中車大同電力機車有限公司的朱鉀、于保華在2024年第8期《電氣技術(shù)》上撰文
。通過分析HXD2型機車高壓絕緣檢測裝置的系統(tǒng)組成、工作原理，指出高壓絕緣檢測裝置存在的問題。為了有效延長高壓絕緣檢測裝置的使用壽命、提高機車運用率，本文提出HXD2六軸機車高壓絕緣檢測回路優(yōu)化方案。
高壓絕緣檢測裝置屬于機車車載安全防護系統(tǒng)（6A系統(tǒng)）的重要組成部分，滿足TJ/JW 001D—2018標準要求。司乘人員行車前須進行車頂高壓絕緣檢測，由于車頂高壓設備長期暴露在車體外，受機車運行環(huán)境、線路等因素影響，若車頂高壓設備受損，高壓絕緣檢測裝置未能準確檢測到車頂絕緣狀態(tài)，此時司機一旦升起受電弓，就會造成機車車頂設備
、接觸網(wǎng)等燒損，致使供電區(qū)其余機車無法正常運行，進而導致線路癱瘓，嚴重影響機車運行安全。
目前 ，國外電力機車均未安裝車頂高壓設備絕緣性能檢測裝置，而國內(nèi)機車的高壓絕緣檢測裝置基于電壓互感器工作原理，只能判斷機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備絕緣等級的檢測。在機車運行過程中，接觸網(wǎng)電壓異常等原因會影響高壓絕緣檢測裝置的正常工作，在日常檢修維護中，該裝置最容易出現(xiàn)問題，影響機車的運行安全。1 高壓絕緣檢測裝置 1.1 工作原理 高壓絕緣檢測裝置用于檢測電力機車車頂高壓設備（受電弓 、高壓互感器一次側(cè)、主斷路器前端、接地開關(guān)前端等）的絕緣狀態(tài)，并將檢測結(jié)果傳送到6A顯示屏顯示。如果檢測結(jié)果達到報警值，該裝置就會以蜂鳴器報警、指示燈亮等方式對司乘人員進行提示。高壓絕緣檢測裝置的功率模塊將110V直流電源逆變?yōu)?0Hz的交流檢測信號 ，施加在高壓電壓互感器的二次線圈上，通過該互感器進行升壓。對機車車頂高壓回路施加檢測電壓，其內(nèi)部CPU通過電壓、電流傳感器采集到的實時信號控制功率模塊，使其輸出功率保持恒定。機車車頂高壓設備的絕緣狀態(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。機車上電后 ，取下車上藍鑰匙插入高壓絕緣檢測裝置面板鑰匙孔，打開電源，高壓絕緣檢測裝置進行自檢，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，此時一次側(cè)電路無電且沒有電鑰匙信號輸入，自檢成功，之后方可進行車頂絕緣檢測。此時，司機按下檢測按鈕后，通過監(jiān)測電壓、電流信號即可掌握當前車頂高壓回路的絕緣狀態(tài)。絕緣檢測數(shù)據(jù)通過控制器局域網(wǎng)（controller area network, CAN）總線被實時傳至6A系統(tǒng)中央處理平臺 ，由中央處理平臺對數(shù)據(jù)進行保存，以便后續(xù)使用。高壓絕緣檢測裝置原理框圖。1.2 檢測缺陷 目前 ，高壓絕緣檢測裝置存在以下幾個問題：1）當電鑰匙開啟、外網(wǎng)有電（8kV以上）時 ，高壓絕緣檢測裝置處于報警狀態(tài)，系統(tǒng)自我保護，蜂鳴器報警，不能進行絕緣檢側(cè)。2）當車頂高壓設備（受電弓 、高壓電壓互感器、主斷路器前端、接地開關(guān)前端等）存在開路情況時，高壓絕緣檢測裝置不會報警，絕緣檢測顯示正常，此時無法利用高壓絕緣檢測裝置進行車頂絕緣性能檢測，但司機室的網(wǎng)壓表無感應網(wǎng)壓。3）當車頂存在異物時，高壓絕緣檢測裝置不能準確判斷出車頂絕緣狀態(tài)，存在絕緣檢測正常 ，但機車升弓后，接觸網(wǎng)放電的情況，車頂高壓設備的絕緣性能低于該裝置絕緣檢測臨界值后才會報警。因此，高壓絕緣檢測裝置存在較大的局限性 ，無法實現(xiàn)對車頂高壓設備絕緣狀態(tài)的全面檢測。