用于交直型电力机车主电路的无源接地检测方法及装置.pdf

一种用于交直型电力机车主电路的无源接地检测方法和装置。该装置包括主控制器、电压采集单元、报警单元、上位机。电压采集单元在直流正负母线之间接入检测分压电阻R1、R1’、R2’、R2，R1’、R2’分别与一个隔离运放并联，主电路正负母线对地电压V1、V2经过电阻分压后，进入隔离运放，再通过主控制器的A/D口输入主控制器，作为故障判断的输入数据。该无源检测方法利用机车带载运行时可控硅每次导通时会产生电压尖峰的特点判断主电路工况；通过计算正负母线电压比例变化判断主电路直流侧是否发生接地故障；通过对采样的正负母线电压进行快速傅立叶变换，计算出50赫兹电压分量大小，与设定好的不同工况下的相应报警阀值比较，判断是否有主电路交流接地故障。

1.  一种用于交直型电力机车主电路的无源接地检测装置，包括主控制器、电压采集单元、报警单元、上位机，其特征在于，电压采集单元在直流正负母线之间接入检测分压电阻R₁、R₁’、R₂’、R₂，选取阻值R₁等于R₂，R₁’等于R₂’，R₁’与R₂’之间接到机车外壳上，即与大地连通，R₁’、R₂’分别与一个隔离运放并联，主电路正负母线对地电压V₁、V₂经过电阻分压后，进入隔离运放再通过主控制器的A/D口输入主控制器，作为故障判断的输入数据；主控制器分别和电压采集单元、报警单元、上位机相连，管理它们的工作。

2.  一种用于交直型电力机车主电路的无源接地检测方法，包含以下步骤：判断主电路工作在带载还是空载工况，确定判断主电路交流侧接地的报警阀值；判断是否存在主电路直流侧接地故障；判断是否存在主电路交流侧接地故障，其特征在于，对主电路直流正负母线电压V₁、V₂进行采样，作为故障判断的输入数据，利用机车带载运行时可控硅每次导通时会产生电压尖峰的特点，判断主电路工况；通过计算正负母线电压比例变化，判断主电路直流侧是否发生接地故障；通过对采样的正负母线电压进行快速傅立叶变换，计算出50赫兹电压分量大小，根据已经判断出的机车运行工况，与设定好的相应报警阀值比较，判断出是否有主电路交流接地故障。

3.  根据权利要求2所述的一种用于交直型电力机车主电路的无源接地检测方法，其特征在于，判断主电路工况时，对直流母线上电压进行快速采样，判断是否存在50Hz周期性的电压尖峰，如有，则主电路工作在带载工况；如没有，则工作在空载工况。

4.  根据权利要求2所述的一种用于交直型电力机车主电路的无源接地检测方法，其特征在于，判断主电路直流侧接地故障时，对主电路直流正负母线电压V₁、V₂连续采样数个工频周期，由主控制器分别算出V₀、以及V₁和V₂各自的平均值其中V₀＝V₁+V₂；当不等式 V 2 &OverBar; < 0.1 V 0 &OverBar; ]]>成立，主控制器判断直流负极“-”发生了接地故障，当不等式 V 2 &OverBar; > 0.9 V 0 &OverBar; ]]>成立，主控制器判断直流正极“+”发生了接地故障。

5.  根据权利要求2所述的一种用于交直型电力机车主电路的无源接地检测方法，其特征在于，判断主电路交流侧接地故障时，利用直流侧接地判断时已采样的电压值V₁、V₂，对V₁、V₂进行快速傅立叶变换，计算出50赫兹电压分量大小，根据已经判断出的机车运行工况，与设定好的相应报警阀值比较，如果两路电压的50Hz分量都超过报警阀值，则可判断存在主电路交流侧接地故障，报警阀值根据车型等具体情况设定。

