鐵路客車DC 48V絕緣監測裝置設計與研制

劉建成 夏子杰 陳宇航 馮海波

摘 要：鐵路客車發生的各類火災事故中，電氣系統引發的故障已逐漸成為威脅客車安全的首要因素。直流系統是鐵路客車供電系統的關鍵組成部分，為信號設備、自動裝置、事故照明、應急電源、斷路器分合閘操作等提供直流電源。文中對現有DC 48 V絕緣監測裝置存在的不足進行分析并提出改進方案，采用不平衡電橋原理監測絕緣電阻，在母線電壓檢測單元中加入隔離電路，主控MCU采用STM32F429系列單片機，軟件部分新增網絡和藍牙通信功能，可對系統進行時鐘校準和定期軟件升級。實踐表明，該裝置具有結構簡單、擴展性強和可導性高等優點，具有一定的市場應用前景。

關鍵詞：直流系統;絕緣電阻;隔離電路;不平衡電橋;時鐘校準;網絡通信

中圖分類號：TP277;TM72文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）03-00-03

0 引 言

直流系統是鐵路客車供電系統的關鍵組成部分，其工作狀況直接影響鐵路客車的安全穩定運行[1]。由于老式塑殼斷路器使用熱磁式保護，用金屬片進行過載保護，精度較差，而漏電斷路器采用簡單的檢測保護模塊，功能單一，缺乏綜合性安全保護，因此當供電母線出現過壓、欠壓、短路等故障時，無法做出快速、準確的反應，存在安全隱患[2]。故對直流系統的絕緣狀態進行實時監測與快速反應具有重要意義。

本文研制的鐵路客車DC 48 V絕緣監測裝置新增數據存儲、時鐘校準、定期自檢、網絡通信等功能，包含嵌入式控制、USB存儲、無線藍牙通信等功能，可實時監測直流母線對地的漏電阻值，當測量值達到報警閾值時觸發聲光報警。同時，存儲模塊實時存儲監測數據，用戶可用U盤通過USB接口下載數據做后續的計算分析，并可通過手機等帶有藍牙功能的無線通信設備對整個系統的時鐘進行校準，還可利用PC設備對裝置進行定期軟件升級。

1 裝置的結構原理

DC 48 V絕緣監測裝置采用STM32作為主控制器，包含不平衡橋式電路、隔離模塊、調理電路模塊、USB接口模塊、E2PROM存儲模塊、液晶顯示模塊、聲音報警模塊、狀態指示模塊、藍牙模塊和網絡通信模塊。DC 48 V絕緣監測裝置結構如圖1所示，各模塊實現方案及功能如下：

（1）不平衡橋式電路：在正負母線與接地外殼之間接入一系列電阻，通過控制接入電阻阻值的大小以及各電阻上不同的電壓測量值，列出相關方程組計算出正負母線對地絕緣阻值的大小[3]。同時，可通過控制不平衡橋式電路中的開關K2，K3實現定期自檢功能。

