动车组电气柜智能自检测系统的设计与实现.pdf
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1、Vol.43 No.52023Oct.第 43 卷第 5 期2023 年 10 月铁 道 机 车 车 辆RAILWAY LOCOMOTIVE&CAR动车组电气柜智能自检测系统的设计与实现余博1,2,赵红卫1,2,3,孔元1,2,3(1 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所,北京 100081;2 北京纵横机电科技有限公司,北京 100094;3 动车组和机车牵引与控制国家重点实验室,北京 100081)摘 要 在既有速度 250 km/h 中国标准动车组电气柜产品技术基础上,开展了设计优化,从系统角度探讨了多领域成熟技术在动车组电气柜上的应用,提出信息分析与诊断关键算法。通过开发集成
2、化的电气柜产品,研究电气信息数据记录、传输、分析与诊断技术,完成了系统软硬件开发与研制。实践表明该产品可以有效地进行动车组电气柜状态智能自检测。关键词 动车组;电气柜;智能;自检测中图分类号:U271.91 文献标志码:A doi:10.3969/j.issn.1008-7842.2023.05.05电气柜是动车组的一类重要装置,是网络控制、安全监测、PIS 等系统的主要载体,主要承担了子 系 统 状 态 监 测、操 作 命 令 执 行 等 功 能,其 稳 定性、安全性和可靠性直接影响到动车组运营质量。历年来,电气柜故障导致列车晚点的事故时有发生,优化动车组电气柜性能、增强维保质量、提高可 靠
3、 性 是 车 辆 设 计 制 造 企 业 需 要 解 决 的 重 要 问题。通过对既有电气控制柜产品进行改进,设计实现电气柜智能自检测系统,作为列车安全,电气监测领域发展的一种尝试。1 需求分析 下 一 代 动 车 组 正 在 向 更 高 速、更 安 全、更 环保、更节能、更智能的方向发展,目前各平台动车组电气柜关键零部件主要是由厂家提供的车辆级硬件产品,调研了解到既有具备监测功能的零部件主要面向工业领域1,未考虑动车组实际运用场景,动车组设计及运营企业对于适用的电气柜信息 实 时 监 控、隐 患 预 警、优 化 设 计 等 技 术 较 为 缺乏,导致部分车辆异常状态跟踪、溯源困难,故障难以迅
4、速有效定位。除了修程所规定的人工检测方法2,没有更有效的途径了解电气柜内实际状态,更无法为运营提供进一步的安全保障。1.1机械设计需求电气柜的结构设计正在向小型化和轻量化方向发展。主体框架一般采用铝合金材料,内部零部件采用铝合金型材或铝板加工而成;柜体框架梁类、器件安装板类、回转架框架采用铝合金,柜体垫块、回转架支撑轴承等关键承重部件可采用不锈钢,为了增加防尘性能,柜体封闭并采用风机冷却,电气柜顶部设有吊装吊耳孔。电气柜及安装的所有电气部件应能承受动车组正常运行中的振动和冲击,满足 IEC 61373 标准相关振动等级的要求。1.2电气需求在电路设计完成后,详细设计如选型、排布、三维布线设计等
5、,必须考虑电气、布线、电磁兼容、专题研究基金项目:中国铁道科学研究院集团有限公司重大课题(2018YJ001)第一作者:余 博(1985-)男,副研究员(修回日期:2022-06-10)通信作者:孔 元(1980-)男,副研究员文章编号:1008-7842(2023)05-0031-07引用格式:余 博,赵红卫,孔 元.动车组电气柜智能自检测系统的设计与实现J.铁道机车车辆,2023,43(5):31-37.铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 环境相关的各项技术指标要求。较为重要的项点包括控制电源电压的变化应满足在直流条件下静态+6%-3%的偏差和动态25%的偏差。安装在柜中的所有电气设备应符
6、合电压要求。空气间隙及爬电距离的最小值、暴露的导电部件以及其他电路中带有较低电压的有源件符合 EN 50124-1铁路应用绝缘配置 中 PD2 污染程度(保护安装位置)及 OV2 过电压等级的要求。电气柜前端底 座 的 左、右 侧 框 架 处 设 保 护 接 地 座(2XM10)。回转门/支架装有保护接地。产品实物依据电路图,执行 GB/T 34571-2017 铁路应用机车车辆布线规则 进行布线。各种走线槽、管应易于接近和检查,控制线、低压电缆、中压电缆布线尽量分开布置。电气柜设计必须确保在所有环境条件下电气柜功能的实现,在使用期间避免可能产生冷凝水现象。1.3系统业务需求智能自检测电气柜研