用于交直型电力机车主电路的无源接地检测方法及装置
技术领域
本发明涉及一种用于机车主电路的接地检测方法及装置，尤其是涉及一种用于交直型电力机车主电路的接地检测方法及装置。
背景技术
交直型电力机车的机车主电路由牵引电动机及与之相连接的电气设备和导线组成，主电路是电力机车上高电压、大电流的大功率动力电路，通过主电路的功率传递，可以将变电所的电能转变成适用于机车牵引所需要的牵引力，是电力机车最重要的组成部分。主电路接地故障主要是由于电气设备或导线的绝缘破损造成的，与车体钢结构直接接触的为“死接地”，裸露导线部分通过空气对钢结构放电或通过绝缘物表面对钢结构爬电的为“活接地”。接地点出现两点以上，将导致短路故障而烧毁设备或导线，所以必须在机车主电路上安装灵敏可靠的接地检测装置。
现有的交直型电力机车主电路接地检测装置为有源接地检测方式，这种检测方式需要注入110V控制电路的信号，当某个节点出现接地故障时，110V的信号会通过电阻和继电器构成回路，检测继电器会有大电流流过，使继电器跳开保护。
有源接地检测方法和装置存在一些缺点：首先，这种方法需要将110V控制电路电压负极接到机车外壳上，即和25KV电网共地，电气的连接将会导致电网以及主电路晶闸管导通关断带来的干扰直接窜入控制电路，在设计机车上其它电控设备时不得不增加额外的滤波措施来减少干扰，尤其是在机车上电控设备越来越多的情况下，由控制电路和主电路共地引起的干扰已经成为提高电控设备可靠性的瓶颈；其次，机车运行时震动较大，检测继电器会发生触点误跳开，容易发生误报警；最后，检测设备较多，包括了接地继电器、限流电阻、继电器的吸收电路等，检修时工作量大。
其他一些接地故障检测方法，如电力系统中多采用的向直流系统注入附加交流测试信号的检测方法，会对直流系统本身带来一定的影响，很难用于电力机车。
发明内容
本发明要解决的技术问题：
克服现有的有源接地检测方法需要附加信号注入，不能将控制电路110V信号与地隔离开，控制电路的电磁干扰较大，不能准确判断出接地故障具体位置等缺点，提供一种用于交直型电力机车主电路的智能无源接地检测方法及装置，有效解决主电路接地故障检测较难的问题。
本发明采取的技术方案：
用于交直型电力机车主电路的智能无源接地检测装置，主控制器分别与电压采集单元、报警单元和上位机连接。电压采集单元采集主电路直流正负母线的电压值，并传送给主控制器，作为故障诊断的输入数据；报警单元控制故障指示灯和机车主断路器，实现故障信号输出；上位机用来记录下运行时的故障信息；主控制器实现检测方法的算法程序，管理电压采集单元、报警单元、上位机的工作。
无源接地检测装置安装在交直型电力机车主电路每个牵引绕组整流后的直流侧，接口电路即为电压采集单元，如图2所示。在直流正负母线之间接入检测分压电阻R₁、R₁’、R₂’、R₂，选取阻值R₁＝R₂，R₁’＝R₂’，R₁’与R₂’之间接到机车外壳上，即与大地连通。R₁’、R₂’分别与一个隔离运放并联。主电路正负母线对地电压V₁、V₂经过电阻分压后，进入隔离运放再通过主控制器的A/D口输入主控制器，作为故障判断的输入数据。
本发明采用的无源接地检测方法包括以下步骤：
1、判断机车工况：
机车主电路存在空载和带载两种工况，检测主电路交流侧接地故障时应该加以区分，本发明利用机车带载运行时可控硅每次导通时会产生电压尖峰的特点，通过对直流母线上的电压进行快速采样，判断是否存在50Hz周期性的电压尖峰，如有，则主电路工作在带载工况，使用带载时的交流报警阀值；如没有，则工作在空载工况，使用空载时的交流报警阀值，报警阀值的确定跟车型等具体情况有关。
2、判断主电路直流接地故障：
对V₁、V₂进行连续快速采样，定义V₀＝V₁+V₂，由主控制器分别算出V₀、以及V₁和V₂各自的平均值当主控制器判断不等式 V 2 &OverBar; < 0.1 V 0 &OverBar; ]]>成立，则判定直流负极“-”发生了接地故障。当主控制器判断不等式 V 2 &OverBar; > 0.9 V 0 &OverBar; ]]>成立，则判定直流正极“+”发生了接地故障。
