（电力电子与电力传动专业论文）机车电气回路接地故障诊断系统的研制.pdf

中文摘要 随着我国铁路机车运行速度的进一步提高和高速列车的发展，尤其是全国铁路六次 大提速的实施，要求机车的各电气回路能更加安全可靠的运行。当机车电气回路发生的 接地故障多于两点时，会使机车电路无法正常工作甚至烧毁，影响机车的正常运行，因 此必须在机车各电气回路上安装灵敏可靠的接地检测装置。 本论文对机车现有的接地检测方法进行了研究和拓展，使该装置可适用于机车的各 个电气回路，实时检测各电气回路是否发生接地故障。该装置克服了原有接地继电器存 在的安全隐患和可靠性差、检修工作量大等缺点，并通过采用不同的检测方式使主电路、 辅助电路和控制电路实现了电气隔离，减小了控制电路受到的电磁干扰，提高了机车的 电气化水平，降低了工人劳动强度和铁路运营成本。 本论文从机车运用实际出发，在洋细研究了机车各个电气回路特点和工作方式的基 础上，根据不同的电气回路建立了仿真模型。对不同位置可能发卜的接地故障，进行了 理论分析并且在所建立的模型上仿真出各种接地故障波形，从而总结出相应的故障诊断 算法，并将推导出的检测方案与原检测方案进行了对比，解决了原检测方案的检测死区 问题。 该接地检测装置采用了西门子公司的2 0 0 系列p l c 作为下位机的核心控制器件，在 论文中介绍了该装置的检测方法和工作原理，并给出了系统主要的软硬件设计和整体结 构设计。研制出的样品通过了定型试验，并在不同机车上进行了现场试验，运行情况平 稳可靠，达到了预想的要求。 关键词：接地检测装置；机车；电气回路；现场试验；p l c a b s t r a c t w i t ht h ef u r t h e ri n c r e a s e ds p e e do fe l e c t r i cl o c o m o t i v ea n dd e v e l o p m e n t o fh i g h s p e e dt r a i n ，p a r t i c u l a r l yt h es i xt i m e ss p e e d u po fc h i n e s er a i l w a y ，i t r e q u i r e st h a te a c h e l e c t r i cc i r c u i to fe l e c t r i cl o c o m o t i v eo p e r a t e s a f e l ya n d r e l i a b l y w h e nm o r et h a nt w og r o u n d i n gf a u l t so c c u ri nae l e c t r i c a lc i r c u i to f l o c o m o t i v e ，t h el o c o m o t i v ew i l l o p e r a t ea b n o r m a l l y a n de v e nb u mo u t t h e r e f o r e ，r e l i a b l eg r o u n d i n gf a u l td e t e c t i o nd e v i c em u s tb ei n s t a l l e di ne v e r y e l e c t r i cc i r c u i to fl o c o m o t i v e t h i st h e s i si sb a s e do nt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f p r i m a r yg r o u n d i n g f a u l td e t e c t i o nd e v i c e i tc a nb ea p p l i e dt oe v e r ye l e c t r i c a lc i r c u i to fl o c o m o t i v e ， a n dd e t e c t st h eg r o u n d i n gf a u l to fe a c he l e c t r i cc i r c u i tr e a lt i m e t h i sd e v i c e d o e s n th a v et h ed i s a d v a n t a g e ss u c ha sb a dr e l i a b i l i t y ，h e a v yl o a do nr e p a i r m a n w h i c ht h eg r o u n d i n gr e l a yu s e dt oh a v e i ta d o p t st h em e t h o do fp a s s i v e d e t e c t i o n ，a n dr e a l i z e st h ee l e c t r i c a li