WXRedian | CES电气 | 中车大同电力机车公司朱钾、于保华：HXD2型机车高压绝缘检测回路优化及改造

中车大同电力机车有限公司的朱钾、于保华在2024年第8期《电气技术》上撰文。通过分析HXD2型机车高压绝缘检测装置的系统组成、工作原理，指出高压绝缘检测装置存在的问题。为了有效延长高压绝缘检测装置的使用寿命、提高机车运用率，本文提出HXD2六轴机车高压绝缘检测回路优化方案。

高压绝缘检测装置属于机车车载安全防护系统（6A系统）的重要组成部分，满足TJ/JW 001D—2018标准要求。司乘人员行车前须进行车顶高压绝缘检测，由于车顶高压设备长期暴露在车体外，受机车运行环境、线路等因素影响，若车顶高压设备受损，高压绝缘检测装置未能准确检测到车顶绝缘状态，此时司机一旦升起受电弓，就会造成机车车顶设备、接触网等烧损，致使供电区其余机车无法正常运行，进而导致线路瘫痪，严重影响机车运行安全。

目前，国外电力机车均未安装车顶高压设备绝缘性能检测装置，而国内机车的高压绝缘检测装置基于电压互感器工作原理，只能判断机车绝缘装置是否良好，不能给出具体绝缘电阻值，主要用于受电弓、绝缘子、高压电压互感器等设备绝缘等级的检测。在机车运行过程中，接触网电压异常等原因会影响高压绝缘检测装置的正常工作，在日常检修维护中，该装置最容易出现问题，影响机车的运行安全。

1 高压绝缘检测装置

1.1 工作原理

高压绝缘检测装置用于检测电力机车车顶高压设备（受电弓、高压互感器一次侧、主断路器前端、接地开关前端等）的绝缘状态，并将检测结果传送到6A显示屏显示。如果检测结果达到报警值，该装置就会以蜂鸣器报警、指示灯亮等方式对司乘人员进行提示。

高压绝缘检测装置的功率模块将110V直流电源逆变为50Hz的交流检测信号，施加在高压电压互感器的二次线圈上，通过该互感器进行升压。对机车车顶高压回路施加检测电压，其内部CPU通过电压、电流传感器采集到的实时信号控制功率模块，使其输出功率保持恒定。机车车顶高压设备的绝缘状态恶化后，车顶高压回路漏电流增大，互感器二次侧的输出电流也趋于增大，为保持功率恒定，一、二次电压受控减小。

机车上电后，取下车上蓝钥匙插入高压绝缘检测装置面板钥匙孔，打开电源，高压绝缘检测装置进行自检，自检指示灯闪烁，并显示正在自检，约10s后自检完成。若装置功能正常，此时一次侧电路无电且没有电钥匙信号输入，自检成功，之后方可进行车顶绝缘检测。此时，司机按下检测按钮后，通过监测电压、电流信号即可掌握当前车顶高压回路的绝缘状态。

绝缘检测数据通过控制器局域网（controller area network, CAN）总线被实时传至6A系统中央处理平台，由中央处理平台对数据进行保存，以便后续使用。高压绝缘检测装置原理框图如图1所示。

图1 高压绝缘检测装置原理框图

1.2 检测缺陷

目前，高压绝缘检测装置存在以下几个问题：

1）当电钥匙开启、外网有电（8kV以上）时，高压绝缘检测装置处于报警状态，系统自我保护，蜂鸣器报警，不能进行绝缘检侧。

2）当车顶高压设备（受电弓、高压电压互感器、主断路器前端、接地开关前端等）存在开路情况时，高压绝缘检测装置不会报警，绝缘检测显示正常，此时无法利用高压绝缘检测装置进行车顶绝缘性能检测，但司机室的网压表无感应网压。

3）当车顶存在异物时，高压绝缘检测装置不能准确判断出车顶绝缘状态，存在绝缘检测正常，但机车升弓后，接触网放电的情况，车顶高压设备的绝缘性能低于该装置绝缘检测临界值后才会报警。