（2）隔離模塊：將正負母線對地電壓分別通過2個ADuM4190隔離運放進行隔離處理后再分別輸入電壓采樣模塊，有效避免待測電壓信號對系統的干擾[4]。

（3）調理電路模塊：將隔離后的正負母線對地電壓經濾波和阻抗匹配后送入單片機的A/D采樣模塊[5]。

（4）E2PROM存儲模塊：選用M24M02-DR型號的大容量E2PROM，實時記錄數據并供用戶下載。

（5）USB接口模塊：選用USB118AD模塊，系統存儲的數據可供U盤等帶有USB接口的存儲設備下載。

（6）液晶顯示模塊：選用5寸800×480點陣、RGB888的LCD彩色電容液晶屏幕，實時顯示系統記錄的數據以及各種信息。

（7）聲音報警及狀態指示模塊，當發生以下幾種情況時觸發報警，蜂鳴器啟動，LED紅燈閃爍：

①超壓報警：當母線電壓超過49 V時產生報警信號。

②欠壓報警：當母線電壓低于47 V時產生報警信號。

③絕緣報警：當系統接地電阻≤1 kΩ時產生報警信號。

（8）藍牙模塊：選用HC-05藍牙通信模塊與具有藍牙功能的移動通信設備連接，對系統時鐘進行實時校準[6]。

（9）網絡通信模塊：具有RS 232接口和RS 485接口，可將監測數據上傳至上位機，同時定期進行系統程序更新與維護。

2 硬件設計

2.1 不平衡電橋電路的設計

不平衡電橋法基本原理如圖2所示。RA，RB分別表示正負母線與地之間的絕緣電阻，U1，U2分別表示電阻RA，RB上的分壓值。

通過控制開關K1的通斷改變正負母線電壓在電阻RA，RB上的分壓比。當K1閉合時，可得：

式中U1'，U2'表示當K1斷開時正負母線在RA，RB上的壓降。聯立式（1）、式（2）即可解得RA，RB值。

當裝置進行定期自檢時，可通過單片機控制K2，K3通斷。將RC，RD接入電路，其中RC，RD均設置為800 Ω，此時正負母線對地絕緣阻值低于報警閾值，若觸發報警則裝置正常，否則裝置存在故障，應立即檢修。

2.2 母線電壓采樣與隔離電路

測算正負母線對地絕緣阻值時需對正負母線的對地電壓進行采樣，為了避免強電對處理電路的干擾，在對正負母線電壓采樣前需加入隔離電路對電壓信號進行隔離，同時將電壓調至0～3.3 V。其中負母線電壓經過反相電路轉換成正電壓輸入隔離運放，后級電壓跟隨器實現阻抗匹配[7]。圖3所示為母線電壓采樣與隔離電路原理圖。

2.3 主要模塊選擇

2.3.1 MCU的選擇

MCU是整個裝置的控制核心，其主要功能為母線電壓采樣處理、LCD電容屏驅動、藍牙模塊配置與連接、網絡接口配置、聲光報警模塊控制、E2PROM及USB存儲模塊配置。設計中選擇處理能力強、集成度高、能耗較低，易于開發與調試的STM32F429系列單片機。

2.3.2 顯示模塊的選擇

為了方便用戶操作，選用5寸電容觸控屏，顯示更多信息的同時獲得更好的人機交互體驗[8]。

2.3.3 藍牙模塊的選擇

在監測直流系統絕緣狀況時，系統時鐘累積誤差會影響數據的準確性。為了解決這個問題，選用HC-05藍牙模塊定期通過帶有藍牙功能的移動設備對系統時鐘進行校準更新，在確保數據準確性的同時提高便攜性。

2.3.4 存儲模塊的選擇

漏電時的絕緣電阻以及時間點都是監測時比較重要的數據。為了方便存儲和下載，選用E2PROM-M24M02-DR存儲實時數據，并使用USB-OTG功能，以裝置作為主機將漏電阻和時間數據寫入U盤。

3 軟件設計

3.1 母線絕緣監測

在不平衡電橋條件下，利用母線電壓計算接地電阻的大小。采樣到母線電壓后，對其電壓狀態進行分析。若存在嚴重超壓或欠壓的情況則直接觸發報警，情況正常則計算出接地電阻的阻值并與設定閾值進行比較。若所得接地電阻阻值小于設定閾值，則觸發報警。母線絕緣監測流程如圖4所示。

3.2 接地電阻的計算

根據式（1）、式（2）可得電阻RA，RB的計算公式為：

4 裝置具體實施方案

當系統上電時，先進入自檢模式。主控MCU發出控制信號，接通繼電器K2，進行第一次自檢;然后接通繼電器K3，進行第二次自檢。若兩次自檢過程都導致聲光報警器發出報警信號，則裝置正常。