s o l a t i o na m o n gm a i nc i r c u i t ，a u x i l i a r y c i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i tt h u sr e d u c e se m lw h i c ht h ec o n t r o lc i r c u i ts u f f e r sa n d i m p r o v e se l e c t r i cl e v e lo f e l e c t r i cl o c o m o t i v ea n dr e d u c ew o r k e r sl o a da n dt h e r a i l w a yr u n n i n gc o s t t h i st h e s i si sb a s e do nt h ef a c t so fl o c o m o t i v e ，a n di n t r o d u c e st h e c h a r a c t e r i s t i c sa n dw o r k i n gm o d eo fe v e r ye l e c t r i c a lc i r c u i t i ta l s oi n t r o d u c e s t h ep r i m a r yd e t e c t i o nm e t h o db r i e f l y a c c o r d i n gt od i f f e r e n tc i r c u i t s ，t h i st h e s i s e s t a b l i s h e ds i m u l a t i o nm o d e lf o rt h e o r e t i c a la n a l y s i s i tc a ns i m u l a t ed if f e r e n t g r o u n d i n g f a u l tw a v e sa n dc o n c l u d et h e c o r r e s p o n d i n gg r o u n d i n g f a u l t j u d g m e n ta l g o r i t h m s t h e nt h en e wd i c t i o nm e t h o di sc o m p a r e dt ot h ep r i m a r y o n e ，i ts o l v e st h eb l i n ds p o to ft h ep r i m a r yo n e t h ep r o b l e md u r i n ga p p l y i n gi s a n a l y z e da n ds o l v e d t h i sg r o u n d i n gf a u l td e t e c t i o nd e v i c ei sb a s e do ns i e m e n s2 0 0 p l c ，t h e d e t e c t i o nm e t h o da n do p e r a t i o nt h e o r yi si n t r o d u c e di nt h e s i s ；i ta l s oi n t r o d u c e s t h em a i ns o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g na n dw h o l es t r u c t u r ed e s i g ni nd e t a i l s t h es a m p l e sh a v ea l r e a d yp a s s e dt h et y p et e s ta n di n d u s t r i a l i z a t i o nh a sb e e n r e a li z e do nd i f f e r e n tl o c o m o t i v e s t h er u n n i n gr e s u l ts h o w si tc a nb ep u ti n t o u s es a f e l ya n dr e l i a b l e ，a c h i e v e dt h ee x p e c t e dr e s u l t s k e yw o r d s ：g r o u n d i n gf a u l td e t e c t i o nd e v i c e ；l o c o m o t i v e ；e l e c t r i c a lc i r c u i t ； f i e l dt e s t ；p l c i v 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 