东风型内燃机车辅助回路保护装置存在问题分析及技术改进

刘玉高 上海铁路局合肥机务段

1 引言

东风型内燃机车为了防止因电压调整器失控等原因引起启动发电机过压、辅助和控制电路电压超高，造成辅助回路和控制回路中的电机、电器损坏和蓄电池充电电流超高，均设置了辅助回路过压、过流保护电路。该保护电路采用电阻测流、测压方式来监测机车辅助发电、充电回路的保护条件，并且由测流、测压电阻驱动继电器的方式来实现机车辅助发电过压、过流的保护，但原设计存在如下弊端：

（1）由于蓄电池状态的差别，造成保护值得不到准确调整，电压保护值和电流保护值的确定只是一个模糊量。

（2）由于设计中执行机构由继电器实现，动作值由继电器弹簧的压缩量来确定，整定值的精度较差。

（3）由于设计中使用同一电阻来获得保护电流和保护电压2个参数，并由取样电阻实施继电器电源供给，无法客观反映过压和过流状态。

2 目前过流、过压继电器使用现状分析

2.1 过流继电器FLJ

FLJ主要装在东风4B、东风12和东风7C型内燃机车上，是一种电磁继电器，如图1所示。其驱动装置由铁芯、磁轭、衔铁、复原弹簧以及套在铁芯上的线圈组成，线圈与一个可调电阻Rgy串联后与蓄电池充电电阻Rc并联，然后串联在蓄电池充电回路中。在蓄电池状态正常情况下，当辅助发电机电压因故上升至127V左右时，充电电流可达100A，充电电阻Rc两端电压可达12.2V，这时流过FLJ线圈电流达到0.5A，FLJ动作，使机车转入固定发电工况。显然，FLJ能够防止正常情况下因辅助发电机电压过高所造成的蓄电池充电电流过大以及蓄电池亏电或某些单节短路所造成的蓄电池充电电流过大，但是FLJ本身及其对辅助发电机供电回路的保护存在着如下缺陷。

（1）在蓄电池充放电的过程中，FLJ线圈中一直都有电流流过，那么它对衔铁一直都有电磁力存在（只是在正常情况下，这个电磁力没有达到克服复原弹簧的阻力而使FLJ动作而已），因而复原弹簧在长期使用后会出现材质疲劳而弹力减弱的情况，这样FLJ动作值就会变小，易误动作。

（2）即使在同样的辅助发电机电压下，由于蓄电池状态的差别，其充电电流也是不同的，因而设定的FLJ动作值只能是一个模糊量，故其保护精度不够。

（3）当蓄电池充电回路出现断路或由于其它原因造成回路电阻过大，这时即使辅助发电机电压大于127V，流过FLJ线圈的电流也不会达到其动作值，FLJ也就不可能动作，当然也就起不到保护作用。过高电压会造成辅助发电机供电回路电器烧损甚至会带来更大经济损失。

2.2 过压继电器GYJ

GYJ主要装在东风4C、4D、4DD和东风5型内燃机车上，如图2所示。

图1 过流继电器FLJ接线图

图2 过压继电器GYJ接线图

它是一个电子器件继电器，辅助发电机电压是GYJ的输入信号，当辅助发电机电压超过127V时，GYJ动作，使机车转入固定发电工况。显然采用GYJ比采用FLJ能更好地限制辅助发电机过电压，可靠性也更高。但是，当机车蓄电池出现亏电或短路，即使辅助发电机电压达不到GYJ的动作值也可能会造成蓄电池充电电流超过100A，大电流会迅速使蓄电池或短路点发热，造成蓄电池爆裂、火灾等严重后果。

3 方案的制定与实施

3.1 方案的提出

针对上述设计存在的弊端及现场应用中存在的困难，为了更好更全面地实现对机车辅助发电机供电回路的保护功能，通过查阅资料以及结合现场实际，提出采用一个集FLJ和GYJ功能和优点与一体的装置“GLYJ”，即"过流过压继电器"，来同时满足上述两个元器件的功用。该装置具有如下特点：

（1）工作电源采用稳压电路，将机车110V电源调整为低电压提供给装置。

（2）比较电路分为电流和电压比较双路，分别设定合理的辅助发电机电压和蓄电池充电电流，当电压或电流数值超出规定时产生驱动信号，由功率器件驱动GFC动作，机车由辅助发电状态改变为固定发电状态，起到保护作用。

（3）对该装置使用电子器件进行集成化、模块化设计，具有更高的可靠性、更小的体积。

3.2 电路原理框图

装置由电源、电压取样比较、电流取样比较及驱动执行机构组成。原理框图如图3所示：

图3 辅助发电机供电回路过流过压继电器器原理框图

3.3 电路工作原理

电路主要由分立元件和集成电路组成。由于整个系统功耗较低，同时考虑到装置制作的小型化，在试验中将原设计的开关电源电路由稳压管电路来实现；考虑到控制器与机车电线路的隔离作用和驱动电路的稳定性，最终驱动由继电器来实现。

3.3.1 过流过压继电器接线图如图4所示

图4 过流过压继电器接线示意图

3.3.2 过流过压继电器控制电路图如图5所示

图5 内燃机车辅助回路过压过流控制器电路图

3.3.3 具体工作原理

（1）反馈电压经D1、R0、C1滤波后，一支路经过稳压电路（由 R1、R2、D4、C2组成）产生+15V 的电源，供 U2使用，再经R3、U1产生2.5V的基准电压，该基准电压再经过放大电路（由 R4、U2C、R5、R6、R7组成）放大 2倍至 5.00V 的基准电压，简称5V基准。5V基准加在U2A-2脚及U2D-13脚上，分别作为过压保护和过流保护的比较基准。

（2）反馈电压经 D1、R0、C1 滤波后，另一支路经 R9、R10分压加在比较器的同相端U2A-3。当反馈电压高于125V时，U2A-3大于10V,输出端 U2A-1大于10V，此电压经D2、R11再加到U2A-3，使得输出端U2A-1的电压始终被锁定为大于10V，直到撤掉工作电源才能恢复。因此，过压动作后要恢复为自动发电工况，必须断开5K，再重合5K。

（3）过流保护利用U2B、R31～R40组成的差动放大器完成信号处理，此信号经R41加到U2D-12端。当充电电流达到90A时，输出端U2D-14大于10V，此电压经D33、R43再加到U2D-12，使得输出端U2D-14的电压始终被锁定为大于10V，直到撤掉工作电源才能恢复。因此，过流动作后要恢复为自动发电工况，必须断开5K，再重合5K。

（4）U2A 与U2D输出电压经或门电路（由D91、D92、R12、R122组成）来驱动场效应管Q1，并最终决定继电器K1的动作。

3.3.4 过流过压继电器设计应用实物图如图6所示

图6 GLYJ过流过压继电器设计应用实物图

3.4 应用效果

GLYJ于2009年11月在我段DF4C-5190、5191等五台内燃机车上安装使用，根据检修人员和运用乘务员反应，GLYJ性能可靠、稳定，无一起误动作现象发生，大大提高了机车运行的安全性、可靠性，消除了安全、质量隐患。同时，也减少了相关检修人员工作量，试验取得了圆满成功，达到了预期目标。

4 结束语

GLYJ---过流过压继电器的成功研制与应用，使我段东风型内燃机车辅助发电机供电回路的保护更加全面，有力地确保了运输生产安全，具有很好的市场推广及应用前景。