斷開繼電器K2，K3，裝置開始正常監測。在每個工作周期中，先接通繼電器K1，此時MCU對分壓處理好的正負母線電壓進行第一次采樣，得到第一次的正負母線電壓U1，U2;然后斷開繼電器K1，對正負母線電壓進行第二次采樣，得到第二次的正負母線電壓U1'，U2'。通過不平衡電橋計算公式，可在主控MCU中計算得到正負母線的絕緣電阻RA，RB。設備正常工作時不斷重復這個周期。

主控制器將計算得到的正負母線絕緣電阻與設定閾值電壓進行比較，在LCD顯示屏上實時顯示正負母線絕緣電阻值以及當前的絕緣狀態。若處于漏電狀態，則控制器驅動聲光報警器發出警報（紅色LED常亮且蜂鳴器長鳴）;若處于正常狀態，則藍色LED常亮。同時，主控制器將計算得到的正負母線絕緣電阻實時存儲到E2PROM-M24M02-DR中，供U盤下載數據。

LCD顯示屏同時顯示當前設備的藍牙狀態以及時鐘。當設備的藍牙模塊HC-05與外部藍牙終端設備成功連接時，裝置將實時的正負母線絕緣電阻傳輸到該終端設備，并且工作人員可利用手機的藍牙程序對設備時鐘進行調整。裝置上增加RS 232和RS 485接口，以便操作人員利用上位機與其通信以及進行多套裝置組網。

5 裝置實物及測試結果

利用實驗室48 V直流電源模擬鐵路客車DC 48 V電源系統，測試裝置是否能夠準確測算出絕緣阻值并及時報警以及其他相關功能。DC 48 V絕緣監測裝置實物如圖5所示。測試結果見表1所列，誤差在容許范圍內，具有較高的測量精度。

6 結 語

傳統的DC 48 V絕緣監測裝置功能都較為單一，無法存儲采集的數據進行后續分析，且較長時間的時鐘誤差累積又會影響數據的準確性。本文提出的設計方案改進了傳統DC 48 V絕緣監測裝置的各項功能，增加了數據存儲和網絡通信功能，解決了時鐘累積誤差的問題。經模擬實驗驗證，該裝置可準確地測算出正負母線對地絕緣阻值，并正常實現各項報警功能。實踐表明，該系統結構簡單，功能擴展方便，可靠性高，具有較好的市場應用前景。

參 考 文 獻

[1]周興葉，朱建新，陳祥，等.混合動力汽車用電池包動態絕緣電阻檢測方法研究[J].現代電子技術，2017，40（10）：121-124.

[2]刑迎春.ATE電源監控單元中漏電檢測傳感設備的設計[J].現代電子技術，2016，39（12）：149-153，158.

[3] LI L W，ZHOU J Y，SUN H.Research and realization on the DC system grounding fault[C]// 6th International Symposium on Test and Measurement，Dalian，China，2005（8）：7444-7447.

[4]張雄星，王超，陳超，等.線性光電隔離電路的設計[J].現代電子技術，2010，33（24）：189-190.

[5]王大偉，任勇峰，單彥虎.一種過載信號調理電路設計[J].電子器件，2016，39（2）：356-360.

[6] THOITHOI S，KODUR K C，ARIF W.Quaternion based wireless ahrs data transfer using nRF24L01 and HC-05 [J].Microelectronics， computing and communications （MicroCom）， 2016 International Conference，IEEE Conferences，2016（7）：1-6.

[7]于培永，邵天宇，鄧磊，等.直流系統絕緣監測裝置的改進研究[J].節能技術，2013，31（182）：516-521.

[8]孔勰，唐盛，姚萌.基于STM32的RA8806控制器LCD設計[J].現代電子技術，2011，34（5）：200-202.

[9]李翔，張延遲，解大，等.用于橋式電路的多路隔離電源[J].上海電機學院學報，2018，21（3）：24-31.

[10]王紹槐，李劍鳴，顏辰凡.一種臺區漏電保護斷路器的遠程監控方案[J].電測與儀表，2017，54（3）：116-119.