7、究为电气柜的实时状态监测提供方法和算法。其基本设计思路是运用采集到的车载检测模块信息,将信息作为输入,使用分析和故障预警方法最终输出电气柜现有状态及预测状态。基本实现方法是基于系统硬件平台,首先对采集到的数据进行分类,然后应用电气性能信息、温度信息,结合 RFID 技术进行信息智能分析和故障的预警及诊断。通过可获取到的各项数据,智能自检测系统能够实时或离线进行信息分析与诊断。2 系统硬件设计 智能自检测系统硬件通过设置在柜内外的子系统及模块实现,主要的子系统包括电气检测子系统,射频检测子系统,温度检测子系统。电气检测 子 系 统 又 由 系 统 主 机、供 电 模 块、直 流 测 量 单元、交
8、流测量单元、开关量监测模块、模拟量监测模块、工控机组成;射频检测子系统主要由 RFID射频天线、射频检测主机、射频检测标签组成;温度检测子系统主要由热成像检测模块、温度监测模块及多种电气元件组成。系统组成和结构如图1 所示。电气检测子系统各个模块间通过背板总线采用标准以太网接口进行通讯,系统主机对单元和模块进行统一控制。测量单元、开关量监测模块和模拟量监测模块均设置测量端口、通信接口,各模块通过总线与主机相连。热成像检测模块和温度监测模块分别输出数字量和模拟量信号。电气元件主要由空气开关、旋钮开关、继电器、接触器、端子排、连接器和电线电缆构成,实现了智能自检测系统的配电和控制。通过提取既有动车
9、组车辆电路原理中典型逻辑关系,进行了精简化的实现,功能组电气子系统进行划分见表 1。3 信息分析与诊断技术 信息分析与诊断技术是智能自检测电气柜一项主要技术3,其目的是为电气柜的实时状态监测提供技术支撑。其实现思路是先研究对车载检测模块信息采集、分析和故障预警方法,然后设计基于系统硬件的工程方案4-5。实现数据采集分类,应用电气性能信息、温度信息,结合 RFID 技术进行信息智能分析和故障预警及诊断。结合系统硬图 1检测系统组成与结构图32第 5 期动车组电气柜智能自检测系统的设计与实现件及可获取到的各项数据,介绍一种智能自检测系统信息分析与诊断的方法。3.1信息分析方法研究按照电气柜内负载功
10、能进行区分,车上电气柜可分为电气控制柜、中压柜和 PIS 柜 3 大类。中压柜内负载的电压等级为交流 380 V,电气控制柜及 PIS 柜内负载电压等级主要是直流 24 V 及 110 V,子电路根据负载及电压等级选用对应的电信号采集模块,再由采集模块转化为数字信号,传输至采集设备主机进行处理并转发。电气柜智能自检测系统包括数据处理系统、射频识别阅读器、热成像仪、温度传感器,其通过通信电缆或电信号线缆互相连接。车上可采集到的信号主要有电压、电流、功率、温度、开关量数据等,按照电路电气类型,分别选用合适的传感器接入电路,能够在前端完成负载数据的采集。数据处理系统可以实时获取设置在电气柜的电气元件
11、上的射频识别标签内的标签信息。除了热成像仪、数据处理系统,还包括电气柜的 电 气 元 件 对 应 的 温 度 影 响 参 数 获 取 系 统。首先,通过电子标签读取电气柜的电气元件对应的温度影响参数,获取系统包括 2 个温度传感器和 1个电流检测单元。第 1 个温度传感器、电流检测单元和第 2 个温度传感器分别与数据处理系统通信连接。第 1 个温度传感器用于检测电气柜内的环境温度,第 2 个温度传感器用于检测对应的电子元件的传导温度,电流传感器用于检测对应的电子元件电流。数据处理系统分别与热成像仪和电气柜的电气元件对应的温度影响参数获取系统通信连接,热成像仪用于检测电气柜中电气元件的热量监测数
12、据,温度影响参数获取系统用于获取电气柜中电气元件的温度影响参数;数据处理系统用于根据热量监测数据和每个电气元件的温度影响参数对每个电气元件进行故障预警。根据每个电气元件的当前检测温度、上一次检测温度以及检测时差,获得每个电气元件的实测温度变化速率。根据每个电气元件的温度影响参 数,获 得 每 个 电 气 元 件 的 推 算 温 度 变 化 速 率。若判断获知电气元件的实测温度变化速率与推算温度变化速率差值的绝对值大于电气元件的第一阈值,则对电气元件进行故障预警。电气柜的信息分析方法的流程示意图,如图 2所示。3.2故障预警方法研究对电气元件进行故障判断的过程中,结合电图 2电气柜的智能自检测方
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- 车组 电气 智能 检测 系统 设计 实现