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HXD2型機(jī)車高壓絕緣檢測(cè)回路優(yōu)化及改造 |
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| 發(fā)布者： 發(fā)布時(shí)間：2025-2-5 閱讀：90次 |
中車大同電力機(jī)車有限公司的朱鉀、于保華在2024年第8期《電氣技術(shù)》上撰文。通過(guò)分析HXD2型機(jī)車高壓絕緣檢測(cè)裝置的系統(tǒng)組成、工作原理，指出高壓絕緣檢測(cè)裝置存在的問(wèn)題。為了有效延長(zhǎng)高壓絕緣檢測(cè)裝置的使用壽命、提高機(jī)車運(yùn)用率，本文提出HXD2六軸機(jī)車高壓絕緣檢測(cè)回路優(yōu)化方案。
高壓絕緣檢測(cè)裝置屬于機(jī)車車載安全防護(hù)系統(tǒng)（6A系統(tǒng)）的重要組成部分，滿足TJ/JW 001D—2018標(biāo)準(zhǔn)要求。司乘人員行車前須進(jìn)行車頂高壓絕緣檢測(cè)，由于車頂高壓設(shè)備長(zhǎng)期暴露在車體外，受機(jī)車運(yùn)行環(huán)境、線路等因素影響，若車頂高壓設(shè)備受損，高壓絕緣檢測(cè)裝置未能準(zhǔn)確檢測(cè)到車頂絕緣狀態(tài)，此時(shí)司機(jī)一旦升起受電弓，就會(huì)造成機(jī)車車頂設(shè)備、接觸網(wǎng)等燒損，致使供電區(qū)其余機(jī)車無(wú)法正常運(yùn)行，進(jìn)而導(dǎo)致線路癱瘓，嚴(yán)重影響機(jī)車運(yùn)行安全。
目前，國(guó)外電力機(jī)車均未安裝車頂高壓設(shè)備絕緣性能檢測(cè)裝置，而國(guó)內(nèi)機(jī)車的高壓絕緣檢測(cè)裝置基于電壓互感器工作原理，只能判斷機(jī)車絕緣裝置是否良好，不能給出具體絕緣電阻值，主要用于受電弓、絕緣子、高壓電壓互感器等設(shè)備絕緣等級(jí)的檢測(cè)。在機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中，接觸網(wǎng)電壓異常等原因會(huì)影響高壓絕緣檢測(cè)裝置的正常工作，在日常檢修維護(hù)中，該裝置最容易出現(xiàn)問(wèn)題，影響機(jī)車的運(yùn)行安全。高壓絕緣檢測(cè)裝置用于檢測(cè)電力機(jī)車車頂高壓設(shè)備（受電弓、高壓互感器一次側(cè)、主斷路器前端、接地開(kāi)關(guān)前端等）的絕緣狀態(tài)，并將檢測(cè)結(jié)果傳送到6A顯示屏顯示。如果檢測(cè)結(jié)果達(dá)到報(bào)警值，該裝置就會(huì)以蜂鳴器報(bào)警、指示燈亮等方式對(duì)司乘人員進(jìn)行提示。高壓絕緣檢測(cè)裝置的功率模塊將110V直流電源逆變?yōu)?0Hz的交流檢測(cè)信號(hào)，施加在高壓電壓互感器的二次線圈上，通過(guò)該互感器進(jìn)行升壓。對(duì)機(jī)車車頂高壓回路施加檢測(cè)電壓，其內(nèi)部CPU通過(guò)電壓、電流傳感器采集到的實(shí)時(shí)信號(hào)控制功率模塊，使其輸出功率保持恒定。機(jī)車車頂高壓設(shè)備的絕緣狀態(tài)惡化后，車頂高壓回路漏電流增大，互感器二次側(cè)的輸出電流也趨于增大，為保持功率恒定，一、二次電壓受控減小。機(jī)車上電后，取下車上藍(lán)鑰匙插入高壓絕緣檢測(cè)裝置面板鑰匙孔，打開(kāi)電源，高壓絕緣檢測(cè)裝置進(jìn)行自檢，自檢指示燈閃爍，并顯示正在自檢，約10s后自檢完成。若裝置功能正常，此時(shí)一次側(cè)電路無(wú)電且沒(méi)有電鑰匙信號(hào)輸入，自檢成功，之后方可進(jìn)行車頂絕緣檢測(cè)。此時(shí)，司機(jī)按下檢測(cè)按鈕后，通過(guò)監(jiān)測(cè)電壓、電流信號(hào)即可掌握當(dāng)前車頂高壓回路的絕緣狀態(tài)。