故障诊断技术简介2 1 3 现有接地检测技术介绍3 1 4 本文的主要内容5 第二章机车各电气回路接地故障诊断方案的提出7 2 1 机车各电气回路介绍7 2 1 1 控制电路7 2 1 2 辅助回路7 2 1 3 主电路8 2 2 其它工业领域的接地检测方法9 2 3 各回路接地故障诊断方法的提出1 0 2 3 1 控制电路接地故障诊断方法1 0 2 3 2 辅助电路接地故障诊断方法1 0 2 3 3 主电路接地故障诊断方法1 2 2 4 机车电气回路接地故障诊断系统的组成1 2 第三章各回路接地故障诊断方法的实现1 5 3 1 辅助电路劈相机1 5 3 1 1 建模仿真分析1 5 3 1 2 接地故障诊断算法1 9 3 1 3 与原接地检测装置的比较2 0 3 1 4 实际情况分析2 1 3 2 辅助电路逆变器2 1 3 2 1 建模仿真分析2 1 3 2 2 与原接地检测装置的比较2 2 3 3 主电路接地故障分析2 3 3 3 1 主电路建模仿真2 3 3 3 2 主电路接地故障渗断分析方法3 l 3 3 3 机车运行状态下主电路发生接地故障的快速诊断分析4 2 3 3 4 与原接地检测装置的比较4 5 v 第四章接地故障诊断专家系统知识库的建立4 7 4 1 专家系统简介4 7 4 2 机车电气回路接地故障诊断专家系统部分内容介绍4 8 4 2 1 故障树模型4 8 4 2 2 故障搜寻4 8 4 2 3 推理机的建立4 8 4 3 本章内容总结4 9 第五章硬件系统的介绍5 1 5 1 数据采集单元5 1 5 1 1 造成模拟信号失真的原因及解决方法5 l 5 1 2 信号隔离器原理5 2 5 2 人机交互界面( hmi )5 3 5 2 1 人机界面与p l c 的通信5 3 5 2 2 人机界面的组态5 4 5 3 主控器5 5 5 3 1 主控器程序介绍5 5 5 3 2 主控器电气连接介绍6 0 第六章总结与展望6 1 6 1 本文的主要结论6 1 6 2 今后工作展望6 1 参考文献6 3 致谢6 7 攻读学位期间发表的论文6 9 v i 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 引言 高压电气设备的基本结构一般由三部分组成：导电部分，绝缘部分，金属或会属制 成的支撑及外壳部分。在化学腐蚀的、电的、机械的、热的作用下，三者比较而言，绝 缘部分是最薄弱环节，最容易被损坏或劣化。所以高压电气设备在运行中会发生老化， 表现形式是电气绝缘强度逐渐降低，后果是将导致整个系统不能够正常运行，甚至严重 损坏。电气设备绝缘强度减低受多种因素的影响，是一种随机过程。为了掌握运行中的 高压电气设备的绝缘状态，需要对电气设备进行绝缘在线监测。 美国、前苏联、加拿大、日本等国家早在2 0 世纪的6 0 年代就开始研究高压电气设 备的绝缘在线监测技术。国内于2 0 世纪8 0 年代初相继开展了这项新技术的基础研究和 应用开发。 同时中国铁路迄今已有1 0 0 多年的历史：从其第一条营业铁路上海吴淞铁路( 又名 淞沪铁路) 1 8 7 6 年通车之时算起，已经是1 3 4 年了；从中国自办的第一条铁路唐青铁路 1 8 8 1 年通车之时算起，也有1 2 9 年了。在这百余年间，中国铁路事业经历了由小到大、 由少到多和由弱变强的渐进过程，特别2 0 世纪7 0 年代木开始，中国铁路进入改革丌放 新时期，铁路事业突飞猛进。绝缘在线监测技术在电器化铁道中也同样具有着广阔的应 用前景，而且必将为铁道运输事业做出巨大的贡献。1 1 机车的供电电路主要由三部分组成：主电路、辅助电路和控制电路。其中，主电路 是核心部分，它决定了机车的主要性能；辅助电路是保证整个机车正常运行的必备环节； 控制电路实现了对主、辅电路的控制。要保证机车可靠运行，就要以保证机车各供电电 路的j 下常工作为前提，所以这样就需要各个电路都有安全可靠的独立保护电路。常见的 保护电路有：过电压、过电流、接地保护等，其中接地保护电路在保障机车安全运行中 占有非常重要的地位。 机车电路由于电气设备或导电线的绝缘损坏将会造成接地故障。导电体直接与车体 钢结构接触或绝缘性能不能再恢复，视为“死接地”；导电体通过空气对地l 、人j 络放电或 通过绝缘物表面对地闪络放电，视为“活接地 。如不征常接地故障出现两点以上，将 会导致短路故障而烧损设备或引发其他严蕈事故。以机车的主电路为例来分析电路发生 接地故障造成的影响，当主电路中励磁回路两端两点或多点接地时，则将励磁绕组短接， 从而造成电机l i 转，损坏电机；如果平波电抗器两端两点接地时将会把甲波电抗器短接， 从而使电流脉动增大，进而损坏电机；当短接可控硅被短接，会使丰电路失去控制。对 于机车中其它电广回路，接地故障发生两点或两点以上，均会造成严重故障。所以在一 机车电气同路接地故障诊断系统的研制 点接地时必须首先采用接地保护装置进行保护，并且给出报警提醒工作人员对相应电气 叫路进行检修，避免事故的发生【2 】。 