因此，高压绝缘检测装置存在较大的局限性，无法实现对车顶高压设备绝缘状态的全面检测。

1.3 电路优化

2023年，某机车在运行途中由于高压绝缘检测装置内部的电路板电容击穿，导致机车网压信号丢失，机车降弓，造成机破，对机车运行造成较大影响。该机车高压绝缘检测装置为2014年前所生产的产品，其内部电路示意图如图2所示。

图2 高压绝缘检测装置内部电路示意图

结合机车运用情况，对该高压绝缘检测装置内部电路进行优化，优化后电路示意图如图3所示。优化后，高压绝缘箱在非开机状态时由继电器触点断开绝缘箱与“外网有电检测”电路器件的电气连接，减少非工作状态时电子器件带电引起的寿命衰减，提高电路稳定性，同时增加二极管VD₉₁，对新增继电器线圈进行保护。

但是，在机车运行中，该装置依然直接连接在高压电压互感器二次侧，尤其在机车过分相后，主断路器闭合瞬间，网压检测回路存在较大电流或网压畸变，导致该装置击穿，造成故障。

图3 优化后电路示意图

2 高压绝缘检测回路优化

2.1 六轴机车网压检测回路

HXD2系列机车高压绝缘检测装置均在高压电压互感器二次侧之后，无法对车顶避雷器、接地开关后端、穿墙母线电缆、各支撑绝缘子、变压器等高压部件进行绝缘检测。

针对HXD2系列机车高压绝缘检测电路进行梳理，其中HXD2B、HXD2C机车只有一个高压电压互感器，以HXD2C机车为例，HXD2C机车的高压绝缘检测回路示意图如图4所示。该机车在2010年开始招标，6A系统于2014年开始加装，在该机车原始设计中，QA-TF1PP选型为3A单极断路器。

该机车的网压检测回路为高压电压互感器二次侧串联一个电压互感器断路器（QA-TF1PP）后并联4组支路，分别将网压信号送至高压绝缘检测装置、电能表、变流柜1、变流柜2。

图4 HXD2C机车高压绝缘检测回路示意图

优化后的高压绝缘检测装置内部电路仍存在内部电路板电容击穿造成短路的风险，若该装置故障，机车QA-TF1PP将自动断开，电能表、变流柜1、变流柜2无法采集到网压信号，导致机车断主断路器，故仍存在机破风险。

为避免上述故障的发生，进一步对HXD2C机车的高压绝缘检测回路进行优化，在现有网压检测回路的基础上，增加并联网压检测断路器CC-6A/1（3A单极断路器），一路将网压信号直接送至高压绝缘检测装置，另一路将网压信号分别送至电能表、变流柜1、变流柜2，将机车控制用网压检测信号与6A系统高压绝缘检测装置用网压检测信号分离，检测回路优化后示意图如图5所示。

根据TJ/JW 001D—2018要求，高压绝缘检测装置输出容量小于300V∙A，额定电压为DC 110V，所以输出电流应小于2.72A。根据单极（3级）断路器特性：当流过断路器的电流值小于整定值的1.2倍时，断路器不脱扣；当电流值为整定值的1.2～12倍时，断路器具备延时热脱扣保护；当电流值大于整定值12倍以上时，断路器具备磁脱扣保护。故选择3A单极断路器可满足要求，单极（3级）断路器特性曲线如图6所示。

图5 HXD2C机车高压绝缘检测回路优化后示意图

图6 单极（3级）断路器特性曲线

若高压绝缘检测装置短路，网压检测断路器CC-6A/1会自动断开，不影响机车电能表、变流柜1、变流柜2网压信号的使用，机车可不停车正常运行。

2.2 八轴机车网压检测回路

三种HXD2型八轴机车（技术引进HXD2、深度国产化HXD2、技术提升HXD2）的网压检测回路相同，根据网压检测回路原理可知：静态工况下，HXD2型八轴机车A节高压电压互感器将感应的网压信号通过内重联电缆分别送至B节网压表、电能表、变流柜1、变流柜2，同理B节亦如此，因此A节网压表显示B节高压电压互感器的感应网压，B节网压表显示A节高压电压互感器的感应网压。网压检测回路示意图如图7所示。