絕緣檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)控制器局域網(wǎng)（controller area network, CAN）總線被實(shí)時(shí)傳至6A系統(tǒng)中央處理平臺(tái)，由中央處理平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，以便后續(xù)使用。高壓絕緣檢測(cè)裝置原理框圖。目前，高壓絕緣檢測(cè)裝置存在以下幾個(gè)問(wèn)題：1）當(dāng)電鑰匙開(kāi)啟、外網(wǎng)有電（8kV以上）時(shí)，高壓絕緣檢測(cè)裝置處于報(bào)警狀態(tài)，系統(tǒng)自我保護(hù)，蜂鳴器報(bào)警，不能進(jìn)行絕緣檢側(cè)。2）當(dāng)車頂高壓設(shè)備（受電弓、高壓電壓互感器、主斷路器前端、接地開(kāi)關(guān)前端等）存在開(kāi)路情況時(shí)，高壓絕緣檢測(cè)裝置不會(huì)報(bào)警，絕緣檢測(cè)顯示正常，此時(shí)無(wú)法利用高壓絕緣檢測(cè)裝置進(jìn)行車頂絕緣性能檢測(cè)，但司機(jī)室的網(wǎng)壓表無(wú)感應(yīng)網(wǎng)壓。3）當(dāng)車頂存在異物時(shí)，高壓絕緣檢測(cè)裝置不能準(zhǔn)確判斷出車頂絕緣狀態(tài)，存在絕緣檢測(cè)正常，但機(jī)車升弓后，接觸網(wǎng)放電的情況，車頂高壓設(shè)備的絕緣性能低于該裝置絕緣檢測(cè)臨界值后才會(huì)報(bào)警。因此，高壓絕緣檢測(cè)裝置存在較大的局限性，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)車頂高壓設(shè)備絕緣狀態(tài)的全面檢測(cè)。2023年，某機(jī)車在運(yùn)行途中由于高壓絕緣檢測(cè)裝置內(nèi)部的電路板電容擊穿，導(dǎo)致機(jī)車網(wǎng)壓信號(hào)丟失，機(jī)車降弓，造成機(jī)破，對(duì)機(jī)車運(yùn)行造成較大影響。該機(jī)車高壓絕緣檢測(cè)裝置為2014年前所生產(chǎn)的產(chǎn)品，其內(nèi)部電路示意圖。結(jié)合機(jī)車運(yùn)用情況，對(duì)該高壓絕緣檢測(cè)裝置內(nèi)部電路進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后電路示意圖如圖3所示。優(yōu)化后，高壓絕緣箱在非開(kāi)機(jī)狀態(tài)時(shí)由繼電器觸點(diǎn)斷開(kāi)絕緣箱與“外網(wǎng)有電檢測(cè)”電路器件的電氣連接，減少非工作狀態(tài)時(shí)電子器件帶電引起的壽命衰減，提高電路穩(wěn)定性，同時(shí)增加二極管VD91，對(duì)新增繼電器線圈進(jìn)行保護(hù)。但是，在機(jī)車運(yùn)行中，該裝置依然直接連接在高壓電壓互感器二次側(cè)，尤其在機(jī)車過(guò)分相后，主斷路器閉合瞬間，網(wǎng)壓檢測(cè)回路存在較大電流或網(wǎng)壓畸變，導(dǎo)致該裝置擊穿，造成故障。2.1 六軸機(jī)車網(wǎng)壓檢測(cè)回路HXD2系列機(jī)車高壓絕緣檢測(cè)裝置均在高壓電壓互感器二次側(cè)之后，無(wú)法對(duì)車頂避雷器、接地開(kāi)關(guān)后端、穿墻母線電纜、各支撐絕緣子、變壓器等高壓部件進(jìn)行絕緣檢測(cè)。針對(duì)HXD2系列機(jī)車高壓絕緣檢測(cè)電路進(jìn)行梳理，其中HXD2B、HXD2C機(jī)車只有一個(gè)高壓電壓互感器，以HXD2C機(jī)車為例，HXD2C機(jī)車的高壓絕緣檢測(cè)回路示意圖。該機(jī)車在2010年開(kāi)始招標(biāo)，6A系統(tǒng)于2014年開(kāi)始加裝，在該機(jī)車原始設(shè)計(jì)中，QA-TF1PP選型為3A單極斷路器。