本论文介绍了一种新型的机车电气回路接地检测装置，是在原有机车电气回路接地 检测装置的检测方法基础上进行了扩展和深化而产生的。该装置分别安装于机车主电 路、辅助电路和控制电路，实时地检测上述电路对地的电气绝缘情况。经过现场实验证 明该装置能够完全取代机车现有的接地继电器，进一步提高铁路系统电气化水平，降低 铁路运营成本，为铁道部提出的用“状态修 取代“定期修”发展要求做出一些贡献。 1 2 故障诊断技术简介 故障诊断( f a u l td i a g n o s i s ) 始于机械设备故障诊断，其全名足状念监测与故障诊 断。随着科学技术与生产的高度发展，各学科相互渗透，相互交叉，相互促进，形成了 故障诊断技术这一生命力旺盛的新型学科。这一学科是建立在信息检测技术、信号处理 技术、计算机应用技术、模式识别技术和现代控制理论等多学科的基础上，通过了解和 掌握设备在使用过程中的状态，确定整体或局部是否正常，及时判断故障的存在并能预 报故障发展的趋势，可以及早的发现设备故障及其故障原因，从而避免重大事故的发生。 故障诊断技术之所以日益获得重视与发展，是由于随着科学技术的进步，各种设备 工作强度不断增大，生产效率、自动化程度越来越高，同时设备更加复杂，各部分的关 联愈加密切，往往某处微小的故障就会爆发连锁反应，导致整个设备乃至与设备相关的 环境遭受灾难性的毁灭，这不仅会造成巨大的经济损失，而且会危及到人身安全，后果 极为严重。1 9 8 5 年美国挑战者号航天飞机的坠毁和1 9 8 6 年静苏联切尔诺贝利核电站泄 漏事故都是由于设备故障造成的震惊世界的恶性事故。此外日本有资料指出，采用了故 障诊断技术后，相同的设备每年可以减少维护费用2 0 一5 0 ，故障停机减少7 5 。这些实 事都足以表明发展故障诊断技术的必要性。 现代故障诊断技术主要包括三方面：故障检测、故障隔离和故障辨识。故障检测是 判断系统中是否发生了故障及检测出故障发生的时刻：故障隔离就是在检测出故障后确 定故障的位置和类型；故障辨识是指在分离出故障后确定故障的大小和时变特性。目前 故障诊断的方法主要有三类： 1 基于信号处理的诊断方法 基于信号处理的方法通常是利用信号模型，如相关函数、频谱、小波变换1 3 1 等，直 接分析可测信号，提取诸如方差、幅值、频率等特征值，从而检测出故障。 2 基于解析模型的诊断方法 基于解析模型的方法是在明确了诊断对象数学模型的基础上，按一定的数学方法对 2 第一章绪论 被测信息进行诊断处理，可分为状态估计法和参数估计法1 4 1 。 3 基于知识的诊断方法 近年来，人工智能及计算机技术的飞速发展，为故障诊断技术提供了新的理论基础， 产生了基于知识的诊断方法。基于知识的诊断方法主要有：专家系统方法、模糊方法、 神经网络法、信息融合法等。 1 ) 专家系统方法 专家系统诊断方法是指通过采集被诊断对象的信息，综合运用各种规则，进行一系 列的推理，找到最终故障或最有可能的故障。专家系统其根本目的在于利用专家的领域 知识、经验为故障诊断服务，目f j 在机械设备、化工设备故障诊断等方面已有成功的应 用。 2 ) 模糊故障诊断方法【5 1 模糊诊断是根据模糊集合论征兆空间与故障状态空间的某种映射关系，由征兆来诊 断故障。由于模糊集合论尚未成熟，诸如模糊集合论中元素隶属度的确定和两模糊集合 之间的映射关系规律的确定都还没有统一的方法可循，通常只能凭经验和大量试验来确 定。另外因系统本身不确定的和模糊的信息，以及要对每一个征兆和特征参数确定其上 下限和合适的隶属度函数，而使其应用具有局限性。 3 ) 神经网络故障诊断方法1 6 】 人工神经网络由于其本身信息处理特点，如并行性、自学习、联想记忆功能等，使 其能够出色解决那些传统模式识别方法难以圆满解决的问题，所以故障诊断是人工神经 网络的重要应用领域之一。 1 3 现有接地检测技术介绍 目前主、辅电路采用的接地故障检测装置均为接地继电器，检测方案为电流检测方 案即当发生接地故障时，检测回路通过一定的电流，经过电阻分压，使接地继电器原边 承受的电压大于1 8 v ，接地继电器动作，完成接地检测和保护动作。 下面针对韶山l 型( 下面简称s s l 型) 电力机车主电路的有源接地检测电路进行分 析，其它车型的主电路和辅助电路的情况类似，检测电路如图1 1 所示。接地继电器的 代号为8 8 ，它具有两个线圈，一个为主动作线圈与主电路连接，其绝缘按高压考虑 ( 1 5 0 0 v ) 。另一个线圈为接地信号恢复用辅线圈，短时加直流电压l1 0 v 。除动作线圈外， 其它部分均为低压部分。动作线圈动作电压为1 8 v 5 ，线圈电阻1 2 0 q ，相应动作电 流为1 5 0 m a 5 。 3 机币电气同路接地故障诊断系统的研制 a 2 9 n 图1 1s s l 机车牵引工况接地检测 f i g u r e1 1g r o u n d i n gf a u l td e t e c t i o ni nt r a c t i o no p e r a t i o n 以牵引工况时原接地继电器的工作原理进行分析： 由图1 1 可见，接地继电器8 8 的动作线圈两端与电阻r 并联，然后一侧串联电阻 恐，另一端与机车后备电源蓄电池( 1 1 0 v ) i t 极相连，经蓄电池后接地。