CN101261301A - 机车控制回路的接地检测电路及接地检测法和断线检测法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机车控制回路接地检测电路，包括正母线、负母线、负载电阻及正、负母线对地的绝缘电阻，所述正、负母线与地之间均连接有两条检测支路，一条由已知电阻构成，另一条由已知电阻和切换开关串联构成。同时，还进一步提供了用于上述机车控制回路接地检测电路的接地检测法和断线故障检测法。本发明不仅可以通过检测正负母线对地的绝缘电阻大小判定机车控制回路存在的接地故障，还可以检测到断线的故障，克服了传统方法的不足，对接地故障预先报警，消除接地故障给机车正常运行带来的安全隐患，提高机车的正常使用效率。

Description

机车控制回路的接地检测电路及接地检测法和断线检测法

技术领域

本发明涉及机车控制回路的接地检测和断线检测。

背景技术

机车110V直流电源是机车控制单元、信号通讯系统、继电器保护回路及其他自动装置的工作电源。由于机车运行环境恶劣，110V电气设备或导线的绝缘损坏常常会造成电路的接地故障，虽然单点接地故障对机车的运行不会产生影响，但是若出现两处或两处以上的多点接地故障时，电路可能会产生短路而烧损设备和导线，从而严重影响机车正常运行的安全性和可靠性。因此对机车直流绝缘监测方法的研究显得十分重要。

目前，在机车上应用的控制回路接地保护方法主要有两种：

1.直流机车上的控制回路接地保护方法

直流机车控制回路接地保护原理如图1所示，L+和L-为控制回路的正负极，R_L为控制回路的负载电阻，Q为接地自动开关，R为接地限流电阻，K为接地继电器，控制回路L-极通过Q、R和K的并联电路接地。当L+极接地时，控制回路正负极通过Q短路，因Q的动作电流值很小，所以自动开关Q立即动作断开，控制回路电源直接作用在R_L、R和K上，K吸和动作，并连锁输出接地故障信号到机车控制系统，产生报警信号。R限制短路电流，维持机车带故障运行。目前这种接地保护方式在SS4改、SS4B等直流机车上广泛应用。

这种方法简单，不需要太多的元器件，但这种方法存在明显的缺陷：如果L-负极上某点也发生了接地，这种接地保护方式失效，L+和L-直接短路，导致机车直流控制系统无法工作，严重者可能烧损控制回路上的电气设备。

2.电桥法

用电桥法检测机车控制回路接地故障的原理是：用直流正负极对地绝缘电阻和任意设置的两个电阻组成电桥，其中绝缘电阻是衡量介质绝缘性能好坏的物理量，用于此处，即指正负极对地的绝缘程度，它在数值上等于介质所具有的电阻值。系统正常时，电桥平衡。当控制回路某一点发生接地时，电桥失去平衡，产生报警信号。目前中华之星、奥星、哈车和蓝箭等机车上应用了这种接地保护方法。

这种方法简单，但存在明显的缺陷：

①当正负极绝缘电阻均等下降或数值接近时，即使已经超过报警极限，这种方法无法检测出接地故障；

②当正负极对地绝缘电阻数值都在正常范围内，但相差很大时，这种方法会产生误报警。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷，本发明旨在提供一种基于不平衡电桥法的机车控制回路接地检测法，能够实时在线监测直流电源系统正负母线对地的绝缘电阻，消除接地故障给机车运行带来的安全隐患。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是，一种机车控制回路接地检测电路，包括正母线、负母线、负载电阻及正、负母线对地的绝缘电阻，所述正、负母线与地之间均连接有两条检测支路，一条由已知电阻构成，另一条由已知电阻和切换开关串联构成。

进一步，本发明提供了用于上述机车控制回路接地检测电路的接地检测法，首先求解出正、负母线对地连接的绝缘电阻值，再将其分别与相应的系统设定值进行比较，当所得的绝缘电阻值小于设定值时，即判定该绝缘电阻对应的电极存在接地故障，其中绝缘电阻值的求解的过程是：首先通过两个切换开关来控制正、负母线对地连接的开关所在支路的通断，实现三种不同的电路结构，再分别测量出其中任意两种电路中的正、负母线对地的电压值，利用正、负极电流相等列出两个等式，最后结合相应电路中的已知电阻，求解方程组得出正、负母线对地连接的绝缘电阻。

另外，基于上述机车控制回路接地检测电路，还可提供一种断线故障检测法，分别测量负载两端电压(电网电压)U1和负母线对地的电压U2，将两电压进行比较，判断得出正、负母线和接地线的通断，其判断步骤如下：

①当U1＝0V时，则L-断开；

②当U1＞0V，且U1＞U2时，系统正常；当U2＞U1，则判断出L+断开；

③当U1＞0V，通过正母线和负母线所连接的切换开关的轮流通断实现正、负母线对地连接的电阻值发生变化，检测所述两种情形时U2的两次电压，如果两次检测电压不同，则正常；如果U2在两种情况下检测电压相同，则接地线断开。

综上所述，本发明提供的基于不平衡电桥法的机车控制回路接地检测电路及基于该电路所应用的接地检测和断线检测法，不仅可以通过检测正负母线对地的绝缘电阻大小判定机车控制回路存在的接地故障，还可以检测到断线的故障。这种方法克服了传统方法的不足，对接地故障预先报警，消除接地故障给机车正常运行带来的安全隐患，提高机车的正常使用效率。

