CN101791986B - 一种在线监测电气化铁道钢轨传播常数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在线监测电气化铁路钢轨传播常数的方法，该方法通过同步在线监测钢轨上各测量点处的电压，将电压表示成矢量后，带入相关公式中进行处理，得到钢轨传播常数。由于该方法是在线测量，与已有的方法相比，该方法不需“开天窗”，不影响列车的正常运行，能反映钢轨传播常数随气象条件的变化关系。

Description

一种在线监测电气化铁道钢轨传播常数的方法

技术领域

本发明涉及一种监测电气化铁道钢轨传播常数的方法，属于铁路系统测量技术领域。 

背景技术

随着铁路运输系统向着高速、重载化的方向发展，在电气化铁路高速、重载区段因牵引负荷大、列车负载率高、牵引回流大，使得钢轨电位显著升高。钢轨电位升高对沿线设备和人员生命安全造成威胁，容易引起同轨道相连信号设备的功能故障，加速钢轨与轨枕间绝缘垫板的老化，造成牵引回流异常等。因此必须充分掌握高速、重载电气化铁路钢轨电压的分布规律及其影响因素，给出降低钢轨电位的有效措施。钢轨传播常数( 

其中γ是钢轨传播常数，Z是单位长度钢轨的阻抗，Y是单位长度钢轨对大地的电导)作为表征轨道电压分布的重要参数，具有稳定性、普适性等特点，是描述钢轨电压分布的有效参数。目前所采用的测量方法有开路/短路相位表法和三电压表法，通过测量钢轨开路阻抗和短路阻抗，然后计算出单位长度的钢轨阻抗和钢轨对地的泄漏电导，最后代入公式 计算得出钢轨传播常数。现有测量方法需要将轨道进行短路和开路，“开天窗”测量，导致行车中断，无法反映列车运行状态下钢轨电压的变化规律。存在以下缺陷：①“开天窗”测量需要中断行车，给铁路系统的正常运营带来严重干扰，造成重大经济损失，尤其是高密度运营线路；②“开天窗”测量的时间有限，不能反映钢轨传播常数随气象条件的变化关系。 

发明内容

针对上述情况，本发明的主要目的在于提供一种在线监测电气化铁道钢轨传播常数的方法，避免原有测量方法中需要中断行车的缺陷，能反映传播常数随气象条件的变化关系。 

图1中给出了钢轨回流系统的等效电路图，其中Z为钢轨单位长度阻抗，Y为单位长度钢轨对大地的电导，I₀为通过列车的接地碳刷流入钢轨的电流，x为测量点与钢轨电流流入点的距离，I₁(x)为测量点处钢轨中的电流，I₂(x)为测量点处通过钢轨-大地的泄漏电导泄漏的电流。根据电路图1可建立微分方程： 

$\left\{\begin{array}{c}-\frac{d\stackrel{\→}{U}(x,t)}{\mathrm{dx}}=Z{\stackrel{\→}{I}}_1(x,t)\\ -\frac{d{\stackrel{\→}{I}}_1(x,t)}{\mathrm{dx}}=Y\stackrel{\→}{U}(x,t)\end{array}\right.---\left(1\right)$

联立式(1)中的上下两式解得： 

$\frac{d\left(\frac{d\stackrel{\→}{U}(x,t)}{\mathrm{dx}}\right)}{\mathrm{dx}}=Z\·Y\·\stackrel{\→}{U}(x,t)---\left(2\right)$

将 $\mathrm{\γ}=\sqrt{Z\·Y}$ 带入式(2)有： 

$\frac{d\left(\frac{d\stackrel{\→}{U}(x,t)}{\mathrm{dx}}\right)}{\mathrm{dx}}={\mathrm{\γ}}^2\·\stackrel{\→}{U}(x,t)---\left(3\right)$

通过对式(3)分析可知，为了将传播常数γ从式中提取出来，对式(3)进行整理有： 

$\frac{1}{\stackrel{\→}{U}(x,t)}\·d\left(\frac{d\stackrel{\→}{U}(x,t)}{\mathrm{dx}}\right)={\mathrm{\γ}}^2\mathrm{dx}\⇒\frac{d\left(\ln \right[\stackrel{\→}{U}(x,t)\left]\right)}{d\stackrel{\→}{U}(x,t)}\·d\left(\frac{d\stackrel{\→}{U}(x,t)}{\mathrm{dx}}\right)={\mathrm{\γ}}^2\mathrm{dx}---\left(4\right)$

$\⇒d[\frac{d\stackrel{\→}{U}(x,t)}{\mathrm{dx}}\·\ln \stackrel{\→}{U}(x,t)]={\mathrm{\γ}}^{2}d(x\·\stackrel{\→}{U}(x,t))$

对式(4)两边同时积分有： 

$\frac{d\stackrel{\→}{U}(x,t)}{\mathrm{dx}}\·\ln \stackrel{\→}{U}(x,t)={\mathrm{\γ}}^{2}x\·\stackrel{\→}{U}(x,t)$