图中假定l 点有 接地故障，其接地点g 与蓄电池接地点g 通过车体成为同一等电位点，于是接地继电 器支路寸g 与牵引电机并联，接地电流i i 成为整流输出的很小一部分。加在支路 2 专批之问的电压为牵引电机电压和蓄电池电压之和，即+ 。本电路耿恐 为3 0 0 【2 ，r 为5 0 0，足8 设计值为12 0q ，支路总电阻为3 9 7 2 ，当为7 7 v 时，求 得： 0 7 玑。= _ 二二7 7 = 1 8 8 v 1 8 y 卜1 ” 1 0 7 可见，在最低控制电压下，m 点接地时，接地继电器8 8 仍能动作，故可以认为该 接地保护电路是无“死区 的。 由分析可知，主电路有关点接地后，接地点的对地平均电位为负值或为o ，故与蓄 电池电压巩总是叠加关系，总能保证接地继电器8 8 动作。 这种传统的广泛使用的有源接地检测方式，从系统的角度说，具有以下不足之处： 1 、存在安全隐患 由于接地检n l - i 路的存在，使主电路、辅助电路对控制电路之间通过5 0 0 q 电阻连 接在一起，没有实现三大电路之间的隔离，这样低压电路的安全运行就存在很大的安全 隐患。如果三大电路之间的绝缘降低，则会将高压电路的高电压加在低压电路，严重时 可能造成“放炮”故障，对低压回路造成不可估量的影响。 2 、电磁兼容性差： 由于控制回路1 1 0 v 负极被迫接到机车外壳上，即和电网2 5 k v 共地，导致电网以 4 第一章绪论 及主回路晶闸管导通关断带来的干扰直接窜入控制电路，致使车上其它电控设备在设计 时不得不增加额外的滤波措施来减少干扰，尤其是当机车上电控设备越来越多的情况 下，由于控制回路和主回路共地引起的干扰已经成为电控设备可靠性的瓶颈。 3 、可靠性差 继电器在接地电流大于9 0 m a 才能可靠动作，凶此接地电阻较小，由于主电路电压 变化范围很宽，当系统存在过电压时，很容易造成误动作。而当电压很低时，又很容易 出现误报，同时由于机车运行时震动较大，检测继电器可能发生触点误跳开，造成误报 螫 昌o 4 、维修工作量大 检测接地至少包括了接地继电器、限流电阻、继电器的吸收电路等，电路结构复杂、 体积较大，尤其是继电器带有机械触点，需要定期进行检测，导致维修工作量增加。 7 1 1 4 本文的主要内容 本文主要针对机车电气回路接地故障诊断系统的研制进行了研究和分析，主要是从 以下几个方面着手解决。 1 对机车原有接地检测装置进行分析，总结其优点与不足，在其基础上进行深化 和拓展。 2 对机车各个电气回路进行了详细的分析，在对各电户e 回路的主要结构和所实现 功能充分了解的基础上，结合实际对可能发生的接地故障进行论证，得到接地故障产生 的原因和可能带来的影响。 3 在m a t l a b 的s i m u l i n k 环境下针对不同电气回路建立相应的电路模型，对可能发 生的接地故障分别进行模拟仿真，对仿真结果进行理论分析和数学运算，推导出相应接 地故障的判断方法。同时为了提高故障判断的准确性和系统的智能化程度，尝试引入专 家诊断系统作为控制判断的核心方法。 4 结合机车实际情况，阐述了系统的硬件和软件实现方法。 整篇论文在总体上分为血个部分： 1 介绍了机车电气回路接地故障检测的应用背景和现状，以及本论文的主要内容。 2 对机车各电气i u l 路和不同的接地故障检测方法作了简要介绍。 3 在所建立模型的基础上，深入分析各种接地故障，通过分析运算得出相应的检 测方法。尝试引入专家系统对对故障进行智能判断。 4 从实际出发，对系统实现所遇到的l u j 题和硬件实现的 要部分，以及部分软件 流程进行了详细的介绍。 5 机车电气回路接地故障诊断系统的研制 5 全面回顾了整个系统，总结指出了现存的问题和改进思路。 机车电气回路接地枪测装置在研制的过程中，完全按照铁路现场的设计要求加以完 成的，并实现了实际， 三产和装车试运行。 第二章机车各电气同路接地故障诊断方案的提出 第二章机车各电气回路接地故障诊断方案的提出 2 1 机车各电气回路介绍 机车上各种电气设备按其功能、作用和电压等级，可分为几个独立的电路系统，即 主电路、辅助电路和控制电路，控制电路又可分为有触点控制电路与无触点控制电路。 控制电路通过电磁、电空、电机械方式对机车进行控制。 2 1 1 控制电路 控制电路是由司机主令控制器对机车进行控制，以实现对机车主电路、辅助电路各 电气设备的控制，完成对机车的牵引、制动的操作和控制。其中有触点控制电路包含 l i o v 电源设备，各种主令电器、继电器、接触器；无接点控制电路则包括机车的微机、 l c u 、信号、通信、故障显示等电子设备电路。 控制电路是一个1 i o v 的直流系统，在机车原有的有源接地检测系统中，由于控制 电路l i o v 负极必须接地，所以控制电路没有接地保护电路。