基于雙T濾波器的城市軌道交通列車電纜絕緣檢測方法研究

楊林翔 曾小清 田 鵬(同濟大學交通運輸工程學院,201804,上海∥第一作者,碩士研究生)

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基于雙T濾波器的城市軌道交通列車電纜絕緣檢測方法研究

楊林翔 曾小清 田 鵬
(同濟大學交通運輸工程學院,201804,上海∥第一作者,碩士研究生)

摘 要城市軌道列車車載電纜是其整個電力系統中傳輸和分配電能以及傳輸信號控制信息的重要設備,電纜的絕緣狀態對列車安全可靠運行有重要影響。傳統絕緣檢測裝置都未考慮到電磁干擾對絕緣檢測的影響,列車運行環境中嚴重的電磁干擾易造成絕緣在線監測系統數據的波動大及工作不穩定的問題,為此提出基于雙T濾波器的列車電纜絕緣檢測新方法。此方法不僅可以提高電纜絕緣檢測精度,而且還可以適應列車復雜噪聲信號干擾環境,保證設備穩定運行。

關鍵詞城市軌道交通;列車車載電纜;絕緣監測;雙T濾波器

Author′s address School of Transportaion Engineering, Tongji univevsity,201804,Shinghai,China

1　城市軌道交通列車電力電纜絕緣測量的必要性

目前城市軌道交通列車的功能都比較齊全,用電設備多,相應所敷設的線路也比較多,且車體多為不銹鋼和鋁合金。一旦線路在敷設過程中被劃傷或由于材質問題出現破皮,將會出現線路漏電,對列車運行和乘客安全造成隱患。另外在列車運行過程中,若車載電纜出現絕緣損壞導致接地故障,就可能引起信號回路、控制回路、繼電保護裝置的誤動作,甚至會導致非常嚴重的后果,如火災、設備損壞等,以致破壞整個系統的正常運行,甚至造成人員傷亡。

據統計數據表明,城市軌道交通列車上電力設備運行中相當一部分事故是由電纜絕緣故障導致的。為了列車的安全運行,必須進行電纜絕緣檢測[4]。在城市軌道交通系統中,有著許多正常運營下所必需的設備和管線系統,這些設備中有的在運行中產生比較強烈的電磁干擾,如列車架空牽引接觸網、可泄漏同軸電纜、移動通信單元等。有的檢測設備對電磁干擾比較敏感,這些設備如果受到電磁干擾就無法正常工作,甚至產生誤動作的話,會給城市軌道交通系統的安全運行帶來非常嚴重的后果。由絕緣故障而引發的事故,將影響城市軌道交通電力系統和通信系統的可靠性和安全性。目前,絕緣檢測儀、絕緣監測儀已大量投入使用[5-8]。近年來,絕緣檢測技術也引發了我國學者的關注,文獻[9]針對目前應用的高壓絕緣檢測裝置存在的不足,提出了一種基于獨立高壓電源的新型絕緣檢測系統。文獻[10]針對直流電源絕緣檢測,提出了“外施電壓電橋法”檢測絕緣電阻,并給出了系統的設計方案,同時分別從硬件和軟件兩個方面詳細介紹了直流系統絕緣檢測裝置的研制方法。然而,在城市軌道交通領域,傳統的電纜絕緣檢測的設計理念都未將現場噪聲做過濾處理,但是由于列車車載電網和運行環境的復雜性,要想提高電纜絕緣檢測的精度就必須考慮到列車工作環境中噪聲的干擾,然而專門針對列車而設計的適應列車復雜噪聲信號干擾環境的高精度絕緣檢測設備卻寥寥無幾。所以,研究適應列車復雜噪聲信號干擾環境的高精度電纜絕緣檢測方法顯得尤為重要。

