电力机车控制电源监测及故障提示系统的设计

江国栋，章跃进

（1.南京工业职业技术学院 能源与电气工程学院，江苏 南京210046；2.上海机务段 上海200070）

电力机车控制电源监测及故障提示系统的设计

江国栋1，章跃进2

（1.南京工业职业技术学院 能源与电气工程学院，江苏 南京210046；2.上海机务段 上海200070）

针对电力机车控制电源故障造成机车机破途停的现状，设计了控制电源监测及故障提示系统。采用数字信号处理方式设计的系统，实现了对机车控制电源、蓄电池和自动开关工作状态在线监测，经过数据分析处理找出控制电源存在的隐性故障或性能缺陷，及时采取应急措施消除故障隐患，防止机车机破途停事故发生。系统通过34台SS8型机车安装运行，机车控制电源故障频率大幅降低，改善了机车控制电源工况，提高了机车运行的可靠性。

控制电源；蓄电池；终端；电力机车

现代高速铁路和重载铁路牵引动力的主力或者其发展方向是电力牵引，即电力机车。我国代表车型有韶山SS8、SS7D、SS9型号的电力机车。控制系统是现代电力机车的神经中枢系统，是电力机车安全可靠运行的技术保证，而控制电源则是这一神经中枢的动力和能源的保证。对机车而言，控制电源的故障，则可能会使机车所有电气系统全部瘫痪，造成机破途停的严重故障。所以，控制电源是机车上最重要的装置之一。

电力机车控制电源应用开关电源技术，其框架结构是从主变压器辅助绕组或专用绕组引入交流电源，经全桥DC-DC变换器整流、蓄电池和平波电抗滤波器后，输出110 VDC± 5%，静态电压脉动有效值＜5 V，限流50 A±10%[1]。该电源虽经不断改进，由于原理性的问题，存在以下缺点：

1）由于采用硬开关方式带流开断，损耗大，发热并易烧自动开关触点。

2）主电路中di/dt、du/dt很大（分别可达8 A/ns、7 V/ns），在寄生参数激励下，容易产生强电磁干扰。

3）充放电监测与保护不完善，造成蓄电池过度亏电。

由于机车设计已定型，要彻底解决这一问题已经不可能。通过对设备故障现象的深入分析，采取技术改进措施，并在工程应用中加以完善，这是提高机车设备运行质量的有效途径。本文涉及的电力机车控制电源监测及故障提示系统，比较有效地解决了上述技术问题，通过在线监测及时发现机车控制电源系统故障隐患，将机车机破途停的事故消灭在萌芽之中。

1 系统设计方案

电力机车控制电源监测及故障提示系统主要由状态采集终端和状态显示终端两部分组成，其结构框图如图1所示。系统采用智能化的在线监测手段，对使用者无技术能力要求和使用限制，具有对机车控制电源的运行状态进行在线实时监测和显示。当发生110VDC电源异常、蓄电池回路开路、蓄电池充电回路故障和自动开关50QA故障时，给出报警提示信号，以便机车乘务员及时处理而不至于故障扩大[2-5]。系统采用电源电气隔离设计、被监测信号高阻接入方式，其本身发生故障时不会干扰机车牵引控制电路正常工作；系统的485总线[6-8]端口采用四级抗干扰措施来抑制机车强电磁产生的浪涌干扰，保证在强电磁环境下终端之间的正常通信。

系统主要电气性能指标

1）控制电源：110 VDC±5%。

2）蓄电池测试点，≤105VDC±1%时，故障提示指示灯闪烁。

3）自动开关50QA测试点，≥1.6 VDC±1%时，故障提示指示灯闪烁。

4）显示方式：三位LED数码管，显示误差：±1 VDC。

5）485总线速率：19.2 kbps。

图1 系统结构框图

2 终端电路及485总线抗干扰设计

状态采集终端主要功能是状态数据在线实时采集、分析与处理，并通过485总线送至状态显示终端；状态显示终端显示系统状态数据及报警信息。

2.1 状态采集终端

图2为控制电源结构框图，图中XDC为蓄电池。状态采集终端控制器采集电池正端96 V+到110 V-端之间电压值，当其数值小于105 VDC时，说明控制电源或蓄电池发生故障；采集控制电源96 V-到110 V-端之间的电压值，即XDC的负端，通过测量自动开关50QA的触点电压值来计算其接触电阻值，当其数值大于1.6 VDC时，说明自动开关50QA出现接触不良现象。

图2 控制电源结构框图

图1可知，状态采集终端电路主要由单片机控制器（MCU）、电压采集模块、485驱动模块和开关稳压电源组成。

2.1.1 状态电压采集电路

图3为110VDC/蓄电池电压采集电路，其功能是采集110VDC电源电压与蓄电池两端的状态电压值。由于系统工作在机车强电磁干扰环境下，电路中增加系列保护与抗干扰措施，其中，二极管D5反极性保护、可恢复保险丝FU5过流保护、稳压管ZD5过压保护；其次，根据铁道行业现有机车设备附加电子监测设备电气规范要求规定，电子监测设备本身发生故障时，不能干扰或影响机车电气电路系统的正常工作，通用要求是电源部分需要电气隔离设计、监测信号需高阻接入。此电路R17（150K）、R18分压采用高阻接入方式。