該機(jī)車的網(wǎng)壓檢測(cè)回路為高壓電壓互感器二次側(cè)串聯(lián)一個(gè)電壓互感器斷路器（QA-TF1PP）后并聯(lián)4組支路，分別將網(wǎng)壓信號(hào)送至高壓絕緣檢測(cè)裝置、電能表、變流柜1、變流柜2。優(yōu)化后的高壓絕緣檢測(cè)裝置內(nèi)部電路仍存在內(nèi)部電路板電容擊穿造成短路的風(fēng)險(xiǎn)，若該裝置故障，機(jī)車QA-TF1PP將自動(dòng)斷開(kāi)，電能表、變流柜1、變流柜2無(wú)法采集到網(wǎng)壓信號(hào)，導(dǎo)致機(jī)車斷主斷路器，故仍存在機(jī)破風(fēng)險(xiǎn)。為避免上述故障的發(fā)生，進(jìn)一步對(duì)HXD2C機(jī)車的高壓絕緣檢測(cè)回路進(jìn)行優(yōu)化，在現(xiàn)有網(wǎng)壓檢測(cè)回路的基礎(chǔ)上，增加并聯(lián)網(wǎng)壓檢測(cè)斷路器CC-6A/1（3A單極斷路器），一路將網(wǎng)壓信號(hào)直接送至高壓絕緣檢測(cè)裝置，另一路將網(wǎng)壓信號(hào)分別送至電能表、變流柜1、變流柜2，將機(jī)車控制用網(wǎng)壓檢測(cè)信號(hào)與6A系統(tǒng)高壓絕緣檢測(cè)裝置用網(wǎng)壓檢測(cè)信號(hào)分離，檢測(cè)回路優(yōu)化后示意圖。根據(jù)TJ/JW 001D—2018要求，高壓絕緣檢測(cè)裝置輸出容量小于300V∙A，額定電壓為DC 110V，所以輸出電流應(yīng)小于2.72A。根據(jù)單極（3級(jí)）斷路器特性：當(dāng)流過(guò)斷路器的電流值小于整定值的1.2倍時(shí)，斷路器不脫扣；當(dāng)電流值為整定值的1.2～12倍時(shí)，斷路器具備延時(shí)熱脫扣保護(hù)；當(dāng)電流值大于整定值12倍以上時(shí)，斷路器具備磁脫扣保護(hù)。故選擇3A單極斷路器可滿足要求，單極（3級(jí)）斷路器特性曲線。
若高壓絕緣檢測(cè)裝置短路，網(wǎng)壓檢測(cè)斷路器CC-6A/1會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)，不影響機(jī)車電能表、變流柜1、變流柜2網(wǎng)壓信號(hào)的使用，機(jī)車可不停車正常運(yùn)行。2.2 八軸機(jī)車網(wǎng)壓檢測(cè)回路三種HXD2型八軸機(jī)車（技術(shù)引進(jìn)HXD2、深度國(guó)產(chǎn)化HXD2、技術(shù)提升HXD2）的網(wǎng)壓檢測(cè)回路相同，根據(jù)網(wǎng)壓檢測(cè)回路原理可知：靜態(tài)工況下，HXD2型八軸機(jī)車A節(jié)高壓電壓互感器將感應(yīng)的網(wǎng)壓信號(hào)通過(guò)內(nèi)重聯(lián)電纜分別送至B節(jié)網(wǎng)壓表、電能表、變流柜1、變流柜2，同理B節(jié)亦如此，因此A節(jié)網(wǎng)壓表顯示B節(jié)高壓電壓互感器的感應(yīng)網(wǎng)壓，B節(jié)網(wǎng)壓表顯示A節(jié)高壓電壓互感器的感應(yīng)網(wǎng)壓。
在正常工況下，八軸機(jī)車運(yùn)行時(shí)升非操縱節(jié)受電弓，非操縱節(jié)受電弓、高壓電壓互感器、主斷路器處于工作狀態(tài)。若高壓絕緣檢測(cè)裝置內(nèi)部電路板電容擊穿造成短路，且高壓絕緣檢測(cè)裝置未與機(jī)車高壓電壓互感器電路進(jìn)行隔離，則非操縱節(jié)高壓電壓互感器無(wú)法檢測(cè)網(wǎng)壓，機(jī)車保護(hù)斷主斷路器。司機(jī)確認(rèn)接觸網(wǎng)正常供電后，可降下非操縱節(jié)受電弓，并將非操縱節(jié)受電弓隔離，對(duì)操縱節(jié)進(jìn)行高壓絕緣檢測(cè)，若操縱節(jié)檢測(cè)正常，可升操縱節(jié)受電弓維持運(yùn)行。