一种智能型直流机车主、辅回路绝缘检测装置*

2014-03-22李银轩吴双双柏文琦

计量技术 2014年5期

李银轩　吴双双　柏文琦

(湖南省计量检测研究院，长沙 410014)

0　引言

直流电力机车转向架牵引电机供电主要由主回路系统供电，主回路对地完全隔离。若机车主、辅回路出现两点接地，将会造成供电系统、机车运行或人身安全事故[1]。

电力机车二次回路连接设备繁多，延伸范围广，需要可靠的接地保护[2]。机车上安装在线监测绝缘状态变化的装置是保障电力机车安全的重要手段[3]。目前电力机车主、辅回路的接地保护采用的是有源检测方式[4]，导致主、辅回路与机车地的隔离电阻很低，容易发生事故。且只有在严重接地发生时保护电路才起作用，预警不及时，灵敏度低[5]。

为了解决故障预警问题，本文设计了一种主回路无源非平衡电桥原理与辅助回路采用信号注入原理绝缘电阻检测系统。

1　系统结构

智能型直流机车主、辅回路绝缘检测系统在线监测两路主回路正、负母线对地绝缘状态，把主回路、辅助回路、控制回路与机车地完全隔离，并保证故障出现时自动恢复原机车的所有保护功能。系统结构如图1所示，主辅回路高电压经检测电路转换为小电压后，由A/D转换器转换成数字信号送入控制器进行处理；接地继电器用于控制原回路接地的通断；报警输出是在主辅回路产生接地故障后输出报警信号，按键、显示、通信接口为系统提供人机接口和远程通信。

图1　系统结构图

2　主要功能模块

2.1　单片机控制器

控制器采用ATMEL公司的Atmega128高速单片机作为系统控制器，它是一个属于AVR RIST结构的8位低功耗CMOS高速单片机，自带先进的指令集以及单周期指令执行时间，采用哈佛结构，所有寄存器都直接与算术逻辑单元(ALU)相连，大大提高了代码效率，特别适合对I/O口数量、存储器容量和运行速度较高的场合。

2.2　主回路绝缘检测电路

利用主回路自身的DC1000V电压，采用非平衡电桥原理实现对地电阻的无源采样。前端高电压信号经过分压变为低压采样信号，低电压信号经过线性光耦隔离放大、A/D转换，输入到Atmega128控制器，计算出对地电阻的实际值。主回路绝缘检测电路如图2所示。

图2　主回路绝缘检测电路

绝缘电阻测量方法是“不平衡电桥法”。在测量原理图2中，WB1、WB2、KP和KE是系统对机车的接线端子，WB1、WB2是正负母线端子，KP和KE是两个不同的接地点，RX1、RX2是待测的正、负母线与地之间的等效绝缘电阻。

WB1的对地电阻

(1)

WB2的对地电阻

(2)

当K1、KP断开时，设WB2线对地电压U-，则有

(3)

(4)

由方程式(3)和式(4)联合求解可得

(5)

(6)

通过两次测量结果可计算得到R+、R-的值，用式(1)和式(2)算出RX1和RX2的值。

2.3　辅助回路绝缘检测电路

辅助回路绝缘检测电路采用信号注入法对交流220V输出回路进行检测，其原理图如图3所示，U11为隔离光耦，R14、R15、R16组成测量分压网络。注入信号经过光耦隔离放大和分压网络，送入A/D转换器转换为数字信号，供控制器处理和计算对地电阻的实际值。为了消除工频旁路电容C6单相冲电产生测量误差，采用正负电源交替注入，进行正反向两次测量，并对两次测量结果取平均值。

2.4　A/D转换器选择

A/D转换器中选用ADI公司生产的AD9220高速模数转换器实现对电压信号等的模数转换。AD9220为12位AD转换芯片，转换速率可达到5MSPS。在AD9220选择内部参考源，用单端输入方式进行采样，Atmega128控制器通过编程产生周期为125ns的方波作为AD9220的采样时钟，充分发挥AD9220高速模数转换的性能。