高濕度下機(jī)車車輛絕緣性能測試方法研究

李康民，蘇竹青，張明明

(國能鐵路裝備有限責(zé)任公司滄州機(jī)車車輛維修分公司,河北滄州,061113)

1 高濕度下機(jī)車車輛絕緣性能測試方法設(shè)計(jì)

1.2 選取機(jī)車車輛絕緣性能測試項(xiàng)目

在進(jìn)行絕緣性能測試的開始，需要選取機(jī)車車輛的絕緣性能測試項(xiàng)目，必須要使用無損檢測法進(jìn)行檢測，避免由于檢測對機(jī)車造成的損害。首先需要進(jìn)行繞組對地絕緣檢測，需要根據(jù)機(jī)車電機(jī)的相應(yīng)狀態(tài)，選取需要檢測的電機(jī)，假設(shè)電機(jī)在5種狀態(tài)下的狀態(tài)不同，此時(shí)分別檢測五種狀態(tài)下的電機(jī)穩(wěn)定狀態(tài)，擬定1為標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)，檢測結(jié)果如下表1所示。

表1 電機(jī)穩(wěn)定性狀態(tài)

由表1可知，此時(shí)電機(jī)各個(gè)狀態(tài)下多次檢測的穩(wěn)定性數(shù)值都高于1，證明電機(jī)處于穩(wěn)定狀態(tài)，測出此時(shí)電機(jī)的電阻值，將其與標(biāo)準(zhǔn)的電阻值進(jìn)行對比，實(shí)現(xiàn)繞組檢測，電阻值的計(jì)算公式如下（1）所示。

公式（1）中，V代表檢測電壓， 代表標(biāo)準(zhǔn)電阻值，RX代表檢測電阻值，為了保證檢測效果的準(zhǔn)確性，需要預(yù)留一定的臨界范圍，在標(biāo)準(zhǔn)的絕緣測定中，檢測到的數(shù)值必須比規(guī)定數(shù)值低一定的范圍，如果檢測到的數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)值過于接近，則證明此時(shí)的檢測不合格。

在高濕度狀態(tài)下，機(jī)車智能絕緣性能測試更傾向于環(huán)境因子的轉(zhuǎn)換測試，因此需要測試機(jī)車電機(jī)的管理電路性能，電機(jī)管理電路內(nèi)部的組成成分較復(fù)雜，包括單片機(jī)，儲(chǔ)存器，芯片，濕溫度測試裝置等，其主要組成部分是ICL7660低壓直流電源變換器，可實(shí)現(xiàn)電源的對稱輸出轉(zhuǎn)換，因此在測試電機(jī)穩(wěn)定狀態(tài)后隨即可開始檢測供電干線的耐壓性，判斷此時(shí)的機(jī)車絕緣性能是否符合高濕度下的機(jī)車需求。

使用標(biāo)準(zhǔn)的絕緣電阻，與ICL7660低壓直流電源進(jìn)行連接，設(shè)計(jì)高壓直流電源檢測模塊和充放電模塊，經(jīng)過電源變換后保證測試電壓與標(biāo)準(zhǔn)電壓呈一致性，使用電源變換器，不斷變換機(jī)車電機(jī)內(nèi)部的電源輸出功率，使用PFM、PWM進(jìn)行控制，在輸出電流與輸出電壓達(dá)到檢測標(biāo)準(zhǔn)時(shí)即可對低壓直流電源變換器進(jìn)行測試。在電源變換器內(nèi)部添加MAX639引腳，在檢測初期使用VOUT進(jìn)行電壓輸出，使用振蕩器穩(wěn)定電源的輸出端。接下來使用LBO安檢測低電池電壓，使用N溝道進(jìn)行開路輸出，接入吸收電流。經(jīng)過LBI/GND/LX處理后，通過推動(dòng)PMOS開關(guān)來驅(qū)動(dòng)外部電源檢測反饋點(diǎn)，進(jìn)行耐壓性檢測后使用標(biāo)準(zhǔn)的耐壓性數(shù)值與檢測的耐壓性數(shù)值進(jìn)行對比，得到對比結(jié)果后再關(guān)閉電源控制端。

