电力机车车顶绝缘检测装置高压开关电源的研究

李淼，易吉良，周述庆，陈兵

（湖南工业大学电气与信息工程学院 湖南 株洲 412007）

电力机车车顶绝缘检测装置高压开关电源的研究

李淼，易吉良，周述庆，陈兵

（湖南工业大学电气与信息工程学院 湖南 株洲 412007）

针对目前电力机车车顶绝缘检测装置中高压电压互感器易故障、绝缘检测无法定量等问题，提出了一种基于高压开关电源的绝缘检测系统。介绍了绝缘检测装置的总体构成和工作原理，设计了基于UC3842控制芯片的高压开关电源模块，并采用Saber软件对高压开关电源模块进行了设计与仿真。仿真结果表明该高压开关电源具有良好的适应性和稳定性，满足绝缘检测装置设计要求。

电力机车；绝缘检测装置；高压开关电源

0 引言

电力机车车顶高压设备的绝缘性能是保证机车正常秩序和安全运行的重要指标。电力机车车顶高压设备为户外安装，容易受到雨雪等恶劣环境的侵害。车顶高压设备发生故障时，将造成受电弓滑板与接触网粘连，甚至烧坏接触导线。

车顶绝缘检测装置能够有效、快速的判断车顶高压设备是否接地，或者绝缘降低，防止在未确定车顶高压设备绝缘状况下盲目升弓，导致受电弓和接触网发生故障，从而为故障点检测和行车秩序提供有效手段。目前的电力机车车顶绝缘检测装置是利用机车上安装的高压电压互感器的一、二次绕组的电压变化来实现车顶高压设备绝缘的检测。该装置在不升弓情况下，将机车直流110V电源逆变为交流100V送入高压电压互感器的二次侧，由此在互感器的一次侧产生25KV的高压。测试人员根据司机室电压表的电压显示判断机车车顶绝缘状态[1-2]。这种方式虽然较为简便安全，但无法给出精确量化的绝缘电阻值。

为了解决目前绝缘检测装置中高压互感器故障率、检测只能定性等问题，本文提出一种基于高压开关电源的新型绝缘检测装置。

1 绝缘检测装置总体构成

1.1 系统构成

新型高压开关电源绝缘检测装置主要由高压开关电源模块、信号采集与转换电路模块、条件信号检测模块、人机接口模块、数据存储与通信模块组成，其主要结构如图1所示。

其中，高压开关电源模块提供绝缘电阻检测所需稳定直流电压；信号采集与转换电路模块实现高压开关电源输出直流电压的采集和转换；条件信号检测模块实现对受电弓信号、主断路器信号、车顶门信号以及司机车钥匙信号的检测，保证系统的运行安全；人机接口模块主要实现按键输入、液晶显示等人机交互功能，数据存储与通信模块实现数据的存储和记录。

1.2 系统绝缘检测原理

高压开关电源绝缘检测装置采用DC-DC变换器，将机车直流110V电压，通过高压开关电源进行升压，输出所需直流3000V的检测电压。其检测原理如图2所示。其中，Rstd为采样电阻，Rx为被测机车车顶测绝缘子，Rf为受电弓工作采样电阻。

假设图中所示串联电路的电流为I，直流高压开关电源的电压为U，采样电阻Rstd电压为V，则

经整理后可得，

图1 电力机车车顶绝缘检测装置系统结构Fig.1 System construct of roof insulation detection device on electric locomotive

图2 绝缘检测工作原理Fig.2 The principle of insulation detection

因此，通过测量采样电阻Rstd上面的电压，经运算放大电路和AD转换电路，送至处理器进行数据运算处理，就可以间接的测量出车顶绝缘子的电阻值。本装置在进行测量时，自动检测并确保受电弓DG降弓，同时真空断路器QS断开，单刀双掷开关K置于绝缘检测端状态，实现绝缘检测的数字化和智能化。

2 高压开关电源设计

2.1 高压开关电源工作原理

如图3所示，高压开关电源模块主要包括：功率开关管、高频变压器、倍压整流电路、PWM控制电路、隔离反馈电路。针对绝缘电阻测量时要求的高电压、小电流特性，高压开关电源主电路采用单端反激拓扑结构[5-6]。通过两级升压，首先经单端反激变换器将DC110V输入电压转换为DC500V输出，再通过倍压整流电路将电压升高至DC3000V检测电压。

倍压整流电路利用二极管的单向导通性和滤波电容的存储作用，可以获得几倍于变压器副边电压的输出电压。工程中倍压整流电路可分为科克罗夫特-沃尔顿（C-W）倍压整流电路、信克尔倍压整流电路。C-W倍压整流电路的每只电容承受的电压为变压器输出电压的两倍，在甚高压的场合得到广泛应用[3-4]。本设计采用C-W倍压整流电路，其电路原理如图4所示。

高压开关电源PWM控制回路采用高性能电流模式PWM控制芯片UC3842。该芯片通过可微调的振荡器，可进行精确的占空比控制。并具有电压反馈和电流反馈双闭环。内置输入端过压保护和输出端过流保护，并设有欠压锁定电路。由该控制器构成的开关电源与一般电压控制型开关电源相比，具有外部电路简单、电压调整率好、频率响应快等优点[7]。

