基于双T滤波器的城市轨道交通列车电缆绝缘检测方法研究

杨林翔 曾小清 田 鹏(同济大学交通运输工程学院,201804,上海∥第一作者,硕士研究生)



基于双T滤波器的城市轨道交通列车电缆绝缘检测方法研究

杨林翔 曾小清 田 鹏
(同济大学交通运输工程学院,201804,上海∥第一作者,硕士研究生)

摘 要城市轨道列车车载电缆是其整个电力系统中传输和分配电能以及传输信号控制信息的重要设备,电缆的绝缘状态对列车安全可靠运行有重要影响。传统绝缘检测装置都未考虑到电磁干扰对绝缘检测的影响,列车运行环境中严重的电磁干扰易造成绝缘在线监测系统数据的波动大及工作不稳定的问题,为此提出基于双T滤波器的列车电缆绝缘检测新方法。此方法不仅可以提高电缆绝缘检测精度,而且还可以适应列车复杂噪声信号干扰环境,保证设备稳定运行。

关键词城市轨道交通;列车车载电缆;绝缘监测;双T滤波器

Author′s address School of Transportaion Engineering, Tongji univevsity,201804,Shinghai,China

1　城市轨道交通列车电力电缆绝缘测量的必要性

目前城市轨道交通列车的功能都比较齐全,用电设备多,相应所敷设的线路也比较多,且车体多为不锈钢和铝合金。一旦线路在敷设过程中被划伤或由于材质问题出现破皮,将会出现线路漏电,对列车运行和乘客安全造成隐患。另外在列车运行过程中,若车载电缆出现绝缘损坏导致接地故障,就可能引起信号回路、控制回路、继电保护装置的误动作,甚至会导致非常严重的后果,如火灾、设备损坏等,以致破坏整个系统的正常运行,甚至造成人员伤亡。

据统计数据表明,城市轨道交通列车上电力设备运行中相当一部分事故是由电缆绝缘故障导致的。为了列车的安全运行,必须进行电缆绝缘检测[4]。在城市轨道交通系统中,有着许多正常运营下所必需的设备和管线系统,这些设备中有的在运行中产生比较强烈的电磁干扰,如列车架空牵引接触网、可泄漏同轴电缆、移动通信单元等。有的检测设备对电磁干扰比较敏感,这些设备如果受到电磁干扰就无法正常工作,甚至产生误动作的话,会给城市轨道交通系统的安全运行带来非常严重的后果。由绝缘故障而引发的事故,将影响城市轨道交通电力系统和通信系统的可靠性和安全性。目前,绝缘检测仪、绝缘监测仪已大量投入使用[5-8]。近年来,绝缘检测技术也引发了我国学者的关注,文献[9]针对目前应用的高压绝缘检测装置存在的不足,提出了一种基于独立高压电源的新型绝缘检测系统。文献[10]针对直流电源绝缘检测,提出了“外施电压电桥法”检测绝缘电阻,并给出了系统的设计方案,同时分别从硬件和软件两个方面详细介绍了直流系统绝缘检测装置的研制方法。然而,在城市轨道交通领域,传统的电缆绝缘检测的设计理念都未将现场噪声做过滤处理,但是由于列车车载电网和运行环境的复杂性,要想提高电缆绝缘检测的精度就必须考虑到列车工作环境中噪声的干扰,然而专门针对列车而设计的适应列车复杂噪声信号干扰环境的高精度绝缘检测设备却寥寥无几。所以,研究适应列车复杂噪声信号干扰环境的高精度电缆绝缘检测方法显得尤为重要。

2　基于双T滤波器的列车电缆绝缘检测硬件设计

列车电缆绝缘检测硬件设计主要包括电源模块、绝缘电阻采样模块、AD(模拟、数字)转换模块、绝缘电阻数据处理模块4个模块。其中,绝缘电阻采样模块融入了双T滤波器。

2.1绝缘电阻采样模块

绝缘电阻的采样模块电路图如图1所示。图1 中:CN1的2管脚连接电源VCC,3管脚连接大地, VS+、VS-为采样电压。

图1　电缆绝缘电阻采样模块电路图

列车运行环境中严重的电磁干扰易造成绝缘在线监测系统数据的波动大及工作不稳定等问题,为减少列车中的50 Hz噪声对绝缘检测误差的影响,特在此采样电路中融入双T带阻滤波器。

在信号处理电路中,常常要用到带阻滤波器阻隔干扰信号的窜入。如图2所示,带阻滤波器通常用一个低通滤波器(LPF)和一个高通滤波器(HPF)并联而成,其中低通滤波器的截止频率fp1应低于高通滤波器的截止频率fp2,其阻带为fp2-fp1)。用无源带阻滤波器可以构成去噪电路,对某一频率的强干扰信号具有很好的滤波效果。

图2　带阻滤波器组成框图

电缆绝缘检测中的无源带阻滤波器如图3所示,由RC(电阻电容)低通滤波器和RC高通滤波器并联而成。低通滤波器由电阻R15、R16和电容C33组成,是一个T型网络滤波器;高通滤波器由电容C33、C37和电阻R12组成,也是一个T型网络滤波器。两个滤波器均是对称T型结构,称为对称双T网络带阻滤波器。该滤波器是利用电容器的容抗随频率变化的特性进行滤波的,适当选择电阻、电容值,可有效选出所需频率信号、滤除干扰信号。

图3　双T滤波器电路图

令s=jω,得到:

式中:

S——域;

ω0——角频率;

f——副数;

R——电阻值;

