示波器記錄信號(hào)波形,故障引起的瞬變通過(guò)示波器測(cè)量,其采樣頻率為1 kM采樣/s。通過(guò)使用任意波形發(fā)生器將產(chǎn)生的時(shí)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(shí)間反演前信號(hào)波形Fig.6 Signal waveform before time inversion
與EMTR一致,圖6中記錄的瞬變?cè)跁r(shí)間上被逆轉(zhuǎn),并被注入回系統(tǒng),圖7為時(shí)間反演后的信號(hào)波形。假設(shè)故障阻抗為固定值,推測(cè)的故障位置沿著線纜移動(dòng)。對(duì)于每個(gè)猜測(cè)的故障位置,測(cè)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(duì)應(yīng)的最大值。
圖7 時(shí)間反演后信號(hào)波形Fig.7 Signal waveform after time inversion
圖8為各猜測(cè)故障位置的故障電流信號(hào)能量值,為方便分析,已經(jīng)對(duì)猜測(cè)的故障位置中的故障電流的最大信號(hào)能量實(shí)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(shí)別。由圖8可知,在假設(shè)故障點(diǎn)為x′f=34.83m處時(shí),對(duì)地電流能量值達(dá)到最大。時(shí)間反演法測(cè)量故障誤差率為0.34%。
圖8 各假設(shè)故障點(diǎn)電流能量標(biāo)幺值Fig.8 The scale value of assumed fault point current energy
動(dòng)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(dòng)車首末兩端,位置固定,可采用固定式測(cè)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(cè)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(cè)試從機(jī)。因此,為了適應(yīng)上述動(dòng)車線纜測(cè)試的需要,測(cè)試從機(jī)設(shè)計(jì)為兩種:一種裝設(shè)于和主機(jī)相對(duì)的另一端車鉤,用于測(cè)試車廂兩端車鉤之間線纜的導(dǎo)通情況,該種測(cè)試從機(jī)最大測(cè)點(diǎn)為250點(diǎn)、體積相對(duì)較大,稱為“固定式檢測(cè)儀”,見(jiàn)圖9右上部分;另一種測(cè)試從機(jī)為“手持式檢測(cè)儀”,見(jiàn)圖9右下部分,可引導(dǎo)測(cè)試人員測(cè)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(duì)較小,最大可測(cè)50點(diǎn)。此種分離式測(cè)試方式更符合現(xiàn)場(chǎng)需求,使用人員應(yīng)用更為方便。
圖9 測(cè)試系統(tǒng)硬件組成Fig.9 Test system hardware composition
2.2.1 固定式檢測(cè)儀硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
固定式檢測(cè)儀硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖10所示,工控機(jī)通過(guò)USB串口與繼電器驅(qū)動(dòng)板相連,控制繼電器對(duì)線纜進(jìn)行切換,通過(guò)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(kāi)路和短路狀態(tài)。
圖10 固定式檢測(cè)儀硬件構(gòu)成示意圖Fig.10 Hardware structure diagram of the fixed detector
繼電器組是測(cè)試回路的核心,導(dǎo)通性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)采用了歐姆龍5V-1型微型繼電器。手持式檢測(cè)儀可以一次性完成最多50根零散線纜的測(cè)試工作。固定式測(cè)試儀主要用于車鉤的貫通線纜測(cè)量,設(shè)計(jì)采用250個(gè)繼電器組,可一次性完成車鉤貫通線纜的電阻及故障測(cè)試工作。
2.2.2 手持式檢測(cè)儀硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
手持式檢測(cè)儀硬件構(gòu)成如圖11所示,由STM32單片機(jī)、存儲(chǔ)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(cè)儀通過(guò)無(wú)線或有線通訊方式與測(cè)試主機(jī)交換測(cè)試命令與應(yīng)答信息,控制繼電器使被測(cè)線接于相應(yīng)的母線上,由測(cè)試主機(jī)完成測(cè)量和數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)工作,最后將測(cè)量結(jié)果發(fā)給現(xiàn)場(chǎng)校線人員。
圖11 手持式檢測(cè)儀硬件構(gòu)成框圖Fig.11 Hardware block diagram of handheld detector
導(dǎo)通性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)采用Delphi軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā),并由SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)完成線纜數(shù)用戶登錄、測(cè)試主從機(jī)線纜數(shù)據(jù)檢測(cè)、結(jié)果打印上傳、登錄賬號(hào)管理等操作,界面如圖12所示。
