東風型內燃機車輔助回路保護裝置存在問題分析及技術改進

劉玉高 上海鐵路局合肥機務段

1 引言

東風型內燃機車為了防止因電壓調整器失控等原因引起啟動發電機過壓、輔助和控制電路電壓超高，造成輔助回路和控制回路中的電機、電器損壞和蓄電池充電電流超高，均設置了輔助回路過壓、過流保護電路。該保護電路采用電阻測流、測壓方式來監測機車輔助發電、充電回路的保護條件，并且由測流、測壓電阻驅動繼電器的方式來實現機車輔助發電過壓、過流的保護，但原設計存在如下弊端：

（1）由于蓄電池狀態的差別，造成保護值得不到準確調整，電壓保護值和電流保護值的確定只是一個模糊量。

（2）由于設計中執行機構由繼電器實現，動作值由繼電器彈簧的壓縮量來確定，整定值的精度較差。

（3）由于設計中使用同一電阻來獲得保護電流和保護電壓2個參數，并由取樣電阻實施繼電器電源供給，無法客觀反映過壓和過流狀態。

2 目前過流、過壓繼電器使用現狀分析

2.1 過流繼電器FLJ

FLJ主要裝在東風4B、東風12和東風7C型內燃機車上，是一種電磁繼電器，如圖1所示。其驅動裝置由鐵芯、磁軛、銜鐵、復原彈簧以及套在鐵芯上的線圈組成，線圈與一個可調電阻Rgy串聯后與蓄電池充電電阻Rc并聯，然后串聯在蓄電池充電回路中。在蓄電池狀態正常情況下，當輔助發電機電壓因故上升至127V左右時，充電電流可達100A，充電電阻Rc兩端電壓可達12.2V，這時流過FLJ線圈電流達到0.5A，FLJ動作，使機車轉入固定發電工況。顯然，FLJ能夠防止正常情況下因輔助發電機電壓過高所造成的蓄電池充電電流過大以及蓄電池虧電或某些單節短路所造成的蓄電池充電電流過大，但是FLJ本身及其對輔助發電機供電回路的保護存在著如下缺陷。

（1）在蓄電池充放電的過程中，FLJ線圈中一直都有電流流過，那么它對銜鐵一直都有電磁力存在（只是在正常情況下，這個電磁力沒有達到克服復原彈簧的阻力而使FLJ動作而已），因而復原彈簧在長期使用后會出現材質疲勞而彈力減弱的情況，這樣FLJ動作值就會變小，易誤動作。

（2）即使在同樣的輔助發電機電壓下，由于蓄電池狀態的差別，其充電電流也是不同的，因而設定的FLJ動作值只能是一個模糊量，故其保護精度不夠。

（3）當蓄電池充電回路出現斷路或由于其它原因造成回路電阻過大，這時即使輔助發電機電壓大于127V，流過FLJ線圈的電流也不會達到其動作值，FLJ也就不可能動作，當然也就起不到保護作用。過高電壓會造成輔助發電機供電回路電器燒損甚至會帶來更大經濟損失。

2.2 過壓繼電器GYJ

GYJ主要裝在東風4C、4D、4DD和東風5型內燃機車上，如圖2所示。

圖1 過流繼電器FLJ接線圖

圖2 過壓繼電器GYJ接線圖

它是一個電子器件繼電器，輔助發電機電壓是GYJ的輸入信號，當輔助發電機電壓超過127V時，GYJ動作，使機車轉入固定發電工況。顯然采用GYJ比采用FLJ能更好地限制輔助發電機過電壓，可靠性也更高。但是，當機車蓄電池出現虧電或短路，即使輔助發電機電壓達不到GYJ的動作值也可能會造成蓄電池充電電流超過100A，大電流會迅速使蓄電池或短路點發熱，造成蓄電池爆裂、火災等嚴重后果。