C——电容值。

通过以上公式可以看出,双T网络滤波器对ωo频率信号具有很好的滤波能力。在绝缘检测采样电压电路中特意串联双T滤波器就是为了利用双T滤波器的带阻特性,从而能够在采样源头上有效减少列车中50 Hz频率噪声对采样电压的干扰。

2.2绝缘电阻采样原理

绝缘电阻的采样、校正模块电路图如图4所示。在图4中:VREF是ADC(模数转换器)的基准电源,VS+、VS-为ADC的输入电压信号(待转换采样电压),校验模块工作原理如下所述。

通过控制继电器使阻值为1 MΩ的R5电阻接入绝缘电阻采集电路,此时R5即为被测绝缘电阻。

根据分压公式可得:

式中:

Vin——输入电压;

UVDD——电源电压。

根据ADC工作原理可得:

图4　采样、校正模块电路图

式中n为ADC的分辨率;X1M为输入绝缘电阻为1 MΩ时,AD转换后的二进制结果。

将式(4)、(5)代入式(6)可得:

印度梨形孢对黑松幼苗生长量及其根系形态的动态影响 周晓莹，梁玉，董智，李红丽，张梦璇，韩秀峰，范小莉，房用(7-7)

化简得:

令:R31(R7+R14+R23+R29)/R29=A,(R15+R24+R31+R32)=B,A、B就是待校正的参数。

则有:

同理,控制继电器使阻值为10 MΩ的R6电阻接入绝缘电阻采集电路,此时R6为被测绝缘电阻。

最终可得式(10)

其中:X10M为输入绝缘电阻为10 MΩ时,AD转换后的二进制结果。

根据式(9)、式(10)可列出二元一次方程组:

其中Rx为待测绝缘电阻;X为绝缘电阻为Rx时,AD转换后的二进制结果。在运行绝缘检测系统前会定期启动校正功能,重新校正参数A、B,用校正后的参数A、B再去计算绝缘电阻。校正结束后断开校正电路开关,使真正绝缘电缆接入电路,并计算电缆绝缘电阻。这种算法可以有效地减少电阻阻值随外部环境浮动的影响,很大程度上提高了绝缘电阻的测量精度。

3　仿真与结果分析

3.1滤波仿真与结果分析

为了证明图2中的双T滤波电路确实能够对固定频率噪声进行过滤,采用Multisim软件进行了仿真。图5为其幅频特性曲线。图5中纵坐标为幅值数倍数,单位为d B,每一格单位为10 dB;横坐标为频率,单位为Hz,中心频率为50 Hz,每一格为10 Hz。

图5　幅频特性曲线

由图5可以看出,双T滤波器带阻特性较好,阻带较窄,曲线中明显反映出中心频率50 Hz的信号幅值放大倍数为-42.972 d B,有效地抑制了50 Hz及其附近频率噪声对电缆绝缘检测的干扰。

3.2绝缘电阻测量试验

本试验通过把测试电缆改为外接测试电阻,模拟绝缘电阻,并用信号发生器对电路加载干扰噪声,模拟列车实际运行中的干扰信号。绝缘检测电路中应用LTC 2484(24位)ADC,电源电压400 V,试验使用Fluke 187型数字万用表作为测量和校准的标准表,阻抗的测量准确度为0.05%。接地电阻选择5.1 kΩ、10 kΩ、15 kΩ、20 kΩ、25 kΩ、50 kΩ、100 kΩ、1 MΩ、5 MΩ、10 MΩ电阻。试验结果见表1、表2。

通过试验结果可以明显看出,传统绝缘检测方法测试中的绝缘电阻测量误差较大,并且测量结果误差波动严重,证明电磁干扰对绝缘检测的影响较大,易造成绝缘在线监测系统数据的波动大及工作不稳定的问题;在新的检测方法测试中绝缘电阻的测量值较稳定,误差保持在2%以下,满足列车电缆绝缘等级要求,从而也证明基于双T滤波的绝缘检测设备能有效地滤除电磁干扰,使设备工作在较稳定的状态。

表1　传统未考虑滤波的绝缘检测装置试验结果

表2　基于双T滤波的绝缘检测装置试验结果

4　结语

传统绝缘检测设备多注重于提高检测精度的算法,而很少考虑到外界复杂的电磁干扰影响,虽然城市轨道列车各电器模块都做了电磁干扰屏蔽设计,但用于连接各模块的线缆却都处于电磁干扰中。本文专门为列车电缆绝缘检测提出了双T滤波与绝缘监测相结合方案。经过模拟试验验证,对2 MΩ内的接地电阻进行了抽样测量,测量误差小于2%,装置运行可靠稳定,符合现场要求。

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Detection of Urban Rail Transit Train Automotive Cable Insulation Based on Double T Filter

Yang Linxiang,Zeng Xiaoqing,Tian Peng

AbstractThe automotive cable of urban rail transit train is an important device for energy transmission,energy allocation and signal control.The insulation status of automotive cable has an important effect on the reliability and safety of train.Since the traditional insulation monitoring device does not consider the influence of electro magnetic interference over insulation monitoring,so great fluctuation and unstable operation wouldl frequently occur under serious electro magnetic interference in train operation.In this paper a new detection method based on double T filter is proposed.Through experiment,this method could not only improve the detection accuracy,but also adapt to the complex electro magnetic interference,so it is able to guarantee the stable operation of devices.

Key wordsurban rail transit;train automotive cable;insulation detection;double T filter

(收稿日期:2015-06-05)

DOI:10.16037/j.1007-869x.2016.02.012

中图分类号TM 934.3∶TM 246