控制电路f 极如果发生了 接地故障，只要有一点接地就形成了控制电路短路，可以通过检测短路过流来保护电路； 控制电路负极由于本身就接地，则不存在接地故障状态。而采用接地检测装置则可以把 控制电路悬空，解决控制电路与电网共地问题。 2 1 2 辅助回路 电力机车在运行中许多设备如变压器、牵引电机、制动电机、制动电阻等会发出大 量的热，需要通风机进行冷却，变压器需要装设油泵强迫变压器油循环；机车和列车的制 动、受电弓升弓以及车上各种电动机械需要压缩机提供工作风源等，这些辅助装置需要 三相电动机驱动，机车上的单向电源需要变成三相电源提供给三相电动机。 对于s s 7 c 电力机车的辅助电路，使用劈相机将变压器的辅助绕组供给的单相交流 电变换成辅助电动机需要的三相交流电。多数劈相机是采用鼠笼式异步电动机。如图2 1 所示。劈相机定子上有三相绕组：o u 、o v 、o w 。主变压器的单相电源接在异步劈相 机的o u 和o v 两相绕组上，习惯上称该两相绕组为电动相绕组，o w 相为发电相。在 劈相机定子的三相输出端子上接二三项电负载，其中两相负载氲接与单相电源相连，而另 一相负载则由劈相机的发电相得到供电。所以，劈相机足将巾相交流电源劈成三相，而 本身只输出一相电流的异步电机。 7 机乍电气同路接地故障诊断系统的研制 图2 1 劈相机电路图 f i g u r e2 1p h a s e s p l i t t e rc i r c u i t 在s s 7 e 型电力机车辅助电路中，采用了三相交流3 8 0 v 变频电动机，用逆变装置 供电，采用两组辅助变流器供电，每组辅助变流器含有两套结构相同的变流器装置，分 别由一台整流器、一台逆变器和中间环节组成。主变压器辅助绕组送出的单相交流电 3 3 7 8 v ，输入至辅变流柜内，经整流器整流后，输出稳压范围为6 0 0 v - 6 2 0 v 的直流电压， 再经中间电容，送入逆变器逆变成三相交流电供各辅机使用，如牵引风机电机、制动风 机电机、压缩机、司机室空调等。 为了方便起见，论文中将使用逆变器的辅助电路简称为辅助电路逆变器，将使用劈 相机的辅助电路简称为辅助电路劈相机。【8 】 2 1 3 主电路 主电路主要由高电压、大功率电气部件及附属测量、保护部件组成。主电路中牵引 电机完成电能与机械能之间的相互转换，产生牵引力和制动力。主电路按功能及电压等 级可划分为：n 倾u ( 2 5 k v ) 电路、整流调压电路、牵引电路、电阻制动电路、测量电路和 保护电路几部分，下面仅简要介绍与接地检测系统相关的部分。 ，- z2 冠f 2 if 2 2 a 5 u 1 3 弛 厂_ 一 z z 图2 2 主电路整流调压电路 f i g u r e2 2t h er e c t i f i e ro fm a i nc i r c u i t 8 f 1 3 f z 3 第二章机车各电气回路接地故障诊断方案的提出 对于s s 7 c 电力机车，为实现转向架独立控制方式、每节车采用两套独立的整流调 压电路，分别向相应的转向架供电。主变压器二次线圈侧有a 。一五，a 2 - x 2 ，a 3 - x 3 ，a 4 一x n 四 段牵引绕组，每段空载电压为6 2 0 v ：有吼屯、k 两段励磁绕组，每段空载电压为 1 6 9 v 。q x x 、a 3 一x 3 、a 5 一x 5 为一组，向i 端主整流器u l 、u 2 、u 3 提供交流电源，经 整流并调压后向前半台车的3 台牵引电动机m m ，的电枢及他励绕组供电；而后半 台车的坂肘。电机供电电路同自订半台车完全相同。图2 2 为i 端转向架整流调压的 简化电路，现以前半台车为例，说明整流调压的工作原理。整流调压的顺序是：首先开 l1 放全控桥u 。通过对晶闸管触发角相位的调节控制，使整流输出电压从。升至半( u d r 2 为总整流电压) 。当全控桥满开放后，接着开放与之串联的半控桥u ，通过调节触发角 相位，使u ，与u 。的整流电压相叠加，总的输出电压经过最高限压后，通过电子控制系 统调节u ，桥的输出来补偿网压波动等因素的影响，维持恒压。 他励半控桥u ，向m m ，电机他励绕组提供他励电流，。 原有接地保护继电器存主电路中共有4 套接。其中有两套对电枢电路进行保护，装 置的一端接在整流桥中点，另一端接直流电源1 1 0 v ；另两套对励磁电路进行保护，一 端接励磁桥负线，另一端接直流电源li o v 。此四套接地保护装置中，无论电路中任何 一点接地，都能保护，无死区。接地继电器动作后，使主断路器跳闸，并湿示故障信号。 机车运行中接地故障无法消除和处理时，在确认只有一点接地故障情况下，可以通 过接地装置的故障转换丌关转向故障位运行，即切除了相应接地继电器，通过高阻值接 地电阻形成固定接地点，机车故障运行时因己无接地保护，要求司机必须加强巡视，以 便发现意外情况时人为采取相应的保护措施。1 9 1 2 2 其它工业领域的接地检测方法 除机车上现在通用的有源接地检测装置外，其它领域中也有接地检测装置的应用， 如在电力系统中。