王凯俊
便携式机车电器线路检测研究与实践
发表时间：2014-11-01 20:22 作者： 来源： 浏览：
摘 要 本文介绍了作者在机车电器线路检测中研制的四种便携式仪器。体积小，重量轻，使用机车DC110V电源，可以方便携带上车，能完成以往需要机车入库，在传统式的试验台上才能完成的检测项目。
关键词 机车、电器线路、检测、便携式、研究
1、研究目的
传统的机车电器检测设备，配置在检修车间，钢琴式的外形，占用工作场地面积大。需要机车入库，将电器配件拆下来进行测试，占用机车停时，工作效率低。由于机车电器故障往往与电器部件的使用条件有关，特别是与机车车上电线路有关，将电器配件拆下来进行测试，脱离开使用环境测试，许多电器故障往往不能准确判断。因此，研制各种便携式电器线路检测仪器，在机车车上检测，对于准确判断排除故障。避免不必要的拆装，提高机车运用效率，具有重要的意义。
机车的车上检测是机车状态修发展的必然趋势。车上检测仪器。要求体积小，重量轻，使用机车DC110V电源，可以方便携带上车，能完成以往需要机车入库，在传统式的试验台上才能完成的检测项目。
2、可行性分析
近年来，高频开关电源技术的发展，使机车电器线路检测试验设备体积更小，重量更轻，功率更大，逐步淘汰笨重的地面试验台，取而代之的是便携式机车的车上检测提供了技术基础。
2.1磁性材料
高频变压器磁芯的软磁性材料是决定便携式检测仪器中变压器体积和重量的首要因素。
从输出功率的角度看磁性材料的导磁率高，在同等大功率输出的开关电源的和磁芯体积和重量能减小50%以上。从工作频率的角度看，磁性材料的工作频率决定开关电源工作在高频条件下的必要条件。工作频率提高能减少高频变压器中的铜导线的匝数，从而减少铜导线本身的重量。
软磁材料，是以铁、钴、镍三种铁磁元素构成。按照主要成分、磁性特点、结构特点分为两大类。
磁粉类：磁粉芯，包括铁粉芯、铁硅铝粉芯、高磁通量粉芯
带绕铁芯:包括硅钢片、坡膜合金、非晶及纳米晶合金
非晶及纳米晶合金是一种新型软磁材料，它的制造技术完全不同于传统方法，采用了冷却速度大约为每秒一百万度的超级冷凝固技术，从钢液到薄带成品一次成型，是传统冶金工艺的一次革命。由于超级冷凝固，原子来不急有序排列结晶，得到的固态合金是无序结构，因为其没有晶态合金的晶粒存在，所以称之为非晶合金。非晶合金具有许多独特的性能，在磁性、强度、硬度、韧性，高电阻性方面性能优异。非晶及纳米晶合金的高频损耗远远低于硅钢FeSiAl材料和坡莫合金。具有更好的磁稳定性。与铁氧体相比在低于50kHz时，损耗更低，同时具有高2~3倍的工作磁感，因此，磁芯的体积和重量可减小一倍以上。
2.2开关器件
功率开关器件和相应的散热器件重量占总重量的40%，是决定便携式检测仪器体积和重量体积和重量的第二位因素。
可选择的功率开关器件有以下，性能比较分析如下:
i.可控硅
可控硅单管的正反向电压耐量（电压等级）可达1000V～5000V，电流容量可达1～5000A、di/dt耐量高、抗浪涌电流（冲击电流）能力强、散热条件好。
可控硅作为开关电源功率器件的主要缺点一是工作频率低，采用可控硅的开关电源最高工作频率只能做到8kHz。二是导通压降大，导通损耗大。相应配套散热装置大，一般为金属散热器、液体循环散热、和风冷散热等综合散热方式。不适合制造可移动设备。
ii．mosfet功率场效应晶体管
功率场效应晶体管全称为金属－氧化物－半导体场效应晶体管。简称mosfet管，它是一种电压控制器件。
Mosfet的特点有以下:
（i）开关速度非常快。vmosfet为多数载流子器件，不存在存贮效应，故开关速度快，其一般低压器件开关时间为10ns数量级，高压器件为100ns数量级，工作频率遥遥领先于可控硅，高于IGBT。采用双极型晶体管的开关电源的开关频率为30～3000khz，采用功率mosfet的开关频率可达到500khz左右
（ii）高输入阻抗和低电平驱动。vm0s器件输入阻抗通常10（7）ω以上，直流驱动电流为0.1μa数量级，故只要逻辑幅值超过vm0s的阈值电压（3.5～4v），则可由cm0s和lsttl及标准ttl等器件直接驱动，驱动电路简单。
mosfet功率场效应晶体管的主要缺点是，导通压降随着耐压参数的提高而增加，大功率管的损耗大。在高压领域中由于导通电阻Ron的原因，使得MOS器件的导通损耗随耐压的提高而急速上升，这意味着在同样的功率处理功能下，MOS器件需要比双器件占有更大的芯片面积。这不仅带来了工艺难度，对产品合格率、成本以及应用等都很不利。
