铁路客车DC 48V绝缘监测装置设计与研制

刘建成 夏子杰 陈宇航 冯海波

摘 要：铁路客车发生的各类火灾事故中，电气系统引发的故障已逐渐成为威胁客车安全的首要因素。直流系统是铁路客车供电系统的关键组成部分，为信号设备、自动装置、事故照明、应急电源、断路器分合闸操作等提供直流电源。文中对现有DC 48 V绝缘监测装置存在的不足进行分析并提出改进方案，采用不平衡电桥原理监测绝缘电阻，在母线电压检测单元中加入隔离电路，主控MCU采用STM32F429系列单片机，软件部分新增网络和蓝牙通信功能，可对系统进行时钟校准和定期软件升级。实践表明，该装置具有结构简单、扩展性强和可导性高等优点，具有一定的市场应用前景。

关键词：直流系统;绝缘电阻;隔离电路;不平衡电桥;时钟校准;网络通信

中图分类号：TP277;TM72文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）03-00-03

0 引 言

直流系统是铁路客车供电系统的关键组成部分，其工作状况直接影响铁路客车的安全稳定运行[1]。由于老式塑壳断路器使用热磁式保护，用金属片进行过载保护，精度较差，而漏电断路器采用简单的检测保护模块，功能单一，缺乏综合性安全保护，因此当供电母线出现过压、欠压、短路等故障时，无法做出快速、准确的反应，存在安全隐患[2]。故对直流系统的绝缘状态进行实时监测与快速反应具有重要意义。

本文研制的铁路客车DC 48 V绝缘监测装置新增数据存储、时钟校准、定期自检、网络通信等功能，包含嵌入式控制、USB存储、无线蓝牙通信等功能，可实时监测直流母线对地的漏电阻值，当测量值达到报警阈值时触发声光报警。同时，存储模块实时存储监测数据，用户可用U盘通过USB接口下载数据做后续的计算分析，并可通过手机等带有蓝牙功能的无线通信设备对整个系统的时钟进行校准，还可利用PC设备对装置进行定期软件升级。

1 裝置的结构原理

DC 48 V绝缘监测装置采用STM32作为主控制器，包含不平衡桥式电路、隔离模块、调理电路模块、USB接口模块、E2PROM存储模块、液晶显示模块、声音报警模块、状态指示模块、蓝牙模块和网络通信模块。DC 48 V绝缘监测装置结构如图1所示，各模块实现方案及功能如下：

（1）不平衡桥式电路：在正负母线与接地外壳之间接入一系列电阻，通过控制接入电阻阻值的大小以及各电阻上不同的电压测量值，列出相关方程组计算出正负母线对地绝缘阻值的大小[3]。同时，可通过控制不平衡桥式电路中的开关K2，K3实现定期自检功能。

（2）隔离模块：将正负母线对地电压分别通过2个ADuM4190隔离运放进行隔离处理后再分别输入电压采样模块，有效避免待测电压信号对系统的干扰[4]。

（3）调理电路模块：将隔离后的正负母线对地电压经滤波和阻抗匹配后送入单片机的A/D采样模块[5]。

（4）E2PROM存储模块：选用M24M02-DR型号的大容量E2PROM，实时记录数据并供用户下载。

（5）USB接口模块：选用USB118AD模块，系统存储的数据可供U盘等带有USB接口的存储设备下载。

（6）液晶显示模块：选用5寸800×480点阵、RGB888的LCD彩色电容液晶屏幕，实时显示系统记录的数据以及各种信息。

（7）声音报警及状态指示模块，当发生以下几种情况时触发报警，蜂鸣器启动，LED红灯闪烁：

①超压报警：当母线电压超过49 V时产生报警信号。

②欠压报警：当母线电压低于47 V时产生报警信号。

③绝缘报警：当系统接地电阻≤1 kΩ时产生报警信号。

（8）蓝牙模块：选用HC-05蓝牙通信模块与具有蓝牙功能的移动通信设备连接，对系统时钟进行实时校准[6]。

（9）网络通信模块：具有RS 232接口和RS 485接口，可将监测数据上传至上位机，同时定期进行系统程序更新与维护。

2 硬件设计

2.1 不平衡电桥电路的设计

不平衡电桥法基本原理如图2所示。RA，RB分别表示正负母线与地之间的绝缘电阻，U1，U2分别表示电阻RA，RB上的分压值。

通过控制开关K1的通断改变正负母线电压在电阻RA，RB上的分压比。当K1闭合时，可得：

式中U1'，U2'表示当K1断开时正负母线在RA，RB上的压降。联立式（1）、式（2）即可解得RA，RB值。

当装置进行定期自检时，可通过单片机控制K2，K3通断。将RC，RD接入电路，其中RC，RD均设置为800 Ω，此时正负母线对地绝缘阻值低于报警阈值，若触发报警则装置正常，否则装置存在故障，应立即检修。

