6A 系統高壓絕緣檢測箱典型故障與處理

胡建功，師君恕，王錚赫，王立成

（蘭州局集團公司蘭州西機務段，甘肅 蘭州 730000）

和諧系列機車車頂高壓絕緣檢測子系統，是機車車載安全防護系統（6A 系統）的一個重要組成部分，用于檢測車頂高壓設備的絕緣狀態，工作時主要由機車高壓絕緣檢測箱（以下簡稱檢測箱）、高壓電壓互感器以及連接的線纜組成[1]，在日常的維護中最容易出問題的部分就是檢測箱。目前我段承修的檢測箱大約有6 種，它們的工作原理大同小異，本篇文章將對HXD1C 機車上安裝的xxxx 牌的檢測箱進行講解，主要內容有檢測箱的工作原理、安全保護電路的實現過程、內部繼電器電子電路的邏輯控制，以及典型故障的維修流程圖，以此達到快速檢修檢測箱的目的。

1 高壓絕緣檢測箱工作原理簡述

高壓絕緣檢測箱主要部分就是一個逆變電源，將機車蓄電池的直流電，通過閉環開關電源技術和直流逆變交流技術，轉化為工頻0～100 V 的正弦交流電（不同車型對應的電壓不同），提供給機車高壓電壓互感器的二次側，在一次側感應出約25 kV 的高壓電，來檢測車頂高壓設備絕緣狀態，逆變電源為兩級逆變器，前級為DC/DC變換電路，后級為DC/AC 的逆變電路，整個電路由輔助開關電源，中央處理單元及顯示電路、TL494 脈寬調制（PWM）、高頻升壓電路、整流濾波電路、正弦波驅動（SPWM）、H 橋電路、輸入輸出接口電路8 大部分組成。通過K1-K6 繼電器的邏輯控制，將這8 部分根據操作順序和實現功能串接到一起，同時根據電路的運行狀況，用指示燈、顯示屏、蜂鳴器來進行工作指示和報警指示（圖1）。

圖1 高壓絕緣檢測箱原理框圖

在DC/DC 變換電路中，通過藍鑰匙旋轉開關將機車蓄電池110 V 直流電輸入到輔助開關電源，降壓后輸出3 路相互獨立的12 V 低壓直流電，1 路電壓送往CPU 及繼電器的供電，2 路送往前級驅動電路、保護電路，3 路送往后級驅動電路，同時110 V 的CPU 供電指示燈點亮，表明各路供電正常?？刂葡渥詣舆M入自檢狀態，TL494 對脈沖的寬度進行調制，得到等效含有形狀和幅值的PWM波形[2]，輸入到推挽升壓電路的2 個開關管的柵極上，交替驅動2 個MOS 管，經高頻變壓器耦合輸出矩形波交變電流，經整流濾波變為需要的直流電壓和電流，為后面的逆變提供足夠的功率。

在DC/AC 的逆變環節中，正弦波脈寬調制（SWPM）采用的是單相純正弦波逆變器驅動板，專門用于單相正弦波逆變器的驅動，控制芯片為EG8010，驅動芯片采用的是IR2110S，專用于MOSFET 的驅動，驅動板上集成了電壓、電流、溫度保護、LED 告警顯示等功能[3]，在進行出庫檢查或運行檢測時，驅動板輸出4 路共地的正弦波調制信號提供給H 橋來驅動4 顆MOS 管，將橋式整流濾波后的直流電轉換成50 Hz、0～100 V 的正弦交流電。

2 保護電路的實現

2.1 外網有電保護

當受電弓未降下時高壓互感器的次邊會感應出正弦交流電，送入檢測盒的JP2 接口插座1-5、7-11 針腳上，通過K6 繼電器的常閉觸點（1-5）和（2-6）進入檢測電路，經D31 整流和C73 的濾波后，流過光耦U18 的發光二極管側，光耦獲得導通電流，三極管側導通將JP01-12腳電平拉低，并通知CPU 點亮面板上“外網有電”紅色故障指示燈，液晶顯示屏顯示“外網有電”字符，蜂鳴器發出“滴滴”報警聲。R104 為分壓電阻，R103 為限流電阻，以防電流過大燒損光耦。當進入到出庫檢測和運行檢測環節時，K6 繼電器吸合常開觸點（3-5）、（4-6）接通，逆變電源產生的正弦波電壓輸出到高壓互感器的二次側，同時常閉觸點斷開切除外網有電保護電路（圖2）。