$\⇒\ln \stackrel{\→}{U}(x,t)\·\frac{d\stackrel{\→}{U}(x,t)}{\stackrel{\→}{U}(x,t)}={\mathrm{\γ}}^{2}x\·\mathrm{dx}---\left(5\right)$

$\⇒\ln \stackrel{\→}{U}(x,t)\·d\left(\ln \stackrel{\→}{U}(x,t)\right)={\mathrm{\γ}}^{2}x\·\mathrm{dx}$

对(5)式两边同时积分，然后再开平方，考虑到γ值不能为负，故有： 

$\mathrm{\γ}=\frac{\ln \stackrel{\→}{U}(x,t)+C}{x}---\left(6\right)$

其中C是常数，需要根据初始条件和边界条件来确定，而在实际工程中由于线路区间长、运营密度高，这两个条件的参数不易获得。因此为了消去参数C，通过对式(6)分析可知，选择位置分别为x₁和x₂两个点(这两点在同一轨道电路区间内)，根据式(6)有： 

$\mathrm{\γ}{x}_1=\ln \stackrel{\→}{U}(x_1,t)+C---\left(7\right)$

$\mathrm{\γ}{x}_2=\ln \stackrel{\→}{U}(x_2,t)+C$

将式(7)的上下两式相减并移项整理有： 

$\mathrm{\γ}=\frac{1}{x_1-x_2}\ln \left(\frac{\stackrel{\→}{U}(x_1,t)}{\stackrel{\→}{U}(x_2,t)}\right)---\left(8\right)$

根据式(8)，令d＝x₁-x₂，并将x₁和x₂两点的电压用相量法表示有： 

$\mathrm{\γ}=\frac{1}{d}\ln \frac{\stackrel{\→}{U}[A_1\left(t\right),{\mathrm{\φ}}_1\left(t\right)]}{\stackrel{\→}{U}[A_2\left(t\right),{\mathrm{\φ}}_2\left(t\right)]}---\left(9\right)$

其中， $\stackrel{\→}{U}[A_1\left(t\right),{\mathrm{\φ}}_1\left(t\right)]=A_1\left(t\right)\·e^{j{\mathrm{\φ}}_1\left(t\right)},$ $\stackrel{\→}{U}[A_2\left(t\right),{\mathrm{\φ}}_2\left(t\right)]=A_2\left(t\right)\·e^{j{\mathrm{\φ}}_2\left(t\right)}$ 分别是相邻两测量点t时刻的电压矢量，A₁(t)、A₂(t)、φ₁(t)、φ₂(t)分别是相邻两测量点t时刻的幅值和相位。 

对公式(9)分析可知，钢轨传播常数γ可表示成钢轨上不同位置的两点间的距离以及它们同一时刻的电压值的函数。因此我们提出了一种在线监测电气化铁道钢轨传播常数的方法，其技术构成在于它包括如下步骤： 

1.1在钢轨上相隔一定距离设置多个(即两个或两个以上)电压传感器，并记录下相邻测量点(即电压传感器所在的点)的距离d； 

1.2当列车运行时，同步采集各测量点电压传感器的电压信号； 

1.3利用相量法将电压信号表示成矢量形式，然后将其带入下式中计算，得到电气化铁道钢轨传播常数： 

$\mathrm{\γ}=\frac{1}{d}\ln \frac{\stackrel{\→}{U}[A_1\left(t\right),{\mathrm{\φ}}_1\left(t\right)]}{\stackrel{\→}{U}[A_2\left(t\right),{\mathrm{\φ}}_2\left(t\right)]}$

式中， $\stackrel{\→}{U}[A_1\left(t\right),{\mathrm{\φ}}_1\left(t\right)]=A_1\left(t\right)\·e^{j{\mathrm{\φ}}_1\left(t\right)},$ $\stackrel{\→}{U}[A_2\left(t\right),{\mathrm{\φ}}_2\left(t\right)]=A_2\left(t\right)\·e^{j{\mathrm{\φ}}_2\left(t\right)}$ 分别是相邻两测量点t时刻的电压矢量，A₁(t)、A₂(t)、φ₁(t)、φ₂(t)分别是相邻两测量点t时刻的幅值和相位，d为相邻测量点的距离。 

与原有测量方案相比，本发明具有如下效果： 

(1)本测量方法只需在钢轨的轨底相隔一定距离布置若干电压传感器，在线监测钢轨上各测量点处的电压，不需要“开天窗”测量，不需中断行车，不影响铁路系统的正常运营。 

(2)本测量方法能够实时动态监测，得到钢轨传播常数随时间、气象条件的变化关系。 

附图说明

下面结合说明书附图和实施例进一步说明本发明。 

图1钢轨回流系统等效电路图 

图2为本发明中电压传感器的安装方式 

图3为本发明采用GPS同步时钟采集方式的原理图 

图4GPS同步时钟工作示意图 

图5为本发明中GPS同步时钟采集控制程序流程图 

图6为本发明采用多通道并行同步采集方式的原理图 

图7为本发明中多通道并行同步采集控制程序流程图 

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步的详细说明。 

本发明方法分为如下三个步骤： 

第一步：选一待测轨道电路区段，并在该区段内的钢轨1上相隔一定距离设置多个(即两个或两个以上)电压传感器2(如图2所示)，并记录下相邻测量点(电压传感器所在的点)的距离d。 