此時(shí)，操縱節(jié)受電弓、高壓電壓互感器、主斷路器處于工作狀態(tài)，非操縱節(jié)主斷路器斷開(kāi)，因高壓電壓互感器位于主斷路器前端，故發(fā)生故障的非操縱節(jié)高壓絕緣檢測(cè)裝置此時(shí)不帶電，不影響機(jī)車運(yùn)行，可回段后再進(jìn)行故障排查。由于高壓絕緣檢測(cè)回路存在故障，因此在設(shè)計(jì)八軸機(jī)車的高壓絕緣檢測(cè)電路時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，避免機(jī)車潛在電路的影響，如FXD2B機(jī)車，其優(yōu)化方案與HXD2C機(jī)車類似。HXD2B與HXD2C機(jī)車的高壓絕緣檢測(cè)回路優(yōu)化原理一樣，方案類似。以HXD2C機(jī)車為列，高壓絕緣檢測(cè)回路優(yōu)化方案如下：1）在微機(jī)柜內(nèi)加裝網(wǎng)壓檢測(cè)單極斷路器CC-6A/1（3A）。斷路器安裝于微機(jī)柜柜體中部、行燈插座左側(cè)，如圖8所示。2）將機(jī)車原高壓絕緣檢測(cè)裝置定義為高壓電壓線號(hào)+的線纜，從中央端子排3的28點(diǎn)更改為空點(diǎn)（假設(shè)為M點(diǎn)）。3）新增線纜從QA-TF1PP的1點(diǎn)經(jīng)低壓電器柜連接到微機(jī)柜XP-CC-07的N1。4）新增線纜從微機(jī)柜XS-CC-07的N1到CC-6A/1的2點(diǎn)。5）新增線纜從CC-6A/1的1點(diǎn)到微機(jī)柜XS-CC-07的N2。6）新增線纜從微機(jī)柜XP-CC-07的N2到中央端子排3的M點(diǎn)。通過(guò)步驟3）和步驟4），完成高壓電壓互感器二次側(cè)與CC-6A/1斷路器的連接；通過(guò)步驟5）和步驟6），完成CC-6A/1斷路器與高壓絕緣檢測(cè)裝置的連接。此優(yōu)化方案中機(jī)車高壓絕緣檢測(cè)裝置自帶線長(zhǎng)度滿足要求，故無(wú)需進(jìn)行更換，降低了改造成本。目前，該方案已通過(guò)相關(guān)單位審核，并按照要求在HXD2B、HXD2C機(jī)車上進(jìn)行整改。某和諧機(jī)車在2023年出廠完成類似整改后，上線運(yùn)行至今未出現(xiàn)相關(guān)故障。高壓絕緣檢測(cè)裝置是檢測(cè)機(jī)車車頂絕緣效果的重要裝置，在機(jī)車行車前，司乘人員須確保新增的CC-6A/1斷路器閉合，以便高壓絕緣檢測(cè)裝置正常檢測(cè)。在車頂絕緣檢測(cè)完畢后，可將該斷路器斷開(kāi)，以免在行車過(guò)程中因弓網(wǎng)網(wǎng)壓突變等情況造成高壓絕緣檢測(cè)裝置短路，也可將該斷路器一直閉合，即使高壓絕緣檢測(cè)裝置出現(xiàn)故障，HXD2型六軸機(jī)車電能表、變流柜等設(shè)備依然可以采集到網(wǎng)壓信號(hào)，機(jī)車可正常行駛。同時(shí)，高壓絕緣檢測(cè)異常時(shí)，司乘人員可結(jié)合司機(jī)室機(jī)械網(wǎng)壓表的顯示進(jìn)一步判斷車頂狀態(tài)，從而降低機(jī)車機(jī)破的風(fēng)險(xiǎn)。本文對(duì)高壓絕緣檢測(cè)電路進(jìn)行分析，提出了HXD2系列六軸機(jī)車高壓絕緣檢測(cè)回路的改造方案，可有效延長(zhǎng)機(jī)車高壓絕緣檢測(cè)裝置的使用壽命，提高機(jī)車運(yùn)用率。
本工作成果發(fā)表在2024年第8期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“HXD2型機(jī)車高壓絕緣檢測(cè)回路優(yōu)化及改造”，作者為朱鉀、于保華。 |
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