圖2 外網有電檢測電路

2.2 電鑰匙開的保護

機車電鑰匙打開時接口插座JP2 的14 針腳就會有110 V 電壓送到D38 上，點亮D39 發光二極管，光耦U23 二極管側有電流過，三級管側導通將JP01 的7 腳電位拉低，CPU 點亮面板上“電鑰匙開”紅色故障指示燈，液晶顯示屏顯示“電鑰匙開”字符，蜂鳴器發出“滴滴”報警聲，同時110 V 擊穿D40 穩壓管給三極管Q7的基級提供偏置，Q7 導通短路Q8 的基級供電，K5 繼電器不能吸合，逆變電源前級驅動無法工作，不能進入自檢環節（圖3）。

圖3 電鑰匙開和K5、K6 繼電器的工作電路

3 檢測箱繼電器的邏輯控制

3.1 K1 繼電器線圈的供電電路

3.1.1 K1 繼電器的吸合過程

110 V+電源經R106 的降壓和D29 穩壓后，再經K1繼電器的線圈加到三極管Q15 的集電極上，另一路電在通電的一瞬間經電容C181 電阻R107 加到Q15 的基極上，使Q15 飽和導通，過K2-J2 常閉觸點到110-端，K1繼電器吸合，同時觸點K1-J1 閉合短接Q15 使K1 繼電器自鎖（圖4）。

圖4 K1 繼電器的工作電路

上電的瞬間C181 充電，Q15 導通K1 繼電器吸合，輔助開關電源得電，檢測箱可以進行自檢，如遇異常想重復上述操作，由于電容C181 已充滿電處于阻斷狀態，無法為Q15 的基級提供電壓偏置，所以必須斷藍鑰匙等待5 s 以上，使C181 的電荷釋放后可進行下一次操作。

3.1.2 K1 繼電器吸合的作用

當K1 繼電器吸合時K2 繼電器處于釋放狀態，K1-J1 閉合自鎖K1，K1-J2 觸點閉合接通110 V 到輔助開關電源的供電，輔助開關電源降壓輸出三路低壓直流電，為全電路提供能源（圖1）。

3.2 K2、K3、K4 繼電器線圈的供電電路

輔助開關電源工作后變壓器T1 的a5-x5 繞組輸出的交流電，經D28 整流和C36、C37 濾波后加到U16-LM7812 的輸入端，在輸出端通過L5 和C38 組成的LC濾波器濾波后輸出穩定的12 V 直流電，加到K2、K3、K4繼電器的線圈上，同時D49 指示燈點亮表明1 路12 V輸出正常（圖5）。

3.2.1 K2 繼電器的吸合過程

當自檢和出庫檢測、運行檢測完成后在120 s 內沒有操作時，CPU 通過JP01 接口的8 腳輸出高電平加到Q16 的基級上，Q16 導通K2 繼電器吸合（圖5）。

3.2.2 K2 繼電器吸合的作用

K2 繼電器吸合后常閉觸點K2-J2 斷開，切斷K1 繼電器負端回路迫使K1 繼電器釋放，K1-J2 觸點切斷輔助開關電源的供電，造成整個裝置處于斷電狀態（圖1）。

3.2.3 K3 繼電器的吸合過程

當得到自檢或檢測命令時，CPU 通過JP01 接口的11 腳輸出高電平加到Q17 的基級上，Q17 導通K3 繼電器吸合（圖5）。

圖5 K2、K3、K4 繼電器的工作電路

3.2.4 K3 繼電器的吸合作用

K3 繼電器吸合后，觸點K3-J1 閉合為前級驅動電路（TL494 脈寬調制PWM）以及反饋電路供電12 V，K3-J2觸點閉合為后極驅動電路（正弦波驅動電路SPWM）供電12 V 和5 V（圖1）。