第二步：当线路上有列车运行时，同步采集各电压传感器的电压信号。其同步采集方式可以采用现有的同步采集技术，既可以采用全球卫星定位系统(GPS)同步时钟控制采集方式，也可以采用多通道并行同步采集方式。 

①当采用GPS同步时钟控制采集方式时，整个系统结构如图3所示：每个电压传感器2与单独的数据采集卡3的采集通道相连，各数据采集卡3通过数据线与同步采集控制器4相连，同步采集控制器4是一台安装有同步采集控制程序的电脑，同步采集控制程序按流程图5设计。同步采集控制器4通过数据线与GPS同步时钟5相连。各GPS同步时钟5接收GPS系统6的基准时间信号，并将时间信号传送给同步采集控制器4(如图4所示)，同步采集控制器4调用同步采集控制程序，调整自身的系统时钟，使之与GPS时钟同步，这样就使各个同步采集控制器4的时钟实现了同步，进而控制各数据采集卡3对电压信号进行同步采集。 

②当采用多通道并行同步采集方式时，整个系统结构如图6所示：每个电压传感器2均连接到一多通道数据采集卡7的采集通道上，多通道数据采集卡通过数据线与同步采集控制器4相连，同步采集控制器4是一台安装有同步采集控制程序的电脑，此时的同步采集控制程序按流程图7来设计，利用并行采集模式，对多通道数据采集卡7各通道上的电压信号进行同步采集。 

第三步：同步采集控制器4通过传送单元8将采集到的数据传送给分析处理器9(见图3和图6)，传送单元8可以是连接同步采集控制器4与分析处理器9的数据线，也可以是连接同步采集控制器4与分析处理器9的局域网，分析处理器9是一台安装有分析计算程序的电脑，分析计算程序的算法是按下式设计 的，利用相量法将各电压信号表示成矢量形式，将电压矢量带入下式计算，得到电气化铁道钢轨传播常数： 

$\mathrm{\γ}=\frac{1}{d}\ln \frac{\stackrel{\→}{U}[A_1\left(t\right),{\mathrm{\φ}}_1\left(t\right)]}{\stackrel{\→}{U}[A_2\left(t\right),{\mathrm{\φ}}_2\left(t\right)]}$

式中， $\stackrel{\→}{U}[A_1\left(t\right),{\mathrm{\φ}}_1\left(t\right)]=A_1\left(t\right)\·e^{j{\mathrm{\φ}}_1\left(t\right)},$ $\stackrel{\→}{U}[A_2\left(t\right),{\mathrm{\φ}}_2\left(t\right)]=A_2\left(t\right)\·e^{j{\mathrm{\φ}}_2\left(t\right)}$ 分别是相邻两测量点t时刻的电压矢量，A₁(t)、A₂(t)、φ₁(t)、φ₂(t)分别是相邻两测量点t时刻的幅值和相位，d是相邻两测量点的距离。 

Claims (3)

1.一种在线监测电气化铁道钢轨传播常数的方法，其特征在于它包括如下步骤：

1.1在钢轨上相隔一定距离设置多个电压传感器，并记录下相邻测量点的距离d；

1.2当列车运行时，同步采集各测量点电压传感器的电压信号；

1.3将电压信号表示成矢量形式，并带入下式中，得到钢轨传播常数：

$\mathrm{\γ}=\frac{1}{d}\ln \frac{\stackrel{\→}{U}[A_1\left(t\right),{\mathrm{\φ}}_1\left(t\right)]}{\stackrel{\→}{U}[A_2\left(t\right),{\mathrm{\φ}}_2\left(t\right)]}$

式中， $\stackrel{\→}{U}[A_1\left(t\right),{\mathrm{\φ}}_1\left(t\right)]=A_1\left(t\right)\·e^{j{\mathrm{\φ}}_1\left(t\right)},$ $\stackrel{\→}{U}[A_2\left(t\right),{\mathrm{\φ}}_2\left(t\right)]=A_2\left(t\right)\·e^{j{\mathrm{\φ}}_2\left(t\right)}$ 分别是相邻两测量点t时刻的电压矢量，A₁(t)、A₂(t)、φ₁(t)、φ₂(t)分别是相邻两测量点t时刻的幅值和相位，d为相邻测量点的距离。

2.根据权利要求1所述的在线监测电气化铁道钢轨传播常数的方法，其特征在于其同步采集的方式为多通道并行同步采集方式。

3.根据权利要求1所述的在线监测电气化铁道钢轨传播常数的方法，其特征在于其同步采集的方式为全球卫星定位系统同步时钟采集方式。

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