iii．IGBT
IGBT是大功率、集成化的“绝缘栅双极晶体管”它是集合大功率双极型晶体管GTR与MOSFET场效应管的优点而发展的一种新型复合电子器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降的优点。IGBT的发明，在高压领域中克服了VDMOSFET导通电阻大的缺点，并兼容了MOS和双极型器件的优点，在电力电子器件领域向人们展示了MOS控制型电力开关器件崭新的一页。目前IGBT器件已从第1代发展到了第4代，已达到1000～1200A/2.5～4.5 kV的水平。
iv．机车检测仪器的功率开关器件
(i) 输入电压在DC500V以下，输入电流在300A以下。在这样的技术参数条件下在市场上可以选择的mosfet功率场效应晶体管型号很多。相对IGBT工作电流达到300A的模块，工作电压都在1200V以上，参数得不到有效利用，明显存在浪费，完全是进口器件价格很高。
(ii) IGBT在300V-500V低电压等级的单元器件，相应的工作电流只有30A-60A，从单元器件温度系数的一致性看IGBT单元器件不如mosfet功率场效应晶体管，mosfet的单元器件可简单并联，很容易增加其总电流容量，而IGBT单元器件很难实现并联均流。
(iii) 在300A以下等级条件，比较IGBT和mosfet的导通压降（导通电阻），IGBT的热损耗大，配套散热装置大。
(iV) 在300V工作电压同等级条件下，比较IGBT和mosfet的工作频率，mosfet功率场效应晶体管可以做得更高。
3、 研制实践
3.1便携式机车大电缆回路电阻测试仪
唐山机务段研制。2008年通过北京铁路局科委组织的技术审查，专家评审意见:居路内先进水平，209年获得北京铁路局科技创新二等奖。
便携式，在机车上使用，输入蓄电池DC110V电源。
具有以下测试功能：
3.1．1用于测量自动保护开关接触电阻、保护动作值等主要参数。
3.1．2提供直流大电流电条件，测量机车仪表分流器、磁场固定分路电阻及磁削电阻、电机绕组等微电阻。
3.1．3模拟直流大电流电条件检测机车主发电机、主整流、牵引、制动、励磁、蓄电池、压缩机电路等关键部位的回路电阻，其中包括铜排连接螺丝接触面，铜编织导线，大电缆及线鼻子，接触面或接触线型大接触器和转换开关的微电阻。
微电阻的测试原理是采用四端法：
在被测回路两端通以恒定的直流电流，可以用毫伏电压表测得回路中任意一段两端的电压降，根据欧姆定律，由电压降和电流的恒流值，可得到该段在该电流条件时的微电阻值。
3.1．4测电流型继电器的动作特性
根据被测电路的工作条件，选定通过被测回路的恒定电流，得到其微电阻值的方法，较电桥法和小电流测试微电阻方法的效果是不同的。在大电流工作条件时，被测回路如有故障点，可产生局部发热现象，使接触电阻变大；电阻越大，局部发热越严重；如此循环，故障现象很明显。而对于小电流测量，与大电流的实际使用工况相差太多，这种伴随发热使接触电阻变大的故障，就不一定检测到。
原理构造
脉宽调制芯片调节器
非晶及纳米晶合金高频变压器
mosfet功率场效应晶体管开关器件
技术参数
电源电压：DC70—110V;
输入电流：小于15A
输出电流:3—200A 连续可调
输出电压：不大于8V
微电阻的测试 199.9 mΩ \ 19.99 mΩ \ 1.999 mΩ
体积：长×宽×高：450×145×235 mm
主机重量:8.5kg
3.2 便携式机车电线路故障测试仪
唐山机务段研制。2009年通过北京铁路局科委组织的技术审查，专家评审意见居路内先进水平，2010年获得北京铁路局科技创新二等奖。
具有以下功能
3.2.1直流和中频两种不同输出信号,供不同电路检测选择，一机多用
3.1.2使用机车DC110V电源,也可使用AC220V电源, 便携式, 可以随机车, 随被测设备使用，不占库房面积，不受场地电源限制。
3.2.3宽范围输出输出可调直流电压，满足机车各个回路不同工作电压等级电线路和电机、电器试验的需要。
3.2.4输出足够大的电流，在潮湿直流漏电流大的情况下，也能够判断是否存在接地、短路、或高压击穿。
3.2.5短路自动限流，检测整流元件的反向漏电特性；检测机车主整流元件之间的均压特性和高压整流特性;检测电容器、压敏电阻的电压工作特性。