1.3 電路優(yōu)化 2023年 ，某機車在運行途中由于高壓絕緣檢測裝置內(nèi)部的電路板電容擊穿，導致機車網(wǎng)壓信號丟失，機車降弓，造成機破，對機車運行造成較大影響。該機車高壓絕緣檢測裝置為2014年前所生產(chǎn)的產(chǎn)品，其內(nèi)部電路示意圖。結(jié)合機車運用情況 ，對該高壓絕緣檢測裝置內(nèi)部電路進行優(yōu)化，優(yōu)化后電路示意圖如圖3所示。優(yōu)化后，高壓絕緣箱在非開機狀態(tài)時由繼電器觸點斷開絕緣箱與“外網(wǎng)有電檢測”電路器件的電氣連接，減少非工作狀態(tài)時電子器件帶電引起的壽命衰減，提高電路穩(wěn)定性，同時增加二極管VD91，對新增繼電器線圈進行保護。但是，在機車運行中，該裝置依然直接連接在高壓電壓互感器二次側(cè)，尤其在機車過分相后，主斷路器閉合瞬間，網(wǎng)壓檢測回路存在較大電流或網(wǎng)壓畸變，導致該裝置擊穿，造成故障。 2 高壓絕緣檢測回路優(yōu)化 2.1 六軸機車網(wǎng)壓檢測回路 HXD2系列機車高壓絕緣檢測裝置均在高壓電壓互感器二次側(cè)之后，無法對車頂避雷器、接地開關(guān)后端、穿墻母線電纜、各支撐絕緣子、變壓器等高壓部件進行絕緣檢測。 針對HXD2系列機車高壓絕緣檢測電路進行梳理 ，其中HXD2B、HXD2C機車只有一個高壓電壓互感器，以HXD2C機車為例，HXD2C機車的高壓絕緣檢測回路示意圖。該機車在2010年開始招標，6A系統(tǒng)于2014年開始加裝，在該機車原始設計中，QA-TF1PP選型為3A單極斷路器。該機車的網(wǎng)壓檢測回路為高壓電壓互感器二次側(cè)串聯(lián)一個電壓互感器斷路器（QA-TF1PP）后并聯(lián)4組支路，分別將網(wǎng)壓信號送至高壓絕緣檢測裝置、電能表、變流柜1、變流柜2。 優(yōu)化后的高壓絕緣檢測裝置內(nèi)部電路仍存在內(nèi)部電路板電容擊穿造成短路的風險，若該裝置故障，機車QA-TF1PP將自動斷開，電能表、變流柜1、變流柜2無法采集到網(wǎng)壓信號，導致機車斷主斷路器，故仍存在機破風險。 為避免上述故障的發(fā)生，進一步對HXD2C機車的高壓絕緣檢測回路進行優(yōu)化，在現(xiàn)有網(wǎng)壓檢測回路的基礎上 ，增加并聯(lián)網(wǎng)壓檢測斷路器CC-6A/1（3A單極斷路器），一路將網(wǎng)壓信號直接送至高壓絕緣檢測裝置，另一路將網(wǎng)壓信號分別送至電能表、變流柜1、變流柜2，將機車控制用網(wǎng)壓檢測信號與6A系統(tǒng)高壓絕緣檢測裝置用網(wǎng)壓檢測信號分離，檢測回路優(yōu)化后示意圖。根據(jù)TJ/JW 001D—2018要求 ，高壓絕緣檢測裝置輸出容量小于300V∙A，額定電壓為DC 110V，所以輸出電流應小于2.72A。根據(jù)單極（3級）斷路器特性：當流過斷路器的電流值小于整定值的1.2倍時，斷路器不脫扣；當電流值為整定值的1.2～12倍時，斷路器具備延時熱脫扣保護；當電流值大于整定值12倍以上時，斷路器具備磁脫扣保護。故選擇3A單極斷路器可滿足要求，單極（3級）斷路器特性曲線。若高壓絕緣檢測裝置短路，網(wǎng)壓檢測斷路器CC-6A/1會自動斷開，不影響機車電能表、變流柜1、變流柜2網(wǎng)壓信號的使用，機車可不停車正常運行 。2.2 八軸機車網(wǎng)壓檢測回路 三種HXD2型八軸機車（技術(shù)引進HXD2 、深度國產(chǎn)化HXD2、技術(shù)提升HXD2）的網(wǎng)壓檢測回路相同，根據(jù)網(wǎng)壓檢測回路原理可知：靜態(tài)工況下，HXD2型八軸機車A節(jié)高壓電壓互感器將感應的網(wǎng)壓信號通過內(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網(wǎng)壓。