整個(gè)高壓電源模塊在絕緣性能測試中利用了DC-DC轉(zhuǎn)換升壓技術(shù)，能保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確定，避免其受到檢測裝置的影響出現(xiàn)檢測誤差，因此設(shè)計(jì)了檢測裝置的主要技術(shù)指標(biāo)，檢測裝置的輸入電壓控制在10V～1000V范圍內(nèi)，且必須時(shí)刻可調(diào)，在檢測過程中需要保證加測效率大于百分之七十，輸出電壓的調(diào)整率小于百分之0.1，整個(gè)輸出負(fù)載率也有額定的標(biāo)準(zhǔn)。

在上述測試完成后還需要測試絕緣檢測控制單片機(jī)的檢測性能，將V5與單片機(jī)P3.4相連，輸出的高電平使用三極管導(dǎo)通，在雙擲繼電器RELAY-DPDT啟停后，檢測接電器1連接2，4連接5，調(diào)節(jié)檢測電阻的電阻值，保證adj與Vref之間的電阻調(diào)節(jié)性，根據(jù)繼電器狀態(tài)，使用輸出裝置調(diào)節(jié)電阻值，保證繼電器狀態(tài)，經(jīng)過上述檢測，若此時(shí)符合絕緣性能檢測需求，即將其作為絕緣性能測試項(xiàng)目進(jìn)行測試。

1.2 繪制絕緣極化曲線

在繞組檢測后，需要進(jìn)行極化檢測，繪制相應(yīng)的極化曲線，保證性能測試的準(zhǔn)確性。在檢測前，首先需要選取極化指數(shù)，極化指數(shù)往往根據(jù)檢測機(jī)車的電極狀態(tài)選取，必須選用與電機(jī)擬合度高的極化指數(shù)，避免產(chǎn)生檢測誤差，此時(shí)繪制的極化曲線如下圖1所示。

圖1 極化曲線

由圖1可知，在一定的時(shí)間內(nèi)，極化曲線會(huì)隨著電壓的時(shí)間變化而變化，L1代表標(biāo)準(zhǔn)的極化曲線，L2、L3代表加壓后的極化變化曲線。在上述極化曲線的基礎(chǔ)上進(jìn)行加壓檢測，可以檢測此時(shí)絕緣值差異對絕緣檢測的影響，還需要排除外界干擾因素，避免由于干擾因素帶來的檢測異常。

極化曲線的實(shí)際變化幅度與絕緣性能檢測中的極化指數(shù)密切相關(guān)，隨著電壓增加時(shí)間的提高，極化曲線的曲率也在逐漸轉(zhuǎn)化，證明電壓的改變與實(shí)際極化電流的變化有關(guān)，常規(guī)狀態(tài)下，隨著時(shí)間的增加電流呈下降的趨勢，極化曲線的極化數(shù)值也在逐漸改變后慢慢變穩(wěn)定，最后的極化數(shù)值相差較小。

在極化曲線繪制后，為了驗(yàn)證各個(gè)階段極化曲線的極化效果需要選取LA、LB、LC、LD、LE幾條曲線，檢測不同曲線的極化效果，極化效果滿分?jǐn)?shù)值為10，利用公式（2）可以計(jì)算幾條曲線的極化效果數(shù)值，數(shù)值越高證明極化效果越好。

公式（2）中，U代表電機(jī)穩(wěn)定性數(shù)值，G代表極化系數(shù)，此時(shí)帶入上表1的電機(jī)穩(wěn)定性數(shù)據(jù)，計(jì)算的極化數(shù)值如下表2所示。

表2 極化數(shù)值

由表2可知，LA的極化數(shù)值較高，證明應(yīng)用LA繪制的極化曲線的極化效果最佳。機(jī)車的極化曲線往往對機(jī)車的絕緣檢測結(jié)果有重要影響，因此在進(jìn)行絕緣性能測試時(shí)務(wù)必要根據(jù)極化數(shù)值，判斷此時(shí)機(jī)車的情況。

