专利名称：基于信号高速采集的机车活接地故障记录分析装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电路检测领域，尤其涉及一种基于信号高速采集的机车活接地故
障记录分析装置。
背景技术：
铁路机车的电器线路包括同步牵引发电机、整流柜、牵引电动机以及连接线路等。 由于牵引电动机吊挂在转向架的横梁上，不断受到振动和冲击，并且在露天工作，受到雨、 雪、风、沙的侵袭，使得该牵引电动机的绝缘能力变差，使得机车电器线路存在活接地(瞬 间接地)的风险。另外，随着铁路机车运行速度不断提高，牵引负荷不断加大，使得机车电 器线路发生活接地的现象越来越频繁。 一旦机车电器线路发生活接地，将造成电路短路，从 而使牵引发电机因电流过大而烧损，严重影响机车的安全运行，造成运输秩序的混乱甚至 引发安全事故。 过去由于检测手段落后，机车电器线路活接地故障很难查找，一般通过排除法拆 除牵引电动机、拆除整流柜，劳动强度大。并且机车检测过程中需要反复上线试验，牵涉部 门广，故障查找周期长。如果不是牵引电动机或主整流柜造成的活接地，而是由于设备或线 路某点绝缘破损、主接触器等元器件造成的主回路活接地，找到并排除更是难上加难。
目前，机车电器线路活接地的检测主要有以下几种方法 1、平衡电阻法 该方法通过在正负母线之间接入两只大小相同的电阻，中间接地，通过测量其中 一只电阻上的电压来判断设备或线路活接地故障。虽然该方法可以准确地判断出正母线活 接地故障及负母线活接地故障，但却无法诊断出指出活接地故障点的具体位置，即无法指 出哪一回路出现了活接地故障。 2、工作电流差值法 该方法通过检测各支路工作电流的差值的变化来判断某一支路出现活接地故障。 该方法虽然可以检测出活接地故障的具体位置，但由于设备的工作电流较大，而活接地电 流往往很�。缌鞔衅鞯暮苄〉奈蟛疃蓟岽笥诨罱拥氐缌鳎虼烁梅椒ㄎ蟊屎吐┍� 较高。
3、振荡信号检测法 该方法的原理是当出现活接地故障时，振荡器产生振荡信号加于被测支路上，同 时探头检测振荡信号来判断活接地故障。该方法可以检测出活接地故障的具体位置，但缺 点是误报率和漏报率较高。 一方面从检测到活接地故障，振荡器起振，到探头检测到振荡 信号，需要一定的时间，因此很多时间较短的活接地故障检测不到。另一方面，由于设备的 工作电流较大，各种频率的干扰信号非常强，而活接地电流往往很�。杏玫牟饬啃藕偶性� 在很强的干扰信号之中，难以分辨。并且由于器件的零点漂移，振荡频率会有偏差，造成有 用的测量信号难以分辨。这些因素都造成该方法误报率和漏报率较高。 以上几种机车电器线路活接地检测方法由于受技术条件的限制活接地故障检测
4误报率和漏报率较高，难以投入使用，铁路机务部门依然采用反复拆除设备、反复上线试验 的方法来查找和排除活接地故障。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题在于，针对上述机车电器线路活接地检测中检测不
够精确的问题，提供一种基于信号高速采集的机车活接地故障记录分析装置。 本实用新型解决上述技术问题的技术方案是，提供一种基于信号高速采集的机车
活接地故障记录分析装置，包括与机车的待检测线路连接并输出特征激励信号的激励信
号发生单元；固定安装在所述待检测线路上并检测所述待检测线路上的特征活接地信号的
接地信号检测器；对所述接地信号检测器输出的活接地检测信号进行高速采集和记录，并
用数字信号分析技术分析以诊断是否存在机车电器线路活接地故障的信号分析单元，所述