图7 八轴机车网压检测回路示意图

在正常工况下，八轴机车运行时升非操纵节受电弓，非操纵节受电弓、高压电压互感器、主断路器处于工作状态。若高压绝缘检测装置内部电路板电容击穿造成短路，且高压绝缘检测装置未与机车高压电压互感器电路进行隔离，则非操纵节高压电压互感器无法检测网压，机车保护断主断路器。

司机确认接触网正常供电后，可降下非操纵节受电弓，并将非操纵节受电弓隔离，对操纵节进行高压绝缘检测，若操纵节检测正常，可升操纵节受电弓维持运行。此时，操纵节受电弓、高压电压互感器、主断路器处于工作状态，非操纵节主断路器断开，因高压电压互感器位于主断路器前端，故发生故障的非操纵节高压绝缘检测装置此时不带电，不影响机车运行，可回段后再进行故障排查。

由于高压绝缘检测回路存在故障，因此在设计八轴机车的高压绝缘检测电路时进行优化，避免机车潜在电路的影响，如FXD2B机车，其优化方案与HXD2C机车类似。

3 优化方案

HXD2B与HXD2C机车的高压绝缘检测回路优化原理一样，方案类似。以HXD2C机车为列，高压绝缘检测回路优化方案如下：

1）在微机柜内加装网压检测单极断路器CC-6A/1（3A）。断路器安装于微机柜柜体中部、行灯插座左侧，如图8所示。

2）将机车原高压绝缘检测装置定义为高压电压线号+的线缆，从中央端子排3的28点更改为空点（假设为M点）。

图8 单极保护断路器（3A）安装示意图

3）新增线缆从QA-TF1PP的1点经低压电器柜连接到微机柜XP-CC-07的N1。

4）新增线缆从微机柜XS-CC-07的N1到CC-6A/1的2点。

5）新增线缆从CC-6A/1的1点到微机柜XS-CC-07的N2。

6）新增线缆从微机柜XP-CC-07的N2到中央端子排3的M点。

通过步骤3）和步骤4），完成高压电压互感器二次侧与CC-6A/1断路器的连接；通过步骤5）和步骤6），完成CC-6A/1断路器与高压绝缘检测装置的连接。此优化方案中机车高压绝缘检测装置自带线长度满足要求，故无需进行更换，降低了改造成本。

目前，该方案已通过相关单位审核，并按照要求在HXD2B、HXD2C机车上进行整改。某和谐机车在2023年出厂完成类似整改后，上线运行至今未出现相关故障。

4 结论

高压绝缘检测装置是检测机车车顶绝缘效果的重要装置，在机车行车前，司乘人员须确保新增的CC-6A/1断路器闭合，以便高压绝缘检测装置正常检测。

在车顶绝缘检测完毕后，可将该断路器断开，以免在行车过程中因弓网网压突变等情况造成高压绝缘检测装置短路，也可将该断路器一直闭合，即使高压绝缘检测装置出现故障，HXD2型六轴机车电能表、变流柜等设备依然可以采集到网压信号，机车可正常行驶。同时，高压绝缘检测异常时，司乘人员可结合司机室机械网压表的显示进一步判断车顶状态，从而降低机车机破的风险。

本文对高压绝缘检测电路进行分析，提出了HXD2系列六轴机车高压绝缘检测回路的改造方案，可有效延长机车高压绝缘检测装置的使用寿命，提高机车运用率。

本工作成果发表在2024年第8期《电气技术》，论文标题为“HXD2型机车高压绝缘检测回路优化及改造”，作者为朱钾、于保华。

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