圖12 登錄界面Fig.12 Login screen
動(dòng)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(cè)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(cè)試工作前,應(yīng)對(duì)各個(gè)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(cè)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(cè)試流程文件,將該信息通過(guò)通訊方式下發(fā)到相應(yīng)的檢測(cè)終端,進(jìn)行測(cè)試工作。
3)線束導(dǎo)通測(cè)試模塊:該模塊用于控制各個(gè)檢測(cè)終端完成線束的導(dǎo)通測(cè)試工作。
4)系統(tǒng)自檢和修正模塊:在對(duì)線束進(jìn)行測(cè)試之前,需進(jìn)行測(cè)試設(shè)備自檢,其自檢包括:a.對(duì)電壓源輸出電壓進(jìn)行檢測(cè);b.對(duì)電流測(cè)試單元準(zhǔn)確度檢測(cè);c.各切換開(kāi)關(guān)電阻的修正。
為了便于測(cè)試項(xiàng)目的管理與備份,軟件設(shè)計(jì)采用工程式管理方式,將當(dāng)前測(cè)試信息和測(cè)試結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí),軟件程序還具有查詢,修改和刪除功能,便于使用人員對(duì)測(cè)量記錄進(jìn)行管理。
測(cè)試設(shè)備的各項(xiàng)性能包括:導(dǎo)通電阻、斷線、短路。用測(cè)試主機(jī)與手持式檢測(cè)儀對(duì)5根測(cè)試線進(jìn)行導(dǎo)通測(cè)試,其中一根正常,一根接56 Ω測(cè)試電阻,一根斷線,兩根短路。測(cè)試實(shí)驗(yàn)圖如圖13所示,分別模擬了線纜開(kāi)路、線纜間短路及線纜電阻三種。
圖13 線纜測(cè)試實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.13 Schematic diagram of cable test experiment
部分測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。從本次實(shí)驗(yàn)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(shuō)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(cè)試結(jié)果,由此驗(yàn)證了設(shè)備功能的完備性和準(zhǔn)確性。
表1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果Tab.1 Laboratory test results
采用開(kāi)發(fā)的“動(dòng)車線纜導(dǎo)通性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)”進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,如圖14所示。
在動(dòng)車首末兩端采用固定式檢測(cè)儀(見(jiàn)圖14右圖)對(duì)車鉤間貫穿線纜進(jìn)行檢測(cè)。而車鉤和車上分散線纜,由于其位置相對(duì)不固定,若采用固定式檢測(cè)儀檢測(cè),測(cè)試時(shí)布線復(fù)雜,檢測(cè)過(guò)程繁瑣,因此采用手持式檢測(cè)儀(見(jiàn)圖14左圖)將更加高效。根據(jù)圖15顯示的實(shí)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)手工校線具有相同的結(jié)果,驗(yàn)證了所開(kāi)發(fā)的“動(dòng)車線纜導(dǎo)通性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)”的正確性與裝置的可靠性。
圖14 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀器圖Fig.14 Photos of field test instrument
圖15 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果Fig.15 Results of field tests
文中介紹了動(dòng)車線纜導(dǎo)通性測(cè)試的基本原理,包括斷線、短路故障類型的識(shí)別以及故障點(diǎn)的定位。在此基礎(chǔ)上研制了動(dòng)車線纜導(dǎo)通性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng),并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。
現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果證實(shí),導(dǎo)通性自動(dòng)測(cè)試方法具有速度快、準(zhǔn)確性高、操作方便的特點(diǎn),保證了工作人員快速、準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)并排除故障,對(duì)動(dòng)車運(yùn)行的安全性至關(guān)重要。