信号分析单元的输入端连接到所述接地信号检测器的输出端。 在本实用新型所述的基于信号高速采集的机车活接地故障记录分析装置中，所述 接地信号检测器包括分别固定安装在待检测线路的进口端和出口端的第一检测单元和第 二检测单元，所述第一检测单元和第二检测单元反向安装并串联连接。 在本实用新型所述的基于信号高速采集的机车活接地故障记录分析装置中，所述 第一检测单元和第二检测单元中的每一个包括一个铁芯、缠绕在所述铁芯上的线圈以及将 线缆固定在所述铁芯中心位置的固定结构。 在本实用新型所述的基于信号高速采集的机车活接地故障记录分析装置中，还包 括用于根据信号分析单元的反馈选择输出到机车线路的频率中干扰信号最小的频率作为 所述激励信号发生单元输出的特征激励信号的频率的第一处理单元，所述特征激励信号为 选定频率方波信号。 在本实用新型所述的基于信号高速采集的机车活接地故障记录分析装置中，所述
装置包括分别装设在机车的不同待检测线路处的多个接地信号检测器，每一接地信号检测
器包括分别固定安装在待检测线路的进口端和出口端的第一检测单元和第二检测单元。 在本实用新型所述的基于信号高速采集的机车活接地故障记录分析装置中，所述
信号分析单元包括第二处理单元、运算放大器、可编程带通滤波器、整流器、滤波器、衰减电
路、标准参比信号发生器以及用于高速采集活接地触发信号和多路活接地检测信号并将其
变为数字信号的高速同步A/D转换器，其中整流器、滤波器、衰减电路依次连接且所述整流
器的输入端连接到激励信号发生单元的输出端，所述比较器的两个输入端分别连接到衰减
电路的输出端与标准参比信号发生器并向高速同步A/D转换器输出触发信号，所述接地信
号检测器经由运算放大器及可编程带通滤波器向高速同步A/D转换器输出特征活接地信号。 在本实用新型所述的基于信号高速采集的机车活接地故障记录分析装置中，还包 括对高速同步A/D转换器传送来的活接地触发数字信号和多路活接地检测数字信号进行 记录、分析、处理和判断的第二处理单元，所述第二处理单元的输入端连接所述高速同步A/ D转换器的输出端。 在本实用新型所述的基于信号高速采集的机车活接地故障记录分析装置中，还包 括在第二处理单元在诊断出待检测线路出现活接地故障时进行报警的报警单元。
5[0021] 在本实用新型所述的基于信号高速采集的机车活接地故障记录分析装置中，还包 括在第二处理单元诊断出发生活接地故障时存储触发时刻前后各1秒钟的多个活接地检 测信号及活接地触发信号的波形的存储单元。 在本实用新型所述的基于信号高速采集的机车活接地故障记录分析装置中，所述 激励信号发生单元包括升压变压器和运算放大电路。 本实用新型的基于信号高速采集的机车活接地故障记录分析装置具有以下有益 效果通过记录分析待检测线路中的特征活接地信号实现了特定线路中活接地故障的分 析诊断，从而快速准确地诊断出机车电器线路活接地故障并诊断出活接地故障点的准确位 置，提高了活接地故障诊断的准确性及效率。本实用新型还可提供活接地故障出现瞬间的 活接地信号波形，供专家进行分析诊断，为活接地故障的维修工作提供指导。
下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中 图1是本实用新型基于信号高速采集的机车活接地故障记录分析装置的示意图； 图2是图1中装置的一个具体实例的结构示意图； 图3是图1中的接地信号检测器的安装位置示意图； 图4是图1中接地信号检测器的一个具体实例的结构示意图； 图5是图1中激励信号发生单元的一个具体实例的结构示意图； 图6是图1中信号分析单元的一个具体实例的结构示意图； 图7是图1中激励信号发生单元生成的特征激励信号的波形图； 图8是记录的活接地触发信号及活接地检测信号波形图。
