機車智能絕緣檢測儀的設計與應用

呂崇偉，洪際偉，彭毅

（國能鐵路裝備有限責任公司滄州機車車輛維修分公司,河北滄州，061113）

1 機車智能絕緣檢測儀設計

1.1 繪制絕緣檢測儀整體框圖

在機車絕緣檢測儀中，必須能實現電路、電機、電阻的檢測，傳統的機車絕緣監測儀主要采用手搖發電機和磁電式比率表進行電流比值檢測，但在機車絕緣檢測的過程中手搖發電機往往會產生過高的交流電壓，導致電流比值不穩定，因此為了保證手搖發電機的轉速，需要設置專屬的絕緣檢測發電裝置，保證其能在轉速為120r/s的情況下正常輸出，降低測量誤差，增加測量范圍。

因此設計的智能絕緣檢測檢測儀必須由符合檢測要求的檢測電路組成，在絕緣檢測儀內部附加的測量電壓使用的內部電源可靠性一定要高，避免機車進行絕緣智能檢測時存在電氣設備異常現象，因此設計的絕緣智能檢測儀框圖必須包括正負測量主線，設計的機車智能絕緣檢測儀供電干線的絕緣電阻數值必須能保證機車的正常運行，因此在連接時需要保證絕緣檢測儀與電阻的一一對應關系。

在檢測儀內部，經常會受到電流高壓的影響，可能會出現檢測不準的問題，因此為了保證檢測效果，需要在設計的絕緣檢測儀中加入port1物理接口，保證絕緣檢測儀在測量后能實現高壓檢測和輸出轉換。在繪制的絕緣檢測整體框圖內部需要設置三相四線電力系統，保證檢測儀的絕緣檢測功能。

在智能絕緣檢測儀設計中，最重要的就是保證絕緣監測儀的實時自動化檢測功能，因此為設計的絕緣檢測儀內部添加自動轉化系統，該系統附1000V直流電源，可與500V直流電源交通工作，絕緣檢測儀在測量時可與U、V、W、N、P進行組合測量，實現不同類型的絕緣檢測，在人機交互界面需要添加信息化功能，保證操作界面的通信功能，設計的智能絕緣檢測儀可以針對不同類型的機車進行絕緣電阻測量，超過測量量程則會觸發報警開關并保存檢測結果，因此檢測儀必須具備歷史數據記錄保存功能，便于歷史數據的查詢。智能絕緣檢測儀的數據上傳及參數處理使用RS-232，能保證各種惡劣環境下的數據采集精度。

為了保證絕緣檢測的準確性，在絕緣檢測過程中，需要實時控制電流與電壓的作用關系，因此設計的絕緣檢測儀必須能靈敏檢測出施加電壓的變化，首先需要研究絕緣檢測儀的電壓變化范圍，如下表1所示。

表1 電壓變化范圍

由表1可知，在連續15次檢測下，電壓變化的范圍總體波動較小，選取在檢測中的濕度及溫度信息可知，在不同的濕度和溫度下絕緣電阻的檢測數值會實時發生改變，根據該特性，本方法設計了絕緣檢測的整體檢測框圖，如下圖1所示。

圖1 絕緣檢測整體框圖

由圖1可知，應用該架構進行設計后，機車能夠采用電子繼電器陣列對多芯連接器端口的絕緣值進行自動循環全排列檢測與測量，解決任意插芯之間絕緣電阻的測量問題。利用該整體框圖，可以實現數據的保存與查詢，無線數據傳輸，觸摸等功能。

根據上述設計的智能絕緣檢測儀的框圖，可以設計智能絕緣檢測儀的技術指標，首先對檢測技術指標進行分類，第一種檢測技術指標是機車的檢測對象，設為22B25B/25K25T幾種，第二種則為測量范圍，擬定測量的標準范圍在0.0～60MΩ之間，整個絕緣檢測儀呈背光照明夜景顯示狀態，外形為T型結構，凈重約0.5kg，使用的環境濕度小于百分之八十，使用海拔高度小于2000m，最后一項技術指標為智能絕緣檢測儀的充電時間，保證絕緣檢測儀符合技術指標的需求。