3.2.5 K4 繼電器的吸合過程

在檢測箱沒有操作時，JP01 的9 腳始終為高電平，當進行自檢或絕緣檢測時，JP01 的9 腳被CPU 拉低，Q14 的基級變為低電平，12 V 電源通過K4 繼電器線圈加到PNP 三極管Q14 的發射極，Q14 導通K4 繼電器吸合（圖5）。

3.2.6 K4 繼電器的吸合作用

K4 繼電器吸合后K4-J2 觸點閉合，接通K5、K6、U22 及其他負端回路到EMI 后電源總負端，為K5、K6 繼電器的吸合做好準備（圖3）。

3.3 K5、K6 繼電器線圈的供電電路

機車藍鑰匙旋轉到“開”位置時，DC110 V+通過C52、C53 和共模電感T4 組成的EMI 電路，對電源進一步濾波，在通過熱敏電阻R71 整流二極管D32 加入到K5、K6 繼電器的線圈上，熱敏電阻R71 冷態電阻大，熱態電阻小，在上電的瞬間可對C54 的沖擊電流加以抑制（圖3）。

3.3.1 K5 繼電器的吸合過程

110 V+通過K5 繼電器的線圈加到三極管Q8 的集電極上，同時110 V+經R91 的降壓D41 的穩壓C65 進一步濾波后，過D42 以及電阻R96 給Q8 基級提供偏置，Q8 有了基級驅動電壓而導通K5 繼電器吸合（見圖3）。

3.3.2 K5 繼電器的吸合作用

K5 繼電器吸合后接通前級驅動電路（TL494 脈寬調制PWM）及反饋電路的負端，接通推挽升壓電路的110 V 直流供電，接通輔助開關電源穩壓反饋電路的負端（圖1）。

3.3.3 K6 繼電器的吸合過程

當進行出庫檢測和運行檢測時，CPU 接到指令后通過JP01 的10 腳輸出高電平，電流流過R99 和光耦U22的發光二極管側，光耦發生光電效應三極管測導通，電流經R97 加到三極管Q9 的基級上，使Q9 導通K6 繼電器吸合（圖3）。

3.3.4 K6 繼電器吸合的作用

K6 繼電器只有在出庫檢測和運行檢測時吸合，從常開觸點輸出正弦交流電壓到電壓互感器二次側，同時常閉觸點斷開“外網有電”檢測電路（圖3、圖5）。

表1 為K1-K6 繼電器功能表，對以上電路進行的總結。

表1 繼電器序號及功能表

4 典型故障的維修

經過以上介紹，我們對檢測盒的作用原理有了一個大致的了解，維修時就有了方向，下面針對電路板容易出現的典型故障的維修流程進行說明。

4.1 自檢時顯示“ 設備故障”，無正弦波交流電或電壓不足

和諧系列機車，由于高壓互感器的變比不同，逆變所需要產生的交流電壓不同，HXD1C 的變比為100 V/25 kV，也就是說逆變電源產生交流電應該是AC100 V，空載實際的測量應該是110 V，無電壓和電壓過低時自檢是無法通過的，針對此故障檢修思路如圖6 所示。

圖6 自檢故障無正弦交流電或電壓不足檢修流程圖

4.2 輔助開關電源無輸出或某一路無輸出

輔助開關電源無輸出，各部供電均不正常，或某一路無輸出逆變電源不工作，無法進入自檢環節，檢測箱報“設備故障”，檢查順序如圖7 所示。

圖7 輔助開關電源無輸出或某一路無輸出故障檢修流程圖

4.3 無正弦波驅動信號（ SPWM）

檢修思路如圖8 所示。

圖8 無正弦波驅動信號（SPWM）故障檢修流程圖

5 結束語

本文對車頂高壓絕緣檢測箱的工作原理進行了講解，詳細介紹了2 種保護電路的實現過程，以及6 組繼電器的邏輯控制電路，對高壓絕緣檢測箱的故障診斷，有了一定的技術理論支持，從而制定出科學合理的檢修策略，達到了快速維修的目的。