为了保证电力系统的安全性和可靠性，在发电厂、变电站，通常采用 蓄电池储能的直流电源作为保护装置，继电器跳闸、合闸等的工作电源。直流电源采用 对地绝缘运行方式，当发生一点接地时，并不引起任何危害，但必须及时处理，否则， 当发生另一点接地时，有可能使继电保护误动、拒动。以至损坏设备，造成大面积停电、 系统瓦解的严重后果。电力系统常用的检测方法是低频信号注入法和直流漏电直测法， 而这两种方法用于电力机车均存在着问题。低频信号注入法用在机车控制电路时情况与 电力系统应用相似，但注入的交流低频信号会影响控制电路上的机车电器的j i ：作，对机 车运行存在影响；而由于机车上直流母线基本都是高电压大电流的情况，所以采用直流 9 机下电气同路接地故障诊断系统的研制 漏电直测法就存在着检测不准确、可靠性差等问题。而且这两种方法，在机车上需要安 装许多的检测点。总是所诉这两种检测方法都不适用于在机车上使用。0 0 1 2 3 各回路接地故障诊断方法的提出 2 3 1 控制电路接地故障诊断方法 如上一章所述，控制电路是一个11 0 v 的直流系统，上面挂有各种机车电器，如主 令电器、继电器、接触器、机车微机、l c u 、信号、通信、故障显示等电子设备。在原 有的有源接地检测装置的机车系统中，控制电路的1 1 0 v 负极是人为接地的，所以控制 电路中已经存在一点接地。通过采用新的接地检测装置，可以使控制电路相对于地悬浮 起来，正常情况下不存在接地点，当一点发生接地时，并不影响机车的正常运行，但必 须进行接地报警，避免两点接地可能造成的故障。 实时检测控制电路正负母线对地的电压大小，通过对地电压的变化来判断是否存在 接地故障，等效电路如图2 3 所示。 il 由肥由尺。 + d cf1 i i 彳。v y 风白舶白尺， iii 图2 3 拉制电路模型 f i g u r e2 3t h em o d e lo fc o n t r o lc i r c u i t 图中d c l l 0 v 为控制电路直流1 1 0 v 电源，足为接在控制电路上的各种机车电器的 等效电阻。b 和r 为正常情况下正负母线分别对地的实际电阻，两个电阻阻值基本相 等。冠和r 为控制电路接地检测系统的电压检测电阻，分别检测正负母线的对地电压。 在没有接地故障的正常工况下，控制电路1 1 0 v 电压平均加在两个检测电阻上，即检测 回来的f 负母线对地电压k 和k 均约为5 5 v 。当发生接地故障时，如正母线发生接地， 检测电阻咒被短路，控制电路1 1 0 v 电压此时基本都加在检测电阻尼上。 所以，对于控制回路，诊断f 母线或负母线接地故障的方法是，判断正母线对地电 乐平均值或负母线对地电压平均值是否小于i f 负母线之间电压平均值的1 0 r 1 。 2 3 2 辅助电路接地故障诊断方法 困内现有机车的辅助电路共有两种形式，一种为使用逆变器把直流中间回路电压转 换成三相交流电压，下面统一简称辅助电路逆变器，一种为使用劈相机把单相交流电压 转换成三相交流电压，统一简称辅助电路劈相机，本节按这两种情况分别进行讨论。 1 0 第二章机车各电气同路接地故障诊断方案的提出 1 辅助电路逆变器的接地检测分析 辅助电路逆变器的结构框图如图2 4 所示，分别由一台整流器、一台逆变器和中间 环节组成。接地检测装置安装在直流中l 、日j 回路正负母线之间，检测单相交流侧、三相交 流侧、中间直流回路正母线和负母线是否存在接地故障。 j 下常工况下，由于有中间支撑电容，电压波形的脉动很小，直流中间回路的6 0 0 v 电压平均加在检测电阻上，两路检测电阻电压均约为3 0 0 v 。如果发生直流正母线、或 负母线的接地故障，情况和控制电路直流币负母线接地情况完全一致，可以沿用上一节 的分析进行故障判断。 主变 门i 器 副边 图2 4 辅助电路( 逆变器) 的结构框图 f i g u r e2 4t h es t r u c t u r eo f a u x i l i a r yc i r c u i t ( i n v e r t e r ) 不管单相交流侧接地还是三相交流侧接地两个检测电阻上的电压脉动率都会变大， 所以可以利用检测到的脉动率的变化来判断是否发生了交流侧接地故障。 根据铁道部关于电力机车辅助电路的技术条件，直流中间回路的电压脉动率必须小 于5 。即正常工况下，检测到的电压k 和圪的脉动率均小于5 。而当辅助电路( 逆变 器1 交流侧发生接地故障时，可以设定一个关于脉动率的报警阀值，一旦检测到脉动率 超过3 0 ，判定辅助电路逆变器交流侧发生了接地故障。 2 辅助电路劈相机接地检测分析 劈相机如果有一相的输出端发生了接地故障，如u 相的输出点接地，则u 相检测 电阻短路，检测到u 相检测电阻上的电压幅值会变得很小，而其他两相电压增大。同理， 当v 相或w 相的输出端分别发生接地故障时，电压v 相或w 相的检测电阻上的电压 幅值也会相应的变小，则可以通过判断电压的幅值变化来判断某一相是否存在接地故 障。 在劈相机开始工作后，无论u 、v 、w 三相足否有接地故障，l u y l 始终保持不变。 