可以將設計的智能絕緣檢測儀看成一個較大的系統，可以將其劃分為電源管理模塊，電路保護模塊，繼電器測量模塊，電路轉換模塊、總線電路模塊、數字溫濕度傳感模塊以及液晶顯示模塊。

1.2 設計絕緣檢測儀硬件部分

根據上述的整體框圖，此時需要設計絕緣檢測儀的硬件部分，傳統的智能絕緣檢測儀主要使用兆歐表進行控制，控制效果較差，不能滿足絕緣檢測儀的檢測需求，因此為了增加檢測的效果，智能絕緣檢測儀的硬件部分選用指定的STM32F103單片機進行控制，STM32F103單片機加入了精準控制模塊和直流控制高壓電源，可以在保證數字信號高效處理的情況下進行A/D模數轉換，在數字顯示和功能方面，STM32F103單片機也進行了重新設計，從而保證絕緣檢測儀的檢測精度，STM32F103單片機的引腳功能示意圖如下圖2所示。

圖2 STM32F103單片機引腳功能示意圖

由圖2可知，STM32F103單片機的控制性能較好，能實現較高效率的資源分配，在進行絕緣檢測時能增加絕緣檢測的效率，提高絕緣檢測的速度，除此之外，STM32F103單片機的執行速度和抗干擾能力也較高，可以避免外界環境因素對其運行造成的影響。組裝好硬件后需要測試對應節點的理論電壓值，如下（1）所示。

公式（1）中，VBn代表對應節點電壓，VD代表給定的電源電壓，n代表節點的線號，R代表電阻值，N代表導線數量，測試的理論電壓值符合絕緣檢測需求即可進行后續的設計。以鎳氫電池為電源，使用STM32F103單片機作為控制器，進行電路擴展可以形成雙積分大規模集成電路，為了避免外界的檢測溫濕度對機車絕緣智能檢測儀的影響在檢測儀內部設置了數字濕溫度芯片，保證該絕緣檢測儀的控制功能。

絕緣智能檢測儀為了避免出現產品計算偏差，設置了看門狗來降低外界磁場干擾，避免程序運行循環，降低系統的重置風險，該看門狗使用一個特定的接口與STM32F103單片機進行連接，避免程序進入死循環后的信號誤差問題，執行正確的復位程序。

在機車絕緣檢測過程中，電氣設備及配線的檢測對整體絕緣檢測的結果有著重要影響，因此還需要設計A/D轉換器來避免絕緣檢測中由于配線和電氣設備造成的絕緣檢測誤差，設計的A/D轉換器內部含有幾個特殊接口，與絕緣檢測儀的檢測線路呈一一對應關系，也可以通過檢測和物理連接完成組合，該轉換器與上述設計的STM32F103單片機相連，能產生穩定的高壓，使用設計的算法實現高壓檢測和A/D轉換，但在A/D轉換時需要注重與STM32F103單片機的連接接口，一定要保證兩者的接口方向一致，從而實現數據的有效轉換。

1.3 設計絕緣檢測儀功能模塊

設計的絕緣檢測儀含有眾多功能模塊，以Leil為主要開發工具進行開發，首先是系統設置模塊，在該模塊可以設置絕緣檢測儀內部系統中的各項參數，進行參數檢驗后方可運行，其次是歷史數據查詢模塊，該模塊可以查詢到曾經向絕緣檢測儀輸入或者輸出的數據，實現數據的存取和調用，第三是測量絕緣數值模塊，是整個絕緣檢測儀的核心模塊，可以根據繼電器的組合情況實現測量，并自動報警，最后是串口通信模塊，在上位機工作的過程中，經常需要與其他模塊進行交互，因此為了實現各個模塊與上位機之間的通信，設計了串口通信模塊，實現數據保存，查詢、分析等功能。

接下來對液晶顯示部分進行設計，需要保證液晶的讀寫時序與執行的內容一一對應，因此設計的智能絕緣檢測儀添加了8位并行接口，保證其可以在高速的檢測工作下實時傳輸檢測數據，各個接口的運行狀態需要預先進行設定，根據檢測次數，測試接口的對接情況，其中Positive docking代表正位對接，Multi interface docking代表多接口對接，這八位接口的對接狀況如下表2所示。