2　基于雙T濾波器的列車電纜絕緣檢測硬件設計

列車電纜絕緣檢測硬件設計主要包括電源模塊、絕緣電阻采樣模塊、AD(模擬、數字)轉換模塊、絕緣電阻數據處理模塊4個模塊。其中,絕緣電阻采樣模塊融入了雙T濾波器。

2.1絕緣電阻采樣模塊

絕緣電阻的采樣模塊電路圖如圖1所示。圖1 中:CN1的2管腳連接電源VCC,3管腳連接大地, VS+、VS-為采樣電壓。

圖1　電纜絕緣電阻采樣模塊電路圖

列車運行環境中嚴重的電磁干擾易造成絕緣在線監測系統數據的波動大及工作不穩定等問題,為減少列車中的50 Hz噪聲對絕緣檢測誤差的影響,特在此采樣電路中融入雙T帶阻濾波器。

在信號處理電路中,常常要用到帶阻濾波器阻隔干擾信號的竄入。如圖2所示,帶阻濾波器通常用一個低通濾波器(LPF)和一個高通濾波器(HPF)并聯而成,其中低通濾波器的截止頻率fp1應低于高通濾波器的截止頻率fp2,其阻帶為fp2-fp1)。用無源帶阻濾波器可以構成去噪電路,對某一頻率的強干擾信號具有很好的濾波效果。

圖2　帶阻濾波器組成框圖

電纜絕緣檢測中的無源帶阻濾波器如圖3所示,由RC(電阻電容)低通濾波器和RC高通濾波器并聯而成。低通濾波器由電阻R15、R16和電容C33組成,是一個T型網絡濾波器;高通濾波器由電容C33、C37和電阻R12組成,也是一個T型網絡濾波器。兩個濾波器均是對稱T型結構,稱為對稱雙T網絡帶阻濾波器。該濾波器是利用電容器的容抗隨頻率變化的特性進行濾波的,適當選擇電阻、電容值,可有效選出所需頻率信號、濾除干擾信號。

圖3　雙T濾波器電路圖

令s=jω,得到:

式中:

S——域;

ω0——角頻率;

f——副數;

R——電阻值;

C——電容值。

通過以上公式可以看出,雙T網絡濾波器對ωo頻率信號具有很好的濾波能力。在絕緣檢測采樣電壓電路中特意串聯雙T濾波器就是為了利用雙T濾波器的帶阻特性,從而能夠在采樣源頭上有效減少列車中50 Hz頻率噪聲對采樣電壓的干擾。

2.2絕緣電阻采樣原理

絕緣電阻的采樣、校正模塊電路圖如圖4所示。在圖4中:VREF是ADC(模數轉換器)的基準電源,VS+、VS-為ADC的輸入電壓信號(待轉換采樣電壓),校驗模塊工作原理如下所述。

通過控制繼電器使阻值為1 MΩ的R5電阻接入絕緣電阻采集電路,此時R5即為被測絕緣電阻。

根據分壓公式可得:

式中:

Vin——輸入電壓;

UVDD——電源電壓。

根據ADC工作原理可得:

圖4　采樣、校正模塊電路圖

式中n為ADC的分辨率;X1M為輸入絕緣電阻為1 MΩ時,AD轉換后的二進制結果。

將式(4)、(5)代入式(6)可得:

印度梨形孢對黑松幼苗生長量及其根系形態的動態影響 周曉瑩，梁玉，董智，李紅麗，張夢璇，韓秀峰，范小莉，房用(7-7)

化簡得:

令:R31(R7+R14+R23+R29)/R29=A,(R15+R24+R31+R32)=B,A、B就是待校正的參數。

則有:

同理,控制繼電器使阻值為10 MΩ的R6電阻接入絕緣電阻采集電路,此時R6為被測絕緣電阻。

最終可得式(10)

其中:X10M為輸入絕緣電阻為10 MΩ時,AD轉換后的二進制結果。

根據式(9)、式(10)可列出二元一次方程組:

