机车直流绝缘监测装置的研制

1、机车直流绝缘监测装置的研制陈爱军 1, 漆志佳 2, 刘 宏 1, 毛业军 1, 廖洪涛 1(1. 南车株洲电力机车有限公司 , 湖南 株洲 412001; 2. 株洲长河机电产品开发公司 , 湖南 株洲 412001摘要 :在传统检测方法的基础上 , 开发了一种新的基于单片机技术的机车直流绝缘监测装置 , 该装置不仅能实时监测机车直流系统正负母线对地的绝缘电阻 , 而且还能检测出输入断线的问题。装车试运行证明 , 该装置功能可靠、 运行稳 定、 自动化程度高。关键词 :机车 ; 直流系统 ; 绝缘 ; 监测装置 中图分类号 :U269.32+2文献标识码 :A文章编号 :1672-1187(

2、2008 01-0041-02Development of insulation monitoring device for locomotive DC systemCHEN Ai-jun 1, QI Zhi-jia 2, LIU Hong 1, M AO Ye-jun 1, LIAO Hong-tao 1(1. CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co. , Ltd. , Zhuzhou 412001, China ;2. Zhuzhou Changhe Electromechanical Co. , Zhuzhou 412001, China Abstract

3、:Based on traditional measurement methods, applying microcontroller technology, a new insulation-monitoring device is developed for locomotive DC system. This device can not only measure the insulation resistance of DC system, but also detect the problem that input wires are broken. After applicatio

4、n in locomotive, this device is proved reliable, stable and convenient.Key words :locomotive ; DC system ; insulation ; monitoring device电力机车与城轨车辆Electric Locomotives &Mass Transit Vehicles检测 试验第 31卷 第 1期 2008年 1月 20日Vol. 31No. 1Jan. 20th , 2008收稿日期 :2007-04-05作者简介 :陈爱军 , 2005年获重庆大学仪器科学与技术专业硕士学位 , 现

5、从事机车电气系统设计工作。0引言机车 110V 直流电源是机车控制单元、信号通讯系统、 继电器保护回路及其他自动装置的工作电源。 由于机 车运行环境恶劣 , 110V 电气设备或导线的绝缘损坏常常 会造成电路的接地故障。虽然单点接地故障对机车的运 行不会产生影响 , 但是若出现两处或两处以上的多点接 地故障时 , 电路可能会产生短路而烧损设备和导线 , 从而 严重影响机车正常运行的安全性和可靠性。因此研制机 车直流绝缘监测装置显得十分重要。该装置可实时在线 监测直流电源系统正负母线对地的绝缘电阻 , 当绝缘电 阻过低时 , 可给出报警信息 , 从而消除接地故障给机车运 行带来的安全隐患。1监测

6、原理目前 , 直流电源系统对地绝缘的传统检测方法有电桥法、 注入低频交流信号法和漏电流检测法等几种方法 , 这几种方法各自都有其优缺点 1-5。为了克服以上几种方 法的不足之处 , 在传统检测方法的基础上 , 笔者提出了一种新的针对机车直流系统的绝缘电阻检测方法 , 其原理 见图 1。在原理图中 , L+和 L-为机车直流电源系统的正 负母线 , L+和 L-均对地悬浮 ,为接地点 , R p 和 R n 分别为待测的正负母线对地的绝缘电阻 , R c1、 R c2、 R c3和 R c4为测量用的已知阻值的精密电阻 , S1和 S2为电子开关。图 1直流绝缘电阻检测原理图设直流电网电压为 U

7、 , R p /R c3(“ /” 表示两电阻并联 为R cp , R n /R c4为 R cn , R cp 、 R cn 对 地 电 压 分 别 为 U cp 、 U cn , U cp 和 U cn 的大小可以分别通过采集 R c3和 R c4两端的电压得到。当开关 S1, S2全部断开时 , 测量 R c3和 R c4两端电压 为 U cp0和 U cn0。 由图 1可知 , 所测的 U cp0和 U cn0分别为此时 正负母线与地之间的电压 , 由此可得 :-41-U cp0cp =U cn0cn(1当开关 S1闭合、 S2断开时 , 则在正母线与地之间加 入了一个标准电阻 R c