機(jī)車在高濕度下可能存在絕緣性能測試基礎(chǔ)差，由于機(jī)車的儲(chǔ)存電路有限，數(shù)據(jù)采集精度也無法得到保證，因此在機(jī)車絕緣性能測試的過程中外界高濕度的惡劣環(huán)境導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集效果差，采集到的數(shù)據(jù)無法反應(yīng)此時(shí)機(jī)車的絕緣性能，因此可以設(shè)置單片機(jī)儲(chǔ)存器，在未處于高濕度環(huán)境下時(shí)采集外界環(huán)境與實(shí)際絕緣性能測試之間的測試誤差，其次在采集高濕度環(huán)境下機(jī)車車輛的絕緣性能數(shù)據(jù)，將兩者進(jìn)行處理，劃分高濕度環(huán)境下與常規(guī)環(huán)境下的絕緣性能測試數(shù)據(jù)差異，計(jì)算出兩種狀態(tài)下測試的差異系數(shù)，根據(jù)該差異系數(shù)，可以計(jì)算高濕度環(huán)境對機(jī)車車輛絕緣性能測試的初步影響，判斷測試舉出差值，在實(shí)際高濕度機(jī)車車輛絕緣性能測試時(shí)，剔除環(huán)境誤差，保證測定的性能檢測指標(biāo)始終具有準(zhǔn)確性，可以進(jìn)行后續(xù)的車輛絕緣性能測試。

1.3 實(shí)現(xiàn)機(jī)車車輛絕緣性能測試

實(shí)現(xiàn)機(jī)車車輛絕緣性能測試還需要排除其他因素對絕緣性能產(chǎn)生的影響，為了進(jìn)行絕緣性能的對比，繪制了標(biāo)準(zhǔn)的PI值推薦表，如下表3所示。

表3 PI值推薦表

由表3可知，此時(shí)經(jīng)過Class A、Class B、Class F、Class H檢測的各項(xiàng)PI值均符合國際檢測標(biāo)準(zhǔn)，可以根據(jù)該P(yáng)I值推薦表規(guī)劃檢測過程中需要對比的各項(xiàng)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的絕緣性能檢測。

在機(jī)車絕緣性能測試的過程中，還需要避免牽引電機(jī)的制約因素，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)牽引電機(jī)的主要影響因素為軸承和定子絕緣性能問題，因此在性能測試時(shí)需要判定電極返修時(shí)是否存在直流電機(jī)牽引問題，需要使用定子絕緣VPI測試后進(jìn)行判斷，首先對機(jī)車車輛的電動(dòng)機(jī)繞組進(jìn)行初步處理，增加繞組的絕緣特性，提高繞組的化學(xué)穩(wěn)定性，其次需要進(jìn)行真空浸漆處理，消除電機(jī)性能影響。

在測試實(shí)現(xiàn)階段，可以使用電纜絕緣診斷技術(shù)對機(jī)車的電阻、電流、介質(zhì)等進(jìn)行檢測，首先需要根據(jù)電氣性能參數(shù)計(jì)算絕緣介質(zhì)的絕緣能力，其次測量絕緣電阻數(shù)值，從而得到車輛絕緣性能測試的結(jié)果，絕緣電阻數(shù)值對絕緣檢測結(jié)果起直接作用，因此進(jìn)行絕緣性能測試的核心就是檢測機(jī)車的絕緣電阻數(shù)值，本文設(shè)計(jì)的方法使用的測量原理如下：

第一是電流測量原理，保證測試電源與樣品在恒定電壓的條件下組成回路，從而得到檢測樣品的絕緣電阻數(shù)值，第二是電流電壓原理，可以測試上述組成的閉合回路中的泄露電流數(shù)值，從而換算成樣品的電壓，第三是直接使用阻抗法檢測樣品的絕緣電阻值，最后一種是將樣品與標(biāo)準(zhǔn)電容器串聯(lián)，組成閉合回路后檢測樣品在電容器中積聚的電荷，換算成電阻值，在檢測過程中一定要保證樣品處于有電的狀態(tài)，能進(jìn)行自然放電，設(shè)置放電常數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)絕緣電阻的測量。