其中Rx為待測絕緣電阻;X為絕緣電阻為Rx時,AD轉換后的二進制結果。在運行絕緣檢測系統前會定期啟動校正功能,重新校正參數A、B,用校正后的參數A、B再去計算絕緣電阻。校正結束后斷開校正電路開關,使真正絕緣電纜接入電路,并計算電纜絕緣電阻。這種算法可以有效地減少電阻阻值隨外部環境浮動的影響,很大程度上提高了絕緣電阻的測量精度。

3　仿真與結果分析

3.1濾波仿真與結果分析

為了證明圖2中的雙T濾波電路確實能夠對固定頻率噪聲進行過濾,采用Multisim軟件進行了仿真。圖5為其幅頻特性曲線。圖5中縱坐標為幅值數倍數,單位為d B,每一格單位為10 dB;橫坐標為頻率,單位為Hz,中心頻率為50 Hz,每一格為10 Hz。

圖5　幅頻特性曲線

由圖5可以看出,雙T濾波器帶阻特性較好,阻帶較窄,曲線中明顯反映出中心頻率50 Hz的信號幅值放大倍數為-42.972 d B,有效地抑制了50 Hz及其附近頻率噪聲對電纜絕緣檢測的干擾。

3.2絕緣電阻測量試驗

本試驗通過把測試電纜改為外接測試電阻,模擬絕緣電阻,并用信號發生器對電路加載干擾噪聲,模擬列車實際運行中的干擾信號。絕緣檢測電路中應用LTC 2484(24位)ADC,電源電壓400 V,試驗使用Fluke 187型數字萬用表作為測量和校準的標準表,阻抗的測量準確度為0.05%。接地電阻選擇5.1 kΩ、10 kΩ、15 kΩ、20 kΩ、25 kΩ、50 kΩ、100 kΩ、1 MΩ、5 MΩ、10 MΩ電阻。試驗結果見表1、表2。

通過試驗結果可以明顯看出,傳統絕緣檢測方法測試中的絕緣電阻測量誤差較大,并且測量結果誤差波動嚴重,證明電磁干擾對絕緣檢測的影響較大,易造成絕緣在線監測系統數據的波動大及工作不穩定的問題;在新的檢測方法測試中絕緣電阻的測量值較穩定,誤差保持在2%以下,滿足列車電纜絕緣等級要求,從而也證明基于雙T濾波的絕緣檢測設備能有效地濾除電磁干擾,使設備工作在較穩定的狀態。

表1　傳統未考慮濾波的絕緣檢測裝置試驗結果

表2　基于雙T濾波的絕緣檢測裝置試驗結果

4　結語

傳統絕緣檢測設備多注重于提高檢測精度的算法,而很少考慮到外界復雜的電磁干擾影響,雖然城市軌道列車各電器模塊都做了電磁干擾屏蔽設計,但用于連接各模塊的線纜卻都處于電磁干擾中。本文專門為列車電纜絕緣檢測提出了雙T濾波與絕緣監測相結合方案。經過模擬試驗驗證,對2 MΩ內的接地電阻進行了抽樣測量,測量誤差小于2%,裝置運行可靠穩定,符合現場要求。

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Detection of Urban Rail Transit Train Automotive Cable Insulation Based on Double T Filter

Yang Linxiang,Zeng Xiaoqing,Tian Peng

AbstractThe automotive cable of urban rail transit train is an important device for energy transmission,energy allocation and signal control.The insulation status of automotive cable has an important effect on the reliability and safety of train.Since the traditional insulation monitoring device does not consider the influence of electro magnetic interference over insulation monitoring,so great fluctuation and unstable operation wouldl frequently occur under serious electro magnetic interference in train operation.In this paper a new detection method based on double T filter is proposed.Through experiment,this method could not only improve the detection accuracy,but also adapt to the complex electro magnetic interference,so it is able to guarantee the stable operation of devices.

Key wordsurban rail transit;train automotive cable;insulation detection;double T filter

(收稿日期:2015-06-05)

DOI:10.16037/j.1007-869x.2016.02.012

中圖分類號TM 934.3∶TM 246