2.2 母线电压采样与隔离电路

测算正负母线对地绝缘阻值时需对正负母线的对地电压进行采样，为了避免强电对处理电路的干扰，在对正负母线电压采样前需加入隔离电路对电压信号进行隔离，同时将电压调至0～3.3 V。其中负母线电压经过反相电路转换成正电压输入隔离运放，后级电压跟随器实现阻抗匹配[7]。图3所示为母线电压采样与隔离电路原理图。

2.3 主要模块选择

2.3.1 MCU的选择

MCU是整个装置的控制核心，其主要功能为母线电压采样处理、LCD电容屏驱动、蓝牙模块配置与连接、网络接口配置、声光报警模块控制、E2PROM及USB存储模块配置。设计中选择处理能力强、集成度高、能耗较低，易于开发与调试的STM32F429系列单片机。

2.3.2 显示模块的选择

为了方便用户操作，选用5寸电容触控屏，显示更多信息的同时获得更好的人机交互体验[8]。

2.3.3 蓝牙模块的选择

在监测直流系统绝缘状况时，系统时钟累积误差会影响数据的准确性。为了解决这个问题，选用HC-05蓝牙模块定期通过带有蓝牙功能的移动设备对系统时钟进行校准更新，在确保数据准确性的同时提高便携性。

2.3.4 存储模块的选择

漏电时的绝缘电阻以及时间点都是监测时比较重要的数据。为了方便存储和下载，选用E2PROM-M24M02-DR存储实时数据，并使用USB-OTG功能，以装置作为主机将漏电阻和时间数据写入U盘。

3 软件设计

3.1 母线绝缘监测

在不平衡电桥条件下，利用母线电压计算接地电阻的大小。采样到母线电压后，对其电压状态进行分析。若存在严重超压或欠压的情况则直接触发报警，情况正常则计算出接地电阻的阻值并与设定阈值进行比较。若所得接地电阻阻值小于设定阈值，则触发报警。母线绝缘监测流程如图4所示。

3.2 接地电阻的计算

根据式（1）、式（2）可得电阻RA，RB的计算公式为：

4 装置具体实施方案

当系统上电时，先进入自检模式。主控MCU发出控制信号，接通继电器K2，进行第一次自检;然后接通继电器K3，进行第二次自检。若两次自检过程都导致声光报警器发出报警信号，则装置正常。

断开继电器K2，K3，装置开始正常监测。在每个工作周期中，先接通继电器K1，此时MCU对分压处理好的正负母线电压进行第一次采样，得到第一次的正负母线电压U1，U2;然后断开继电器K1，对正负母线电压进行第二次采样，得到第二次的正负母线电压U1'，U2'。通过不平衡电桥计算公式，可在主控MCU中计算得到正负母线的绝缘电阻RA，RB。设备正常工作时不断重复这个周期。

主控制器将计算得到的正負母线绝缘电阻与设定阈值电压进行比较，在LCD显示屏上实时显示正负母线绝缘电阻值以及当前的绝缘状态。若处于漏电状态，则控制器驱动声光报警器发出警报（红色LED常亮且蜂鸣器长鸣）;若处于正常状态，则蓝色LED常亮。同时，主控制器将计算得到的正负母线绝缘电阻实时存储到E2PROM-M24M02-DR中，供U盘下载数据。

LCD显示屏同时显示当前设备的蓝牙状态以及时钟。当设备的蓝牙模块HC-05与外部蓝牙终端设备成功连接时，装置将实时的正负母线绝缘电阻传输到该终端设备，并且工作人员可利用手机的蓝牙程序对设备时钟进行调整。装置上增加RS 232和RS 485接口，以便操作人员利用上位机与其通信以及进行多套装置组网。

5 装置实物及测试结果

利用实验室48 V直流电源模拟铁路客车DC 48 V电源系统，测试装置是否能够准确测算出绝缘阻值并及时报警以及其他相关功能。DC 48 V绝缘监测装置实物如图5所示。测试结果见表1所列，误差在容许范围内，具有较高的测量精度。

6 结 语

传统的DC 48 V绝缘监测装置功能都较为单一，无法存储采集的数据进行后续分析，且较长时间的时钟误差累积又会影响数据的准确性。本文提出的设计方案改进了传统DC 48 V绝缘监测装置的各项功能，增加了数据存储和网络通信功能，解决了时钟累积误差的问题。经模拟实验验证，该装置可准确地测算出正负母线对地绝缘阻值，并正常实现各项报警功能。实践表明，该系统结构简单，功能扩展方便，可靠性高，具有较好的市场应用前景。

参 考 文 献

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