根據(jù)上述的測量原理進(jìn)行測量時(shí)發(fā)現(xiàn)，有很多外界因素會(huì)影響絕緣電阻的測試數(shù)值，在溫度升高過程中，絕緣電阻的數(shù)值往往會(huì)呈下降狀態(tài)，因此在高濕度下對機(jī)車進(jìn)行絕緣檢測時(shí)一定要進(jìn)行溫度修正，避免由于溫度不同產(chǎn)生的絕緣電阻誤差，其次濕度也對絕緣電阻的檢測數(shù)值有一定的影響，隨著濕度的增加，絕緣電阻的數(shù)值逐漸降低，因此在高濕度下進(jìn)行絕緣性能測試時(shí)需要格外注意濕度對絕緣性能檢測結(jié)果帶來的影響，排除濕度干擾，保證絕緣性能測試的準(zhǔn)確性。

在高濕度下，電氣設(shè)備的表面很容易受潮，一旦出現(xiàn)了受潮反應(yīng)，會(huì)大大降低電氣設(shè)備的表面電阻率，對絕緣電阻數(shù)值檢測也帶來很大的影響，最后試驗(yàn)電壓的大小和剩余電荷的大小也對絕緣電阻的檢測數(shù)值有很大的影響，試驗(yàn)電壓越高，絕緣電阻的數(shù)值越小。剩余電荷如果存在測試結(jié)果也會(huì)存在虛假現(xiàn)象，因此測試絕緣電阻數(shù)值之前需要對電氣設(shè)備進(jìn)行放電處理。

根據(jù)絕緣電阻的檢測數(shù)值以及上述繪制的極化曲線，可以得出高濕度下機(jī)車車輛絕緣性能測試的最佳結(jié)果，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的機(jī)車車輛絕緣性能測試，但在測試中仍然需要注意外界環(huán)境的變化問題，在高濕度狀態(tài)下，機(jī)車車輛的絕緣性能測試過程中由于外界環(huán)境較惡劣，可能會(huì)存在安全隱患問題，因此務(wù)必保證測試安全再進(jìn)行絕緣性能測試。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了保證絕緣性能測試的準(zhǔn)確性，需要確定檢測過程中的壓力變化在標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)，因此需要記錄不同情況下的漏電流比重，確定高濕度對機(jī)車車輛電極的影響因素，此時(shí)需要設(shè)定絕緣測試的電壓，如下表4所示。

表4 絕緣測試電壓

由表4可知，此時(shí)的絕緣測試電壓變化較規(guī)律，符合后續(xù)的測試需求，兩種電壓的變化范圍較接近，因此可以進(jìn)行后續(xù)的絕緣性能測試。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

分別使用本文設(shè)計(jì)的絕緣性能測試方法和傳統(tǒng)的絕緣性能測試方法測試在高濕度下不同標(biāo)準(zhǔn)的測試指標(biāo)差異，測試結(jié)果如下表5所示。

表5 測試結(jié)果

由表5可知，在不同標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行測試，設(shè)計(jì)的絕緣性能測試方法測試的指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)數(shù)值最接近，證明設(shè)計(jì)的絕緣性能測試方法的測試效果好，有一定的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)束語

及時(shí)對機(jī)車車輛的絕緣性能進(jìn)行檢測，不僅能夠保證機(jī)車車輛具有良好的的維修狀態(tài)，還能夠保證機(jī)車正常的運(yùn)行安全，避免出現(xiàn)安全事故有重要作用，尤其是在外界惡劣的環(huán)境下，高濕度很容易造成車輛絕緣性能失常，因此本文設(shè)計(jì)了新的車輛絕緣性能測試方法，并通過實(shí)驗(yàn)證明設(shè)計(jì)的絕緣性能測試方法的測試效果好，有一定的應(yīng)用價(jià)值，可以作為后續(xù)車輛絕緣檢測的參考。