具体实施方式本实用新型通过采集待检测线路中的特征信号，并使用采集的特征信号分析诊断 活接地发生准确位置。 如图1所示，是本实用新型基于信号高速采集的机车活接地故障记录分析装置实 施例的示意图。该装置包括激励信号发生单元11、接地信号检测器12以及信号分析单元 13，其中接地信号检测器12安装在待检测线路10上，而激励信号发生单元11则连接到待 检测线路10。 激励信号发生单元11用于输出特征激励信号到机车的待检测线路IO，其中特征 激励信号为电压值恒定(例如为220V)、频率为设定频率的电信号，例如图7所示。 接地信号检测器12用于检测待检测线路10上的特征活接地信号并将该信号作为 活接地检测信号输出到信号分析单元，其中特征活接地信号由待检测线路10中特征激励 信号的非正常变化而产生。为了实现对整个机车电器线路进行检测，可在电器线路的不同 位置(区段)分别设置接地信号检测器12。 信号分析单元13用于对接地信号检测器11输出的活接地检测信号进行分析以诊 断是否存在电器线路活接地故障。具体地，该信号分析单元13首先使用比较器将经整流、 滤波后的特征激励信号与标准参比信号比较，并将比较器的输出信号转换为数字信号作为 活接地触发信号，在活接地发生瞬间，触发信号由高电平变为低电平。信号分析单元13不断高速采样活接地触发信号和多路活接地检测信号，将模拟信号变为数字信号。在触发信 号为低电平时，初步判断有活接地故障出现，同时对所述活接地检测信号和活接地触发信 号用数字信号分析方法进行分析处理，以诊断出待检测线路是否出现活接地故障(例如用 数字分析方法提取出的活接地特征信号超过设定的阀值时诊断出现活接地故障)并确定 出现活接地故障的具体位置。 如图3所示，可将机车电器线路划分为多个待检测线路区段，每一区段中设置1组 接地信号检测器12，每一组接地信号检测器12包括分别套设并固定安装在待检测线路的 进口端和出口端的第一检测单元和第二检测单元，且第一检测单元和第二检测单元反向安 装。第一检测单元和第二检测单元的输出信号串联后作为此段待检测线路的活接地检测信 号。 在机车电器线路没有活接地故障时，待检测线路中的特征激励信号无跳变，第一 检测单元和第二检测单元都无特征信号输出，从而取差分后的活接地检测信号中也不会有 特征信号成分。如果机车电器线路出现活接地故障而故障点不在此段待检测线路上，而特 征电流(即电流跳变)不流过此段待检测线路，第一检测单元和第二检测单元都无特征信 号，取差分后的活接地检测信号中也不会有特征信号成分。如果机车电器线路出现活接地 故障而故障点不在此段待检测线路上，而特征电流流过此段线路，第一检测单元和第二检 测单元都出现相同的特征信号，取差分后两信号相减后相互抵消，因此活接地检测信号中 也不会有特征信号成分。如果机车电器线路出现活接地故障而故障点在此段待检测线路 上，则第一检测单元有特征信号，第二检测单元无特征信号，或第一检测单元与第二检测单 元的特征信号大小、方向不同，取差分后两信号相减后不能相互抵消，因此活接地检测信号 中会出现特征信号成分。 由于机车电器线路中的待检测线路上除了特征激励信号外还有很大的工作电流 (数值上可以达到数百安培至数千安培，信号上有直流、交流甚至更为复杂的波形)，而出 现活接地故障时由于特征激励信号产生的特征活接地信号很�。虼诵藕诺募觳夂头治黾� 为重要。在本实施例中，接地信号检测器12(即第一检测单元/第二检测单元)采用抗饱 和高增益特征活接地信号检测器。如图4所示，接地信号检测器12包括一个特殊设计的铁 芯(U形铁芯)、缠绕在铁芯上的线圈以及将待检测线路10的线缆固定在铁芯中心位置的固 定结构(例如图4中所示的弹簧)。