3、判断主电路交流侧接地故障：
对于主电路交流侧的接地判断，本发明提出了采用快速傅立叶变换FFT计算出采样电压的相应频率来判断是否存在接地故障的检测方法。利用直流侧接地判断时已采样的电压值V₁、V₂，由主控制器的算法程序对电压值V₁、V₂进行快速傅立叶变换，计算出V₁和V₂的50Hz电压分量。
由于主电路正常工作时为单相桥式整流，整流后直流母线上的电压应为100Hz的馒头波，即采样到主控制器的电压V₁和V₂的主要频率信号为100Hz，其它频率信号的幅值很小。而当主电路交流侧发生接地故障时，主电路相当于有一路晶闸管被短路，则等效电路由单相桥式整流变为单相半波整流，所以采样得到电压V₁和V₂的主要电压分量变为50Hz，两路电压的50Hz分量都存在明显增大，这样可以通过主控制器计算两路采样电压的50Hz电压分量，如果两路电压的50Hz分量都超过报警阀值，则可判断存在主电路交流侧接地故障。
4.报警：
当主控制器判断出有接地故障时，向报警单元发出报警信号，报警单元开始工作，通过控制故障指示灯和机车主断路器，实现故障信号输出。故障信息通过串口通信发送给上位机，建立故障档案。
本发明的有益效果：
本发明提出的无源接地检测方法及装置不需要附加信号注入，可以将控制电路与地隔离开，有效减小控制电路的电磁干扰；不存在检测继电器，能够避免由于震动产生的误报警，检测设备少，检修工作量较小；采用了数字信号处理技术，有效避免了直流电压脉动较大和对地分布电容的影响，解决了主电路接地故障检测较难的问题。该检测方法还可以分辨出接地故障点的大概位置，如交流侧、直流正母线或直流负母线等，可以进一步提高电力机车的电气自动化水平。
附图说明
图1是无源接地检测装置结构框图。
图2是无源接地检测装置的电压采集单元。
图3是无源接地检测方法程序流程图。
图4是实际装车试验中，主电路正常工作时正负母线对地电压波形，波形1为正母线对地电压，波形2为负母线对地电压。
图5是实际装车试验中，主电路直流正母线接地时正负母线对地电压波形，波形1为正母线对地电压，波形2为负母线对地电压。
图6是实际装车试验中，主电路交流侧接地时正负母线对地电压波形，波形1为正母线对地电压，波形2为负母线对地电压。
图7是实际装车试验中，带载工况下测得的一个可控硅导通时产生的电压尖峰波形，示波器设为纵坐标100V/格，横坐标50us/格。
具体实施方式
无源接地检测装置安装在主电路每个牵引绕组整流后的直流侧，通过检测直流正负母线地对地电压来判断接地故障。接口电路即图2所示的电压采集单元，在直流正负母线上接入的检测分压电阻大小相等，实际选取电阻值为R₁＝R₂＝360KΩ，R₁’＝R₂’＝15Ω，阻值可以根据各种车型主电路电压值的变化适当调整，R₁’与R₂’之间接到机车外壳上，即与地连通。主电路正负母线对地电压经过电阻分压后，进入隔离运放，隔离运放使用的是安捷伦公司的7800A，能够电气隔离主电路和系统的控制部分，并将电压信号放大。正负两路电压信号V₁、V₂经过7800A后，通过主控制器的A/D口被采样入主控制器，作为故障判断的输入数据。主控制器使用的是MOTOROLA公司的16位微控制器，型号为MC9S12A64CPV，与之功能相近的微控制器也可以使用。主控制器分别和电压采集单元、报警单元、上位机相连来管理它们的工作，进行实时的故障诊断运算，图3所示为主控制器实现无源接地检测程序算法流程图。