附图说明：

图1是现有直流机车控制回路接地保护电路原理图；

图2是本发明所采用的接地检测电路原理图。

具体实施方式：

参照图2，L+和L-为机车控制回路的正负母线，为接地端子，RP和RN分别为待测的正负母线对地的绝缘电阻，RC1、RC2、RC3和RC4为测量用的已知阻值的精密电阻，RC5为负载，S1和S2为切换开关。

设控制回路的电网电压为U，RP//RC3为Rcp，RN//RC4为Rcn(“//”表示两电阻并联)，Rcp、Rcn对地电压分别为Ucp、Ucn。其中Ucp和Ucn的大小可以分别通过采集Rc3和Rc4两端的电压得之。

当开关S1，S2全部断开时，测量RC3和RC4两端电压为Ucp0和Ucn0，由图可知，所测的Ucp0和Ucn0分别为此时正负母线与地之间的电压，由此可得：

$\frac{\mathrm{Ucp}0}{\mathrm{Rcp}}=\frac{\mathrm{Ucn}0}{\mathrm{Rcn}}----\left(1\right)$

当开关S1闭合，S2断开时，则在正母线与地之间加入了一个标准电阻RC1，测量此时RC3和RC4两端的电压，得到正负母线与地之间的电压分别为Ucp1和Ucn1，由此可得：

$\frac{\mathrm{Ucp}1}{\mathrm{Rcp}}+\frac{\mathrm{Ucp}1}{\mathrm{Rc}1}=\frac{\mathrm{Ucn}1}{\mathrm{Rcn}}---\left(2\right)$

由(1)式和(2)式联合可以得到：

$\mathrm{Rcp}=\mathrm{RC}1(\frac{\mathrm{Ucp}0\·\mathrm{Ucn}1}{\mathrm{Ucp}1\·\mathrm{Ucn}0}-1)$

$\mathrm{Rcn}=\mathrm{RC}1\left(\frac{\mathrm{Ucp}0\·\mathrm{Ucn}1-\mathrm{Ucn}0\·\mathrm{Ucp}1}{\mathrm{Ucp}0\·\mathrm{Ucp}1}\right)$

由上两式计算出Rcp和Rcn的值，由于RC3和RC4的电阻值已知，因此可以通过电阻并联原理计算得到控制回路正负母线对地的绝缘电阻Rp和Rn。

当计算所得的Rp值小于设定值时，系统判定机车控制回路正极存在接地故障；

当计算所得的Rn值小于设定值时，系统判定机车控制回路负极存在接地故障。

由原理图可知，在下面两种情况中，也可以通过上述推断方法得到控制回路正负母线对地的绝缘电阻：

①S1和S2全部断开；S1断开和S2闭合；

②S1闭合和S2断开；S1断开和S2闭合。

基于上述电路，进行断线判断的步骤为：

设定图中负载RC5上采集的电压是U1(电网电压)；RC4上采集的电压是U2。将U1和U2进行比较：

①如果U1为0，则首先判断L-断开；

②当U1＞0V时，正常情况下，由图可知，U1肯定大于U2；如果L+断开，RC4相当于和RC3、RC5串联电路并联，将出现U2＞U1，所以当U2＞U1＞0V时，可判断L+断开；

③当U1＞0V时，正常情况下，S1闭合S2断开；S1断开S2闭合，这两种情况下由于阻值的变化导致U2的两次检测电压不同，但当断开时，则会造成U2在两种阻值不同的情况下电压相同，所以当U2的两次检测电压不同时，则判断

断开。

Claims (3)

1、一种机车控制回路接地检测电路，包括正母线、负母线、负载电阻及正、负母线对地的绝缘电阻，其特征是，所述正、负母线与地之间均连接有两条检测支路，一条由已知电阻构成；另一条由已知电阻和切换开关串联构成。

2、一种基于权利要求1所述机车控制回路接地检测电路的接地检测方法，首先求解出正、负母线对地连接的绝缘电阻值，再将其分别与相应的系统设定值进行比较，当所得的绝缘电阻值小于设定值时，即判定该绝缘电阻对应的电极存在接地故障，其特征是，所述绝缘电阻值的求解的过程是：首先通过两个切换开关来控制正、负母线对地连接的开关所在支路的通断，实现三种阻值下的三种不同电路，再分别测量出其中任意两种电路中的正、负母线对地的电压值，利用正、负极电流相等列出两个等式，并结合相应电路中的已知电阻，求解方程组得出正、负母线对地连接的绝缘电阻。

3、一种基于权利要求1所述机车控制回路接地检测电路的断线检测方法，其特征是，分别测量负载两端电压U1和负母线对地的电压U2，将两电压进行比较，从而判断出正、负母线和接地线的通断，其判断步骤如下：

①当U1＝0V时，则L-断开；

②当U1＞0V，且U1＞U2时，系统正常；当U2＞U1，则判断出L+断开；

③当U1＞0V，通过正母线和负母线所连接的切换开关的轮流通断实现正、负母线对地连接的电阻值发生变化，检测所述两种情形时U2的两次电压，如果两次检测电压不同，则正常；如果U2在两种情况下检测电压相同，则接地线断开。

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