图3 110VDC/蓄电池电压采集电路

2.1.2 STC12C5204AD单片机

单片机选用STC公司STC12C5204AD芯片[9-11]，其内置8路8位AD变换器（ADC）。ADC配置一个逐次比较型AD变换器，具有速度快、功耗低的特点。图4为单片机电路，其主要功能是状态数据采集、分析处理，并将处理结果通过485总线送至状态显示终端。结合图3采集信号输入分压电路，ADC数据分辨率Res为：

分辨率0.605值可以满足105VDC±1%的测量精度要求。

图4 单片机电路

2.1.3 电源电路

电源电路由开关稳压电路与集成稳压电路两组成，通过二次稳压方法来进一步抑制5 V电源中的纹波噪声；其次，提高次级输出电压可减小初次级电压比，增加次级绕组匝数，增强次级线圈匝数间磁耦合强度，减小变压器漏感，可降低开关电源热损耗，提高电源转换效率，也有利于抑制纹波噪声，电源电路如图5所示。开关稳压电路采用反激式拓扑结构模式，通过开关变压器TR1与光耦合器U8实现了初次级电气隔离；选用TOP222单片开关电源芯片，芯片集成度高，所用外围元减少，简化电路设计，有利于提高电路可靠性。

2.2 状态显示终端

由图1可知，状态显示终端电路的MCU通过485总线与状态采集模块进行通信，收到状态采集终端的电压数据和报警信号后，由LED显示与报警提示模块显示蓄电池电压值；如送报警信号，LED灯闪烁。

2.3 485总线抗干扰设计

在电力机车牵行工作时，会产生强大电磁干扰，在电子设备或电子组件上感应产生很高的浪涌电压（共模电压），虽然RS485接口采用差分传输方式，具有一定的抗共模干扰的能力，但在机车现场环境中，是很容易超过其所能承受的极限值，有时甚至会烧毁芯片或电子组件。如采用单个保护元件组件无法满足要求，需要将几种保护电路组合起来，构成多级保护电路，把机车侵入的浪涌暂态电压逐级限制在一个很低的电平；同时，通过聚合物自恢复保险丝（PPTC）对接口进行过流保护。这样，利用各级保护元件的配合，将幅值很高浪涌暂态电压电流限制在可以耐受的低电压值，从而实现了对485通信接口保护。采用四级保护电路元件依次为气体放电管TU1（GDT）、FU1（PPTC）、瞬态电压抑制器ZD3（TVS）、齐纳二极管ZD1～ZD2；同时，采用高频开关管串联齐纳二极管的方法来减小保护元件的寄生电容，提高信号传输速率[12-15]。RS485总线接口电路如图6所示。

图5 电源电路

图6 RS485总线接口电路

3 系统软件设计

控制电源监测及故障提示系统由状态采集终端与状态显示终端组成，由各自独立单片机控制，并通过RS485总线进行相互之间通信[16]。由于RS485总线采用主从方式进行通信，状态采集终端的单片机定义为主机，状态显示终端的单片机定义为从机。系统软件由状态采集终端控制程序和状态显示终端控制程序组成。状态采集终端程序流程如图7（a）所示。状态显示终端程序流程如图7（b）所示。

图7 软件设计流程图

4 系统实际应用

上海机务段在韶山SS8型机车上安装机车控制电源监测及故障提示系统34台。在机车中安装使用两年来，采用数字方式设计的系统[17]，具有抗干扰能力强，数据通信准确可靠，故障率极低和安装方便的特点。系统对控制电源在线状态检测，及时发现了控制电源、蓄电池和自动开关存在隐性故障或性能缺陷，通过技术人员维修或更换不良器件[18]，消除了故障隐患，大大改善了机车控制电源工况，提高了机车运行的可靠性。

5 结束语

经过长时间实际应用，验证了机车控制电源监测及故障提示系统很好地弥补了机车控制电源设计上的缺陷，有效地降低了机车机破途停事故发生概率，提高了机车运行可靠性。此方案同样也适用于韶山系列其它型号的电力机车，如SS7D型电力机车、SS9型电力机车等，有广泛地推广应用价值。

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Design of monitoring and failure alarm system for control power in electric locomotive

JIANG Guo-dong1，ZHANG Yue-jin2
（1.Department of Energy and Electrical Engineering，Nanjing Institute of Industry and Technology，Nanjing 210046，China；2.Shanghai Locomotive Depot，Shanghai 200070，China）

A monitoring and failure alarm system is designed to solve the problem of emergent stop when appearing failure of control power.The on-line supervision of working condition for control power，storage cells and automatic switches is achieved by the way of digital signal processing.The potential drawbacks or performance defects can be located through data analysis，then，the corresponding measures are taken to eliminate the failure and to avoid emergent stop.Testing by 34 of SS8 electric locomotive，the failure frequency of control power is significantly reduced and the working condition of control power is improved，which leads to the increase of operation reliability.

control power；storage cell；terminal；electric locomotive

TN99

A

1674-6236（2016）24-0183-04

2015-12-24 稿件编号：201512252

江苏省教育厅预研资助项目（ZK12-04-02）

江国栋（1962—），男，浙江余姚人，副教授。研究方向：电源及工业控制。