机车主电路存在空载和带载两种工况，在实际检测中发现这两种工况的交流报警阀值区别较大，需要设立不同的报警阀值，这就需要首先判断机车主电路的工况，而通过司机手柄给出的信号判断主电路是工作在空载还是带载状态比较困难，本发明提出利用采样电压的波形来进行判断。主电路带载工作时可控硅需导通开放，而可控硅每次导通时会在直流侧电压上产生一个尖峰，在每个检测循环中先对电压快速采样4个工频周期，即40ms，由主控制器判断是否有周期性尖峰存在，如有，则主电路工作在带载工况，使用带载时的交流报警阀值；如没有，则工作在空载工况，使用空载时的交流报警阀值。
进行主电路直流侧的接地判断，需对V₁、V₂连续采样数个工频周期，实际系统中以1.28K的采样频率采集了256个点的电压值，采样时间共200ms，由主控制器分别算出V₀、以及V₁和V₂各自的平均值其中V₀＝V₁+V₂。当直流正母线发生接地时，由于电阻R₁’和R₁被短路，主电路的母线电压全部加在电阻R₂’和R₂上，即采样回来的电压V₁约等于0，电压V₂约等于V₀；同理，当直流负母线发生接地时，电阻R₂’和R₂被短路，主电路的母线电压全部加在电阻R₁’和R₁上，采样回来的电压V₂约等于0，电压V₁应该约等于V₀。这样当主控制器判断到不等式 V 2 &OverBar; < 0.1 V 0 &OverBar; ]]>成立，则可以判定直流负极“-”发生了接地故障。如果不等式 V 2 &OverBar; > 0.9 V 0 &OverBar; ]]>成立，则可以判定直流正极“+”发生了接地故障。
对于主电路交流侧的接地判断，本发明提出了采用快速傅立叶变换FFT计算出采样电压的相应频率来判断是否存在接地故障的检测方法。利用直流侧接地判断时已采样的256个点的电压值，由主控制器的算法程序对电压值V₁、V₂进行快速傅立叶变换，计算出V₁和V₂的50Hz电压分量。由于主电路正常工作时为单相桥式整流，整流后直流母线上的电压应为100Hz的馒头波，即采样到主控制器的电压V₁和V₂的主要频率信号为100Hz，其它频率的幅值很小。而当主电路交流侧发生接地故障时，主电路相当于有一路晶闸管被短路，等效电路由单相桥式整流变为单相半波整流，所以采样到电压V₁和V₂的主要电压分量变为50Hz。这样可以通过主控制器计算两路采样电压的50Hz电压分量的变化来判断是否存在主电路交流侧接地故障，当两路电压的50Hz分量都超过确定的交流报警阀值时则可判定出现了主电路交流侧的接地故障。
当主控制器判断出有接地故障时，向报警单元发出报警信号，报警单元包括三个故障指示灯，分别指示交流侧、直流正母线和直流负母线的接地故障，正常工作时为绿灯，当有接地故障出现时，相应的故障指示灯变为亮红色，并给出一路110V的报警信号进入机车的逻辑控制单元LCU，用来跳主断，使机车停车。故障信息可以通过串口通信传递给上位机，建立故障档案。
下面结合附图4、图5、图6和图7，给出本发明在电力机车上进行装车试验时的实际测量波形。
图4所示为主电路正常工作时直流侧正负母线对地的电压波形，其中波形1为正母线对地电压，波形2为负母线对地电压。可以看出是单相桥式整流出来的100Hz馒头波，由于存在母线对地分布电容的影响，正负母线对地电压波形并不十分对称。
图5所示为直流正母线接地时正负母线对地电压波形，波形1为正母线对地电压，波形2为负母线对地电压。可以明显的看到正母线电压已经基本为0，按本发明提出的判断直流侧接地故障的标准，可以准确地进行报警。
图6所示为交流侧接地时正负母线对地电压波形，波形1为正母线对地电压，波形2为负母线对地电压。可以明显的看到电压波形频率由原来的100Hz变为以50Hz为主，应用本发明提出的判断交流侧接地故障的标准和方法，可以准确地进行报警。
图7所示为带载工况下测得的一个可控硅导通时产生的电压尖峰波形，可以看出电压尖峰上升幅度约为100V，上升时间约为100us。在试验中以40us的采样周期采1000个点的电压值，可以准确地分辨出带载时的周期性电压尖峰，判断带载和空载工况非常可靠。
在整个装车试验中，将所有可能的接地故障点都进行了接地试验，无误报错报现象发生，报警可靠。