为了提高特征活接地信号(测量信号)的增益同时防 止很大的工作电流造成的饱和，采用了 U形铁芯；上述接地信号检测器12通过固定结构将 被检测线路始终牢固地固定于接地信号检测器12的中心位置，防止在运动中由于被检测 线路几何位置的变化造成测量误差。 如图2所示，是图1中装置的一个具体实例的结构示意图。该装置由主机、接地特 征信号检测器及激励信号输出线组成，其中接地特征信号检测器通过信号测试线连接到主 机。 上述主机用于实现对机车电器线路活接地故障信号的高速采集、记录和分析，准 确诊断活接地故障点的具体位置，其具体包括主CPU(第一处理单元)、激励信号发生单元、 信号分析单元、供电单元、通信单元、输入输出单元、报警单元、复位单元、存贮单元。 如图5所示，激励信号发生单元由SG3525芯片、运算放大器、MOS管、升压变压器 等组成。由主CPU向MOS管3发出命令以产生特征激励信号，所述特征激励信号为选定频率方波信号。 如图6所示，信号分析单元由从CPU(DSP，第二处理单元)、高速同步A/D转换器、 运算放大器、可编程带通滤波器、滤波器、整流器、衰减器、标准参比信号、光电隔离器等组 成，并从接地信号检测器获取活接地检测信号。 以下结合图3所示的实例说明信号分析单元的活接地故障的检测原理 激励信号发生单元11向待检测线路10发送特征激励信号，多组接地信号检测器
12穿在主回路不同区段上检测特征激励信号。正常情况下，由于电机主回路的设备线路和
地之间是绝缘的，对地绝缘电阻为无穷大至几兆欧姆，特征激励信号的电压稳定在工作电
压，活接地触发信号保持高电平，并且接地信号检测器检测不到特征激励信号跳变而产生
的特征活接地信号。 如果被测设备的线路有活接地故障出现，对地绝缘电阻瞬间由几兆欧姆跌落至几 千欧姆甚至更低，特征激励信号瞬间会有一个电压跌落，特征激励信号和标准参比信号送 入比较器，比较器输出信号波形的记录和实时数据分析结果可以作为活接地故障的触发信 号(第一个判据)，初步确定机车电器线路出现活接地故障。同时，由于机车电器线路对地 绝缘电阻瞬间由几兆欧姆跌落至几千欧姆甚至更低，在被测设备的线路和地之间将有符合 特征频率的、电流大小不同的特征活接地电流流过，抗饱和高增益接地信号检测器可以检 测到特征活接地电流信号，此信号为暂态信号。信号分析单元高速采集记录活接地触发信 号和多路活接地检测信号，并对所述活接地检测信号和活接地触发信号用数字信号分析方 法进行分析处理，提取活接地故障特征信号，以诊断出待检测线路是否出现活接地故障及 出现活接地故障的具体位置。活接地检测信号的数字信号分析结果可以作为机车电器线路 活接地故障的第二个判据，进一步确定活接地故障。 在检测时，信号分析单元13对输出到待检测线路的特征激励信号进行检测，此特 征激励信号经整流、滤波、衰减后，和标准参比信号一同送入比较器进行比较，比较器输出 信号经高速同步A/D转换器变为数字信号后送入从CPU(DSP)作为活接地故障触发信号。正 常情况下，待检测线路对地绝缘电阻较大，电压为工作电压的方波特征激励信号经整流、滤 波、衰减后，和标准参比信号比较后比较器输出高电平。在活接地故障出现的瞬间，由于对 地绝缘电阻较�。卣骷だ藕诺缪菇湫。�、滤波、衰减后，和标准参比信号比较后 比较器输出低电平。从CPU(DSP)控制高速同步A/D转换器高速采集记录活接地触发信号 和多路活接地检测信号，并对所述活接地检测信号和活接地触发信号用数字信号分析方法 进行分析处理，提取活接地故障特征信号，以诊断出待检测线路是否出现活接地故障，并立 刻通过主机的输出单元和报警单元进行显示和报警；同时对触发时刻前后各1秒钟多个活 接地检测信号及活接地触发信号进行记录存贮，以供专业人员对活接地故障进行分析。 