3.2.6检测变压器、电抗器、电机等电感性电器设备的匝间短路故障
原理构造
脉宽调制芯片调节器
铁氧体磁粉芯高频变压器
mosfet功率场效应晶体管开关器件
技术参数
输入电压： 直流 77--115V; 交流 200--240V;
中频输出： 可选频率 ： 1、1.5、2、2.5、3kHz
直流输出电压：0--3000V
直流脉冲输出信号电压 ：0--3000V
输出电流；0--50mA，限流值可调，限流时发出音响报警提示；
体积：长×宽×高：450×145×235 mm
主机重量:5.5kg
3.3便携式机车仪表控制试验仪
2011年北京铁路局科委立项，唐山机务段研制成功
具有以下功能：
3.3.1宽范围可调直流电压，适用于在机车上检测有关机车各种电测仪表的表头，各种电压型、电流型、时间型控制继电器吸和保持及接触点电阻等各种电器参数，满足机车仪表控制电路中的各种仪表表头、各种继电器试验的需要。
3.3.2输出足够大的电流，满足车上各种电缆接线，接触器触头，磁场固定分路电阻、磁削电阻等微电阻检测需要
3.3.3使用机车DC110V电源,也可使用AC220V电源,
3.3.4便携式, 可以随机车, 随被测设备使用，不占库房面积，不受场地电源限制。
3.3.5输出AC220V插口，可配合在机车上使用电钻、示波器、吸尘器、电烙铁等通用电器。一机多能。机车的车上检测是机车状态修发展的必然趋势。通用便携机车电器仪表试验仪的研制成功，将对过去传统的检测工艺的改进产生重大影响。车上检测仪器，要求体积小，重量轻，使用机车电源，可以方便携带上车，能完成以往需要机车入库，拆下需要检测的部件，在传统式的试验台上才能完成的检测项目，提高机车故障诊断的工作效率
原理构造
脉宽调制芯片调节器
铁氧体磁粉芯高频变压器
mosfet功率场效应晶体管开关器件
技术参数
体积为：长×宽×高：470×235×155 mm重量为5.5Kg
输入电源：DC77-125V 15A;
输出电源1 AC220—250V 5 A; 最大功率1000W
调制准正弦波 50Hz
输出电源2 DC0—125V 2A 电压电流均连续可调，
输出电源3 DC0—24V 50A 电压电流均连续可调，
输出电源4 DC5V
输出电源5、6 输出 ±15V 电流 1A
输出电源7 0—200mV 连续可调 精度1%，电流<5mA
电子计时器
检测电流 1—50A 检测状态由通电到断电
检测电压5—125V 检测电压由低到高或由高到低均可
检测时间 1ms—99s 精度10μs
接触电阻显示 ×1 m Ω，×1\10 m Ω，×1\20 m Ω
3.4 便携式高压脉冲在线检测仪
原丰润机务段研制，1992年北京铁路局通过鉴定科委鉴定，获得国家实用新型专利
用于铁路机务、电务、车辆、供电电线路接地、短路、混线、虚接故障查找。在线检测仪有中频电流调制和高压脉冲两个信号源，信号引线，及在线检测接收机组成。不拆线或少拆线确定故障点。
中频电流调制信号源发出信号经信号线接入被测电路，可通过被测电路的故障点形成电流，利用在线检收测检测到该电流的走向和突变点来确定故障处所。
在线检测接收机具有解调识别信号电流及显示、报警、记忆功能。
在线检测接收机正面板图
高压脉冲信号源接入被测电路，对被测电路的故障点施加占空比很窄的高压脉冲，使故障点发生击穿、放电，可直接通过故障点在高压脉冲作用下击穿形成的火花和放电音响，找到故障点，也可使用在线检测接收机检测高压脉冲所形成的脉冲电流查找故障电路。
高压脉冲信号源前面板 中频电流信号源前面板
高压脉冲信号源和中频电流信号源背面板
原理构造
脉宽调制芯片调节器
铁氧体磁粉芯高频变压器
可控硅开关器件
技术参数
两种信号源电源电压AC220V或DC110V
电流源基本工作频率1477Hz±1%
电流源输出开路电压小于250V
电流源输出短路电流不小于80mA
电流源输出平均功率小于5W
高压脉冲信号源输出开路电压分三档250V、500V、1000V,误差±2.5%
高压脉冲信号源输出平均功率小于5W
在线检测接收机工作电压DC9V工作电流待机状态≤22mA报警状态≤200mA
在线检测接收机电池型号S6F22 9V
钳形感应接收器开口及有效直径≤50mm
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