3 方案的制定與實施

3.1 方案的提出

針對上述設計存在的弊端及現場應用中存在的困難，為了更好更全面地實現對機車輔助發電機供電回路的保護功能，通過查閱資料以及結合現場實際，提出采用一個集FLJ和GYJ功能和優點與一體的裝置“GLYJ”，即"過流過壓繼電器"，來同時滿足上述兩個元器件的功用。該裝置具有如下特點：

（1）工作電源采用穩壓電路，將機車110V電源調整為低電壓提供給裝置。

（2）比較電路分為電流和電壓比較雙路，分別設定合理的輔助發電機電壓和蓄電池充電電流，當電壓或電流數值超出規定時產生驅動信號，由功率器件驅動GFC動作，機車由輔助發電狀態改變為固定發電狀態，起到保護作用。

（3）對該裝置使用電子器件進行集成化、模塊化設計，具有更高的可靠性、更小的體積。

3.2 電路原理框圖

裝置由電源、電壓取樣比較、電流取樣比較及驅動執行機構組成。原理框圖如圖3所示：

圖3 輔助發電機供電回路過流過壓繼電器器原理框圖

3.3 電路工作原理

電路主要由分立元件和集成電路組成。由于整個系統功耗較低，同時考慮到裝置制作的小型化，在試驗中將原設計的開關電源電路由穩壓管電路來實現；考慮到控制器與機車電線路的隔離作用和驅動電路的穩定性，最終驅動由繼電器來實現。

3.3.1 過流過壓繼電器接線圖如圖4所示

圖4 過流過壓繼電器接線示意圖

3.3.2 過流過壓繼電器控制電路圖如圖5所示

圖5 內燃機車輔助回路過壓過流控制器電路圖

3.3.3 具體工作原理

（1）反饋電壓經D1、R0、C1濾波后，一支路經過穩壓電路（由 R1、R2、D4、C2組成）產生+15V 的電源，供 U2使用，再經R3、U1產生2.5V的基準電壓，該基準電壓再經過放大電路（由 R4、U2C、R5、R6、R7組成）放大 2倍至 5.00V 的基準電壓，簡稱5V基準。5V基準加在U2A-2腳及U2D-13腳上，分別作為過壓保護和過流保護的比較基準。

（2）反饋電壓經 D1、R0、C1 濾波后，另一支路經 R9、R10分壓加在比較器的同相端U2A-3。當反饋電壓高于125V時，U2A-3大于10V,輸出端 U2A-1大于10V，此電壓經D2、R11再加到U2A-3，使得輸出端U2A-1的電壓始終被鎖定為大于10V，直到撤掉工作電源才能恢復。因此，過壓動作后要恢復為自動發電工況，必須斷開5K，再重合5K。

（3）過流保護利用U2B、R31～R40組成的差動放大器完成信號處理，此信號經R41加到U2D-12端。當充電電流達到90A時，輸出端U2D-14大于10V，此電壓經D33、R43再加到U2D-12，使得輸出端U2D-14的電壓始終被鎖定為大于10V，直到撤掉工作電源才能恢復。因此，過流動作后要恢復為自動發電工況，必須斷開5K，再重合5K。

（4）U2A 與U2D輸出電壓經或門電路（由D91、D92、R12、R122組成）來驅動場效應管Q1，并最終決定繼電器K1的動作。

3.3.4 過流過壓繼電器設計應用實物圖如圖6所示

圖6 GLYJ過流過壓繼電器設計應用實物圖

3.4 應用效果

GLYJ于2009年11月在我段DF4C-5190、5191等五臺內燃機車上安裝使用，根據檢修人員和運用乘務員反應，GLYJ性能可靠、穩定，無一起誤動作現象發生，大大提高了機車運行的安全性、可靠性，消除了安全、質量隱患。同時，也減少了相關檢修人員工作量，試驗取得了圓滿成功，達到了預期目標。

4 結束語

GLYJ---過流過壓繼電器的成功研制與應用，使我段東風型內燃機車輔助發電機供電回路的保護更加全面，有力地確保了運輸生產安全，具有很好的市場推廣及應用前景。