由于被检测设备的线路上同时有很大的工作电流存在，数值上可以达到数百安 培至数千安培，信号上有直流、交流甚至更为复杂的波形，而特征激励信号很�。虼私拥� 信号检测器12检测到的信号中除含有特征活接地信号外还含有大量的各种频率的干扰信 号。为避免同频干扰，需在活接地检测前先检测线路中干扰信号，对干扰信号进行数字信号 分析，在激励信号发生单元工作频率范围内找出干扰信号相对较小的频点并以此作为工作 频点。具体地，主CPU向6个可编程带通滤波器发出频率1选通命令，检测频率1的干扰信 号，信号经放大、滤波后经高速同步A/D转换器变为数字信号后送入从CPU(DSP)进行数字信号分析，计算出频率l的干扰信号的大小。主CPU重复上述过程，依次计算出整个工作频 率范围内干扰信号的大�。⒄页稣龉ぷ髌德是淠诟扇判藕抛钚〉钠德剩源似德首� 为特征激励信号的工作频率。 上述基于信号高速采集的机车活接地故障记录分析装置可以准确而方便地诊断 出不断运动中的机车电气线路的活接地故障，可以准确地诊断到出现活接地故障的具体位 置，指导机车乘务人员及时采取措施，防止发生行车安全事故。此外，上述装置还可记录下 机车电器线路出现活接地故障瞬间活接地信号和触发信号波形，供专家分析诊断，指导设 备的维修工作。 和传统的方法相比，本实用新型具有明显的优点 (1)形象直观。采用高速同步采样技术直接记录各支路活接地故障检测信号波形 和触发信号波形，并在基于信号高速采集的机车活接地故障记录分析装置上将活接地信号 波形和触发信号波形显示出来，相当于为机车主回路的各支路绝缘做"心电图"，并为利用 各种先进的数字信号分析方法对信号进行分析打下了基础。 (2)信号检测灵敏。采用抗饱和高增益接地信号检测器，可以在很大的工作电流中 检测到微弱的特征活接地信号。 (3)抗干扰性强。(a)采用了干扰信号频率扫描技术，动态地检测干扰信号的频 谱，以此为基础确定特征激励信号的频率，有效地避免了同频干扰。(b)硬件上采用了可编 程带通滤波器，最大限度地减小了干扰信号的影响。(c)软件上采用了数字信号分析技术， 准确地提取出了特征活接地信号。 (4)特征激励信号频率准确。由CPU直接控制MOS管开关产生方波信号，特征激励 信号频率偏差极小。
(5)诊断准确，活接地故障误报率和漏报率低。由于采用上述一系列软硬件技术及
数字信号分析处理技术，确保了机车电器线路活接地故障检测的准确性。 本实用新型可应用于铁路的内燃机车、电力机车电器线路的活接地故障分析诊断
和维修，也可用于汽车、船舶以及军事领域的坦克、舰艇等大型重要的运动设备活接地故障
分析诊断和维修。 以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式
，但本实用新型的保护范围并不 局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到 的变化或替换，都应涵盖在本 用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该 以权利要求的保护范围为准。
权利要求一种基于信号高速采集的机车活接地故障记录分析装置，其特征在于，包括与机车的待检测线路连接并输出特征激励信号的激励信号发生单元；固定安装在所述待检测线路上并检测所述待检测线路上的特征活接地信号的接地信号检测器；对所述接地信号检测器输出的活接地检测信号进行高速采集和记录，并用数字信号分析技术分析以诊断是否存在机车电器线路活接地故障的信号分析单元，所述信号分析单元的输入端连接到所述接地信号检测器的输出端。
2. 根据权利要求1所述的基于信号高速采集的机车活接地故障记录分析装置，其特征 在于，所述接地信号检测器包括分别固定安装在待检测线路的进口端和出口端的第一检测 单元和第二检测单元，所述第一检测单元和第二检测单元反向安装并串联连接。