8、1, 测量此时 R c3和 R c4两端的电压 , 得到正负母线与地之间的电压分别为 U cp1和 U cn1。 由此可 得 :U cp1cp +U cp1c1=U cn1cn(2由式 (1 和式 (2 联合可以得到 :R cp =R c1U U cp1 U cn0- 1R cn=R c1U cp0 U cn1-U cn0 U cp1cp0 cp1 由以上两式计算出 R cp 和 R cn 的值 , 由于 R c3和 R c4的 电阻值已知 , 因此可以通过电阻并联原理计算得到直流 系统正负母线对地的绝缘电阻 R p 和 R n 。由图 1可知 , 在下面两种情况也可以得到直流系统 正负母线对

9、地的绝缘电阻 :1 S1和 S2全部断开 , 然后 S1断开和 S2闭合 ; 2 S1闭合和 S2断开 , 然后 S1断开和 S2闭合。 此检测方法不仅可以检测正负母线对地的绝缘电阻 大小 , 还可以检测到 L+/L-和 任一连线断开的故障。由图 1可知 , 如果 L+/L-断开 , 采集到的电网电压将为零值 , 如果断开 , 在开关 S1和 S2切换前后 R c3和 R c4上所采集的电压不会变化 , 因此可通过以上的方法来检测 绝缘监测装置是否断线。2硬件结构为了实现在线实时自动监测机车直流系统正负母线对地的绝缘电阻 , 绝缘监测装置采用了单片机控制技术 , 硬件系统结构如图 2所示。机车

10、直流绝缘监测装置由单 片 机 和 外 围 电 路 组 成 , 单 片 机 选 用 Philips 公 司 的P89LPC938FA , 看门狗电路保证了单片机系统的可靠运 行 , 系统工作电源为 DC 110V , 隔离电源模块具有保护绝 缘监测装置不受机车直流电源过电压冲击的作用。按键 包括设置、 测试、 复位和确定等 4个按钮 , 装置还包括 4个 8位共阳极 LED 数码管。外部电压信号通过信号采集电路、 隔离电路、 信号调 理 , 经 A/D 转换输入到单片机中 , 单片机通过分析计算 , 得到机车直流系统 正 负 母 线 对 地 的 绝 缘 电 阻 , 并 通 过LED 数码管显示。

11、绝缘监测装置通过按键输入电路可以 设置绝缘电阻的报警值 , 当所测得的电阻值低于设定的 报警值时 , 报警指示灯给出提示信号 , 报警继电器输出报 警信息给机车控制系统 , 然后由机车控制系统再给出机 车直流系统接地保护动作。 通过按 “测试” 按钮 , 装置执行 自我测试功能 , 检测各个模块的功能是否正常。图 2硬件系统结构框图3软件结构 (见图 3系统软件采用基于单片机的 C 语言编程 , 为了可靠实现绝缘监测装置的功能 , 软件系统采用模块化设计 , 主 要包括按键输入处理模块、 绝缘电阻计算模块、 故障检测 模块、 故障处理报警模块和显示模块等。图 3软件系统结构框图4结论针对正负母

12、线对地悬浮的直流系统 , 笔者在传统检测方法的基础上 , 采用一种新的检测方法 , 开发了基于单 片机技术的机车直流绝缘监测装置。该装置不仅能在线 实时检测直流系统正负母线对地的绝缘电阻 , 当所测的 绝缘电阻低于设定值时 , 绝缘监测装置给出报警信号 , 并 通知机车控制系统给出直流系统接地保护的命令 , 从而 避免直流电源系统正 负 母 线 接 地 故 障 而 造 成 的 机 车 事 故 , 而且还能判断装置输入接线是否断开 , 从而避免由于 断线而引起装置失效的问题。 通过装车试运行发现 , 该装 置功能准确可靠 , 运行稳定 , 自动化程度高。参考文献 :1王光拄 , 魏殿杰 , 王 雷 . 直流系统绝缘自动检测仪的研制 J. 电子测量与仪器学报 , 1998(12 :51-54.2刘孝义 ,