在正常工況下 ，八軸機車運行時升非操縱節(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)。若高壓絕緣檢測裝置內(nèi)部電路板電容擊穿造成短路，且高壓絕緣檢測裝置未與機車高壓電壓互感器電路進行隔離，則非操縱節(jié)高壓電壓互感器無法檢測網(wǎng)壓，機車保護斷主斷路器。司機確認接觸網(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，對操縱節(jié)進行高壓絕緣檢測，若操縱節(jié)檢測正常，可升操縱節(jié)受電弓維持運行。此時，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，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)高壓絕緣檢測裝置此時不帶電，不影響機車運行，可回段后再進行故障排查。由于高壓絕緣檢測回路存在故障 ，因此在設計八軸機車的高壓絕緣檢測電路時進行優(yōu)化，避免機車潛在電路的影響，如FXD2B機車，其優(yōu)化方案與HXD2C機車類似。3 優(yōu)化方案 HXD2B與HXD2C機車的高壓絕緣檢測回路優(yōu)化原理一樣 ，方案類似。以HXD2C機車為列，高壓絕緣檢測回路優(yōu)化方案如下：1）在微機柜內(nèi)加裝網(wǎng)壓檢測單極斷路器CC-6A/1（3A）。斷路器安裝于微機柜柜體中部 、行燈插座左側(cè)，如圖8所示。2）將機車原高壓絕緣檢測裝置定義為高壓電壓線號+的線纜，從中央端子排3的28點更改為空點（假設為M點） 。3）新增線纜從QA-TF1PP的1點經(jīng)低壓電器柜連接到微機柜XP-CC-07的N1 。4）新增線纜從微機柜XS-CC-07的N1到CC-6A/1的2點 。5）新增線纜從CC-6A/1的1點到微機柜XS-CC-07的N2。 6）新增線纜從微機柜XP-CC-07的N2到中央端子排3的M點 。通過步驟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；通過步驟5）和步驟6），完成CC-6A/1斷路器與高壓絕緣檢測裝置的連接。此優(yōu)化方案中機車高壓絕緣檢測裝置自帶線長度滿足要求，故無需進行更換，降低了改造成本。目前 ，該方案已通過相關(guān)單位審核，并按照要求在HXD2B、HXD2C機車上進行整改。某和諧機車在2023年出廠完成類似整改后，上線運行至今未出現(xiàn)相關(guān)故障。4 結(jié)論 高壓絕緣檢測裝置是檢測機車車頂絕緣效果的重要裝置 ，在機車行車前，司乘人員須確保新增的CC-6A/1斷路器閉合，以便高壓絕緣檢測裝置正常檢測。在車頂絕緣檢測完畢后，可將該斷路器斷開，以免在行車過程中因弓網(wǎng)網(wǎng)壓突變等情況造成高壓絕緣檢測裝置短路，也可將該斷路器一直閉合，即使高壓絕緣檢測裝置出現(xiàn)故障，HXD2型六軸機車電能表、變流柜等設備依然可以采集到網(wǎng)壓信號，機車可正常行駛。同時，高壓絕緣檢測異常時，司乘人員可結(jié)合司機室機械網(wǎng)壓表的顯示進一步判斷車頂狀態(tài)，從而降低機車機破的風險。 本文對高壓絕緣檢測電路進行分析，提出了HXD2系列六軸機車高壓絕緣檢測回路的改造方案 ，可有效延長機車高壓絕緣檢測裝置的使用壽命，提高機車運用率。本工作成果發(fā)表在2024年第8期《電氣技術(shù)》，論文標題為“HXD2型機車高壓絕緣檢測回路優(yōu)化及改造”
，作者為朱鉀、于保華。
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