3. 根据权利要求2所述的基于信号高速采集的机车活接地故障记录分析装置，其特征 在于，所述第一检测单元和第二检测单元中的每一个包括一个铁芯、缠绕在所述铁芯上的 线圈以及将线缆固定在所述铁芯中心位置的固定结构。
4. 根据权利要求1所述的基于信号高速采集的机车活接地故障记录分析装置，其特征 在于，还包括用于根据信号分析单元的反馈选择输出到机车线路的频率中干扰信号最小的 频率作为所述激励信号发生单元输出的特征激励信号的频率的第一处理单元，所述特征激励信号为选定频率方波信号。
5. 根据权利要求1所述的基于信号高速采集的机车活接地故障记录分析装置，其特征 在于，所述装置包括分别装设在机车的不同待检测线路处的多个接地信号检测器，每一接 地信号检测器包括分别固定安装在待检测线路的进口端和出口端的第一检测单元和第二 检测单元。
6. 根据权利要求1所述的基于信号高速采集的机车活接地故障记录分析装置，其特征 在于，所述信号分析单元包括运算放大器、可编程带通滤波器、整流器、滤波器、衰减电路、 标准参比信号发生器以及用于高速采集活接地触发信号和多路活接地检测信号并将其变 为数字信号的高速同步A/D转换器，其中整流器、滤波器、衰减电路依次连接且所述整流器 的输入端连接到激励信号发生单元的输出端，所述比较器的两个输入端分别连接到衰减电 路的输出端与标准参比信号发生器并向高速同步A/D转换器输出活接地触发信号，所述接 地信号检测器经由运算放大器及可编程带通滤波器向高速同步A/D转换器输出活接地检 测信号。
7. 根据权利要求6所述的基于信号高速采集的机车活接地故障记录分析装置，其特征 在于，还包括对高速同步A/D转换器传送来的活接地触发信号和多路活接地检测信号进行 记录、分析、处理和判断的第二处理单元，所述第二处理单元的输入端连接所述高速同步A/ D转换器的输出端。
8. 根据权利要求6所述的基于信号高速采集的机车活接地故障记录分析装置，其特 征在于，还包括在第二处理单元在诊断出待检测线路出现活接地故障时进行报警的报警单 元。
9. 根据权利要求7所述的基于信号高速采集的机车活接地故障记录分析装置，其特征 在于，还包括在第二处理单元诊断出发生活接地故障时存储触发时刻前后各1秒钟的多个 活接地检测信号及活接地触发信号的波形的存储单元。
10. 根据权利要求1所述的基于信号高速采集的机车活接地故障记录分析装置，其特征在于，所述激励信号发生单元包括升压变压器和运算放大电路。
专利摘要本实用新型涉及一种基于信号高速采集的机车活接地故障记录分析装置，包括与机车的待检测线路连接并输出特征激励信号的激励信号发生单元；固定安装在所述待检测线路上并检测待检测线路上的特征活接地信号的接地信号检测器；对接地信号检测器输出的活接地检测信号进行高速采集和记录，并用数字信号分析技术分析以诊断是否存在机车电器线路活接地故障的信号分析单元。所述信号分析单元的输入端连接到所述接地信号检测器的输出端。本实用新型通过记录分析待检测线路中的特征活接地信号实现了特定线路中活接地故障的分析诊断，从而快速准确地诊断出机车电器线路活接地故障并诊断出活接地故障点的准确位置，提高了活接地故障诊断的准确性及效率。
文档编号G01R31/02GK201548644SQ20092020479
公开日2010年8月11日 申请日期2009年9月15日 优先权日2009年9月15日
发明者王汝钢 申请人:深圳市普禄科智能检测设备有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