高压开关电源反馈回路由可调式精密并联稳压器TL431和光耦PC817构成，其电路设计如图5所示。TL431作为电压基准和高增益误差放大器，采样输出，产生的误差信号通过光耦PC817，作为反馈控制信号，耦合到控制器UC3842的引脚1。该电压反馈回路略过UC3842的内部误差放大器，直接将误差信号连接到控制器UC3842内部误差放大器的输出端，从而使电源具有更快的动态响应[8-9]。

2.2 高压开关电源主要参数设计

开关电源技术指标如表1所示。根据技术指标，单端反激变换器选择DCM工作模式[5]，主要参数按要求设计如下。

图3 高压开关电源结构Fig.3 The structure of high-voltage switching power supply

图4 C-W倍压整流电路Fig.4 C-W voltage doubling rectifier circuit

图5 TL431与PC817构成的反馈回路Fig.5 The feedback loop composed of PC817 and TL431

表1 高压开关电源技术指标Tab.1 Specifications of high-voltage switching power supply

式中，Pin为输入功率；K'为拓扑系数；ΔB为最大AC磁通密度，铁氧体典型值为200mT；f为开关频率。在本设计中，计算AP值为0.065cm4，查磁芯手册，选取EE30型磁芯。

（2）初级绕组匝数

初级绕组匝数需要满足AC电压应力和磁芯饱和特性，

式中，Np(min)为最小初级绕组匝数；Vin(min)为最小输入电压；Ton(max)为开关管最大导通时间，开关管的最大导通时间出现在最小输入电压和最大负载时，本设计中最大导通时间不超过总工作周期的50%，留有裕量取Ton(max)值为12μs，其中T/2=1/2f；Ae为磁芯中心柱有效面积。

（3）初级绕组电感量

根据初级绕组峰值电流Ipk求取初级绕组电感量Lp。

式中Po为输出功率，D(max)为最大占空比，峰值电流Ipk由式（6）求取。

（4）次级绕组匝数

设输出二极管的管压降为0.8V，则次级绕组匝数为

式中，Vo为反激变换器输出电压DC500V，VD为二极管压降。

3 仿真分析

为了验证高压开关电源设计的正确性，根据上述参数计算，在Saber中进行建模仿真，仿真电路如图6所示。其中，输入额定电压DC110V，输出最大功率为6W，开关频率为40KHz，初级绕组电感量为2.31mH，初级绕组匝数42匝，次级绕组匝数296匝。图7、图8均为额定输入电压下的波形图。

图6 Saber仿真原理图Fig.6 Saber simulation principle diagram

图7 开关管漏源电压和初级绕组电流Fig.7 Drain-source voltage of switch and current of the primary winding

图8 输出电压Fig.8 Output voltage

表2 电压调整率Tab.2 Voltage regulation rate

图7 所示开关管漏源电压Uds，其开关管的电压应力由匝比引起的反射电压和漏感导致的尖峰电压组成。为了减小开关管的电压应力，通常引入钳位电路吸收漏感能量[10]。初级绕组电流波形表示，反激变换器处于DCM 工作模式。

图8 为输出电压波形，反激变换器次级绕组电压，经6 倍压整流后输出。表2 所示电压调整率和图8 输出电压波形表明，高压开关电源具有良好的适应性和稳定性，满足绝缘检测装置所需稳定直流检测电压。

4 结论

本文针对目前电力机车车顶绝缘检测装置的不足，提出一种新型检测系统，并对其高压开关电源模块进行设计。通过仿真验证，所设计的高压开关电源模块，具有良好的适应性，其输出稳定直流电压，能够满足电力机车车顶绝缘检测装置所需检测电压要求。

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Research on High-voltage Switching Power Supply of Roof Insulation Detection Device on Electric Locomotive

LI Miao, YI Ji-liang, ZHOU Shu-qing, CHEN Bing
(College of Electrical & Information Engineering Hunan University of Technology, Zhuzhou 412007, China)

In view of the problems such as the high voltage transformer fault easily, insulation detection cannot be quantitatively of the roof insulation detection device on electric locomotive, an insulation testing system based on high-voltage switching power supply is proposed. This paper introduces the overall structure and working principle of insulation detection device, design of high-voltage switching power supply module based on UC3842 control chip, and using Saber software to design and Simulation of high-voltage switching power supply module. The simulation results show that the high-voltage switching power supply has good adaptability and stability, meets the design requirements for the insulation detection device.

Electric locomotive; Insulation detection device; High-voltage switching power supply

10.3969/j.issn.2095-6649.2016.02.004

LI Miao, YI Ji-liang, ZHOU Shu-qing, et al. Research on High-voltage Switching Power Supply of Roof Insulation Detection Device on Electric Locomotive[J]. The Journal of New Industrialization， 2016， 6（2）: 21-26.

2014年地方高校国家级大学生创新创业训练计划项目（201411535006）；湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划资助项目（湘教通［2014］248号314）

李淼（1990-），男，硕士研究生，研究方向为现代电力传动及其故障诊断；易吉良（1972-），男，副教授，硕士生导师，研究方向为电能质量分析，数字信号处理研究

本文引用格式：李淼，易吉良，周述庆，等. 电力机车车顶绝缘检测装置高压开关电源的研究［J］. 新型工业化，2016，6（2）：21-26.