则接地检测装置可以按i 谚l 定义接地报警的阀值，定义当l _ i l 万l 1 0 时，u 相输出端 发生接地故障；同样，当| - i u - - f f l o 时，v 相输出端发生接地故障：当陌l i 万1 0 时， w 相输m 端发生接地故障。 机车电气同路接地故障诊断系统的研制 2 3 3 主电路接地故障诊断方法 s s 7 e 型电力机车采用的是复励结构，主电路由电枢回路和励磁回路组成，分别采 用不同的主变压器副边绕组供电，所以需要采用两套不同的主电路接地检测装置分别对 两个回路进行接地故障检测，但两个回路在结构上基本相似，在接地检测中可以采用相 同的算法，只是由于两个回路工作时额定电压有所不同，在报警阀值上有所区别。 用于主电路电枢回路的接地检测装置安装于整流桥之后，正负母线之间，平波电抗 器之前，实时检测正负母线对地电压，通过判断电压值的变化判断是否存在接地故障。 由于主电路( 电枢回路) 有平波电抗器而没有支撑电容，其电流不会突变，而平波电 抗器之前的电压有着很大的脉动。所以不能简单的在主电路直接应用辅助电路逆变器的 接地故障判断算法。 对于交流侧接地故障检测，在主电路正常工作无接地故障情况下，检测电压的5 0 h z 分量幅值几乎为零，满开放时交流侧接地后，由于主电路中主变压器副边绕组与检测电 阻之间存在半波整流的通路，使得检测电阻上的电压5 0 h z 分量幅值会大大增加，这样 可以设定一个报警阀值，当f f t 运算得到的检测电压的5 0 h z 分量幅值大于报警阀值时， 判断为主电路电枢回路交流侧发生接地故障。 而对于直流侧接地故障检测，与控制电路正负母线接地故障的检测方法相同，都是 通过判断正母线对地电压或负母线对地电压是否小于正负母线之间电压的1 0 来判断 正负母线是否有接地故障。1 1 2 1 2 4 机车电气回路接地故障诊断系统的组成 本论文采用一种基于电压检测的接地故障检测方案，该装置分别安装于交直型机车 主电路、辅助电路和控制电路，实时地检测各个电路的接地故障。 赁趋l 竖 厂4 n 一具 圈甚圈甚，冒等曰l l ，一j 广 l j f - y t f 晰| 图2 5 系统的基本组成 f i g u r e2 5t h eb a s i cc o m p o n e n t s 1 2 第二章机车各电气回路接地故障诊断方案的提出 接地检测装置基本系统硬件单元主要包括数据采集单元、人机交互界面、供电电源 和主控制器。系统的基本组成如图2 5 所示。被测电压由电阻分压后，经过隔离变送器， 把模拟信号送入s i e m e n s 模拟量输入模块2 3l 进行a d 转换，再进入p l c 主控制器 中。主控制器p l c 对采集的电压值进行分析计算，诊断出是否有接地故障的存在，一 旦发现有接地故障的存在，就及时的通过人机界面给出报警；人机交互界面是操作者与 系统的沟通界面，主要功能是操作者对整个系统进行操作控制，主控器通过人机界面把 各个监测点的检测数据实时的进行显示，一旦出现接地故障后，人机交互界面给出相应 的报警信号供操作员下一步的动作。在确认报警后人机交互界面还可以将接地故障发生 的时间和具体数据进行记录，作为进行故障处理时的参考资料。全部数据被记录在一张 存储卡中，在机车运行回库后，可以通过读卡器把记录下来的故障记录发送到p c 机， 建立故障信息档案，为铁路运营管理、快速修复以及试验研究提供详细的数据信息。 1 3 机车电气同路接地故障诊断系统的研制 1 4 第三章各同路接地故障诊断方法的实现 第三章各回路接地故障诊断方法的实现 在第二章中，对机车控制回路、辅助回路、主回路作了简要介绍，并且针对不同回 路可能发生的接地故障分别提出了相应的故障诊断方法，下面就对机车各个回路中发生 接地的情况和接地检测装置在发生接地故障时的检测方法做详细的介绍。 3 1 辅助电路劈相机 3 1 1 建模仿真分析 1 电路无接地点情况分析 根据辅助电路的工作方式，可以在m a t l a b 的s i m u l i n k 环境下建立简单的仿真模型， 如图3 1 仿真模型中，用交流电压源u 、v 和w 模拟劈相机产生的三相交流电压，额定 电压为2 2 0 v ，频率为5 0 h z ，相位依次差1 2 0 度。电阻冠、尼和足为接地检测装置的 检测电阻，分别用来检测u 、v 、w 三项的对地电压k 、k 和k 。 劈相机正常工作以后，辅助电路的三相相电压均为2 2 0 v ，额定频率为5 0 h z ，相位 分别相差1 2 0 度，仿真后得到的k 、k 和k 的波形如图3 2 所示。 图3 1 辅助电路劈相机模型 f i g u r e3 1t h em o d e lo fa u x i l i a r yc i r c u i t ( p h a s e - s p l i t t e r ) 图3 2 辅助电路劈相机正常工作时k 、和的仿真波形 f i g u r e3 2t h es i m u l a t i o nw a v e f o r mo fk ，k ，巧a