近年来，随着我国电气化铁路的不断增多，电力机车的应用也越来越广泛。由于电力机车的高压电气设备为户外安装，这就要求它们与机车车顶之间有良好的高压绝缘性能，以防止风、砂、雨、雪等恶劣天气及雷电过电压的侵袭。当电力机车车顶高压电气设备发生故障，造成高压设备接地或与车顶间绝缘降低时，一旦升弓轻则造成受电弓滑板与接触网粘接，重则烧损接触网，影响大面积接触网线路，严重影响铁路正常运营秩序。
为此，中国铁路总公司针对如何检测机车车顶高压绝缘状态做了大量的研究，并从2014年起，在机车上陆续加装了机车车载安全防护系统，本文对该系统中高压绝缘检测装置的设计、原理和应用进行分析和介绍。
1、如何检测车顶高压设备的绝缘
机车上的高压电压互感器具有检测接触网电压的作用，它通过固定的变比将接触网的高电压转换为低电压加载到网压表上，以显示网压状态。以HXD3型机车为例，当接触网电压为25kV时，高压电压互感器二次绕组感应电压为100V。反之，在二次绕组侧施加AC100V电压时，在一次侧也会感应出25kV的空载电压。当车顶高压设备与车顶之间的绝缘降低时，一次绕组的等效阻抗会减小，一次绕组电流随之增大，根据互感器的原理，二次绕组电流也将增大，从而影响到二次绕组的电压，通过高压电压互感器的一、二次绕组的电压变化就可以实现检测车顶高压设备绝缘状态的目的。
2、高压绝缘检测装置的原理阐述
高压绝缘检测装置通过闭环开关电源检测技术和直流逆变交流技术有机结合，将机车蓄电池输出的直流电，通过逆变将其转化为正弦交流电加到高压电压互感器的二次侧，从而使高压电压互感器的一次侧感应出25kV高压电模拟弓网电压。当高压车顶绝缘状态下降时，一次侧等效阻抗下降，电流增加，当等效阻抗下降到一定程度时，由于高压绝缘检测装置加到互感器次边的电流被限定在一定范围，所以为了维持电流到某一限定值，施加到互感器上的电压会随着阻抗的下降而下降，按照这个原理通过模拟加载电压的大小就可以等效出车顶高压设备的绝缘状态。
2.1 直流逆变电源
高压绝缘检测装置需要的电源来自于机车的蓄电池，电压范围在77～138V之间，输入电压先通过直流滤波器滤去高次谐波，再经过DC/DC降压模块将直流电压降低。这是由于机车模拟阻抗较低，同时受到高压电压互感器的*大功率限制，所以采用标准100V输出会导致输出电流过大，对高压电压互感器造成影响。
通过降压的直流电再经过PWM控制的逆变器，将输出电压控制在AC50V，50Hz，由于采用了PWM调制技术，输出电压的大小和频率都可以进行微调，同时设置了过压、过载、短路保护措施，使该电源具有很高的可靠性和稳定性。
由于输出电压为50V，为了与其他机车的高压绝缘检测装置的外部特性进行统一，采用当量显示法，将实际12.5kV显示为25kV，便于操作及参看。
2.2 保护电路
高压绝缘检测装置操作时会在车顶受电弓部分加载试验高电压，所以操作前必须确认处于安全操作状态，即无论处于库内还是在线运用，必须确认机车处于降弓停车、主断路器断开状态，并必须确认机车车顶无人操作并锁闭活动天窗。
高压绝缘检测装置利用了机车原有的安全联锁系统。当使用绝缘检测装置检测车顶高压设备绝缘状态时，只有受电弓降下且车顶天窗处于锁闭状态时才能从机车上拔下蓝钥匙，而蓝钥匙又是控制高压绝缘检测装置电源接通的开关，只有用蓝钥匙打开高压绝缘检测装置上的电源，高压绝缘检测装置才能进行绝缘测试。通过电气连锁确认受电弓降下并且确认车顶无人且车顶天窗锁闭，可以确保高压绝缘测试安全进行。
2.3 闭环控制技术
闭环控制是基于反馈原理建立的自动控制系统。所谓反馈原理，就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。
高压绝缘检测装置采用闭环控制技术对高压电压互感器二次侧的电流进行控制，当机车车顶绝缘状态下降时，一次侧电流会增大，同时，根据互感器的原理，二次侧电流会随之增大，二次侧电流的信号采样后会被输送到PWM控制器中，通过控制器中的控制算法改变PWM波的占空比，从而降低交流输出电压，达到控制二次侧电流的目的。
3、运用案例分析
2014年，某HXD3型机车承担货运牵引任务。列车于1：56分开车，5：57分到站，停车后司机断电、降弓，辦理直供电交接。车辆乘务员摘除列供重联线后，司机准备升弓，按程序使用“6A系统车顶高压绝缘检测功能”检测机车车顶高压设备绝缘情况，“6A系统”显示报警不通过。机车升弓前，乘务员首先确认网侧感应电压。确认网侧感应电压为零后，使用“6A系统车顶绝缘检测装置”进行车顶设备绝缘检测，检测结果显示车顶绝缘不符合标准要求，判定机车车顶高压设备绝缘不良。
综合现场检查情况，并根据“6A系统”车顶绝缘检测故障记录，分析可能造成本次故障的原因是：该机车在严重雾霾天气下长时间运行，影响车顶高压设备绝缘性能，导致网侧感应电压为零，并且乘务员使用“6A系统”连续三次车顶绝缘测试，绝缘值均远低于系统门限值15kV，绝缘报警，更进一步证明当时机车车顶高压设备绝缘状态不良。通过高压绝缘检测装置，有效的避免了机车盲目升弓可能导致的弓网事故。