表2 接口對接情況

根據表2的對接情況，可以設置絕緣檢測儀的主界面菜單，該菜單具有選擇性，因此可以按照需求確定菜單的執行功能，除了上述設計外，還需要設置液晶顯示部分的參數，保證其能滿足機車的檢測需求。

為了增加智能絕緣檢測儀的抗干擾功能，在設計的智能絕緣檢測儀內部安裝了抗干擾裝置，增加絕緣檢測儀的檢測效果，除此之外，在絕緣檢測儀內部使用雙積分A/D轉換實現抗干擾，選取恰當的時鐘頻率，利用雙支路采樣網絡降低電源電壓波動對測量結果產生的影響，設置正確的高壓電源模塊，保證電路與其他模塊之間的距離。設計的智能絕緣檢測儀使用特定的開關量輸入檢測模塊，降低電路功率器件之間的電源沖擊，保持整個絕緣檢測儀的可靠性。除此之外，使用數字濾波法進行數據處理，多次采樣后剔除最大最小樹枝，降低脈沖干擾誤差。

鍵盤錄入部分首先需要確定按鍵值，其次進行掃描，錄入按鍵值需要與絕緣檢測的參數相對應，在檢測過程中，包含的參數值選項眾多，例如絕緣檢測耗時、地面濕滑狀態、電極狀態、絕緣系數等，這些錄入值必須與標準檢測參數相匹配才能進一步進行檢查，此時的參數匯總值如下表3所示。

表3 參數匯總值

根據上述的參數匯總值，可以由CPU檢查機車的列線的狀態，確定機車列線的組合。菜單模塊是整個機車智能絕緣檢測儀最關鍵的模塊，絕緣檢測儀的所有功能都是通過該模塊實現的，菜單模塊的性能也決定了整個絕緣檢測儀的操作性能，因此首先需要設計菜單的索引，規劃不同的索引號，其次設計菜單的流程，實現菜單的完整設計。數據采集模塊依賴上述的單片機，完成AD模數轉換。在數據處理中，需要注意絕緣電阻值的變化，及時調整絕緣檢測儀的檢測距離，實現高效檢測。

2 應用分析

為了檢測設計的機車智能絕緣檢測儀的檢測效果，將其與傳統的絕緣檢測儀進行對比，分析了兩種檢測儀的檢測耗時，如下。

2.1 應用準備

為了保證絕緣檢測儀的性能檢測效果，首先對絕緣檢測儀自身進行了初步測試，在200V的條件下進行單元檢測，檢測結果證明該絕緣檢測儀符合后續的測試需求，其次加大電壓，進行500V單元檢測，檢測結果證明，該絕緣檢測儀依然符合后續的測試需求，其次進行單元對地測試和組隊組測試，檢測結果也符合后續的測試需求，此時檢測儀的功能界面如下圖3所示。

由圖3可知此時的功能界面簡潔，各項指標對接完整，通過了上述的初始檢測，即可進行后續的性能檢測。為了保證檢測效果，測試平臺選取256MB儲存器作為檢測數據的儲存中心，添加了時間檢測模塊，可以實現檢測儀性能的測試。

圖3 檢測儀功能界面

在檢測過程中，首先利用單片機充當控制器，使用鍵盤進行操作，進行驗證后調整列車的絕緣檢測類型，進行A/D模數轉換后生成數字信號，計算數據之間的差異，輸出檢測數據，實現絕緣檢測儀性能檢測。

2.2 應用結果與討論

分別使用本文設計的智能絕緣檢測儀和傳統的絕緣檢測儀進行絕緣檢測，記錄兩種方法在15次檢測中的檢測耗時，應用結果如下表4所示。

表4 應用結果

由表4可知，設計的絕緣檢測儀在連續15次的絕緣檢測中均耗時較短，證明設計的絕緣檢測儀的性能良好，有一定的應用價值。

3 結束語

設計機車智能絕緣檢測儀對維持機車安全運行，保證機車乘客的安全有重要意義，因此，本文設計了機車智能化絕緣檢測儀，選取了符合檢測需求的檢測硬件，進行了應用分析，結果表明設計的機車智能絕緣檢測儀的檢測耗時較短，證明設計的絕緣智能檢測儀檢測效果較好，有一定的應用價值，可以作為后續機車智能檢測的參考。