CN102262197A - 用来检测用于铁路车辆的供电线上的故障的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用来检测用于铁路车辆的供电线上的故障的方法，为在至少第一和第二可逆变电站(20A、20B)之间延伸的供电线(10)而提供，第一和第二可逆变电站(20A、20B)能够供给在供电线(10)上循环的电流(I)，第一变电站(20A)按电流供给模式被控制以将电流供给到供电线(10)，第二变电站(20B)按电流恢复模式被控制以从供电线(10)恢复电流并使它在配电网(15)上返回。方法包括：建立在第一和第二变电站(20A、20B)的输出终端之间的电压差使得电流(I)在第一和第二变电站(20A、20B)之间的供电线(10)上循环；确定供电线(10)在标称温度下的阻抗值；将供电线(10)在标称温度下确定的阻抗值与供电线(10)在标称温度下期望标称阻抗相比较。

Description

用来检测用于铁路车辆的供电线上的故障的方法

技术领域

本发明涉及一种用来检测用于铁路车辆的供电线上的故障的方法，所述供电线在至少第一和第二可逆变电站之间延伸，该第一和第二可逆变电站能够供给在供电线上循环的电流，第一变电站按电流供给模式被控制，以将电流供给到供电线，并且第二变电站按电流恢复模式被控制，以从供电线恢复电流并且使它在配电网上返回。

背景技术

为了供有电流，铁路车辆包括受电弓，该受电弓在供电线上摩擦，来自配电网的电流在该供电线上循环。这种重复摩擦在供电线的使用期限期间，产生该供电线的机械磨损，从而导致其截面的减小。

供电线在例如天气条件的影响下也可磨损。

这种磨损在较长和较短时期内，如果没有立即检测到和修理过这些故障，则可导致供电线的断开，或者导致铁路车辆的电源的失效。

在极端情况下，像例如在大雪或暴风雨期间，供电线也可能突然断开。

然而，这样一种供电线断开，如果它没有被立即检测到，则导致铁路运输的实质中断，因为铁路车辆不能再依靠供电线行驶，并且已经连接在供电线上的铁路车辆保持堵塞，并且必须由专用车辆拖走。

可能的是，为了检测供电线上的故障，通过将机械装置添加到供电线的端部来测量供电线的机械张力，这些机械装置能够测量供电线的机械张力。然后实质张力下降指示悬线系统断开。

这样一种方法不是完全满意的。的确，它要求添加额外设备，该额外设备专用于检测供电线中可能的断开，并且在正常情况下是无用的。此外，它仅允许检测供电线的断开，并且不提供与供电线的磨损有关的指示，该磨损可能随着时间的逝去导致断开。

发明内容

本发明的一个目标因此得到一种用来检测供电线中的故障的方法，该方法使用简单且便宜，并且使得在供电线的任何断开之前有可能检测到供电线的磨损。

为此，本发明涉及一种用来检测上述类型的故障的方法，该方法的特征在于，它包括：

建立在第一和第二变电站的输出终端之间的电压差，使得电流在第一变电站与第二变电站之间的供电线上循环的步骤；

确定供电线在标称温度下的阻抗值的步骤；及

将供电线在标称温度下确定的阻抗值与供电线在标称温度下期望的标称阻抗相比较的步骤。

这种方法可在没有专用设备的情况下进行并进行远程控制，该方法限制了成本，并且使对于供电线的维护更容易。

根据本发明的方法可包括如下特征中的一个或多个，这些特征单独地或根据全部技术上可能的组合而考虑：

-方法包括测量供电线上循环的电流的步骤，根据测得的电流，确定供电线在标称温度下确定的阻抗值；

-方法包括测量供电线的温度的步骤，根据测得的温度，确定供电线在标称温度下确定的阻抗值；

-方法包括挑选和控制在第一和第二变电站的输出终端之间的电压差的步骤；

-第一变电站和第二变电站每个都包括可逆功率变换器，使得第一变电站和第二变电站可按电流供给模式或按电流恢复模式操作，并且该方法包括分别按电流供给模式和按电流恢复模式控制第一和第二变电站的操作模式的步骤；

-可逆功率变换器包括整流器和逆变器，该逆变器反并联连接到整流器上，并且第一或第二变电站当它按电流恢复模式控制时，按逆变器模式操作，并且当它按电流供给模式控制时，按整流器模式操作；

-每个变电站连接到供电线上并且连接到铁轨上，使得电流按环路循环，该环路依次通过按电流供给模式控制的变电站，然后通过供电线，然后通过按电流恢复模式控制的变电站，然后通过铁轨以返回到按电流供给模式控制的变电站；

-方法包括检查铁路车辆是否在第一和第二变电站之间循环的步骤，如果没有车辆在第一和第二变电站之间循环，则建立电压差；

-供电线在多于两个变电站之间延伸，方法包括挑选两个变电站分别按电流供给模式和电流恢复模式控制的步骤、和依据待被测试的供电线的部分在所述变电站的输出终端之间建立电压差的步骤；及

-方法包括如果比值：

$\frac{Z_{\det }}{Z_L}$

低于阈值则发出警报的步骤。

附图说明

在阅读如下描述时将更好地理解本发明，如下描述仅作为例子提供，并且参照附图进行，在附图中：

图1是配备有变电站的铁路网的图示说明，该铁路网能够实现根据本发明的用来检测故障的方法；和

图2是由图1的铁路网实施本发明方法的图示说明。

具体实施方式

本发明适用于直流或交流供电线。在剩余的描述中，描述的实施例涉及直流供电线。

在图1中示出的直流铁路网5包括供电线10，该供电线10经可逆变电站20连接到电网15上。

“可逆变电站”是指这样一种变电站，该变电站能够按电流供给模式将电流提供给供电线10，并且也能够按电流恢复模式从供电线10恢复电流，恢复的电流例如来自连接到供电线10上的铁路车辆的制动，且将电流送回到电网15上。

铁路网5包括数量为n个的可逆变电站20，这些可逆变电站20按规则间隔沿供电线10分布。为了简化图1和2，已示出仅两个可逆变电站20。变电站20能够使电流I在供电线10上循环。

铁路网5也包括适于测量供电线10的温度T_mes的一个或多个温度传感器(未示出)、以及适于测量在供电线10上循环的电流的强度I_mes的传感器(未示出)。这样的温度和强度传感器例如布置在每个变电站20处。

铁路网5也包括铁轨22，铁路车辆能够在铁轨上行驶。铁轨22具有标称线性阻抗Z_R，该标称线性阻抗Z_R对于具有两条平行铁轨的标准轨道例如等于18mΩ/km。这些铁轨22电气连接到可逆变电站20上。

供电线10具有在标称温度下计算的标称线性阻抗Z_L。标称线性阻抗Z_L对于直流架空接触线是例如0.05Ω/km，并且对于第3铁轨型的直流接地接触线是0.02Ω/km。这些值对于交流供电线不同。供电线10的标称线性阻抗Z_L的值由供电线10的规格给出。

电网15是广域配电网。它例如是高压三相交流电压网。

变电站20彼此相同，并且将详细描述这些变电站20中的仅一个。

变电站20包括四象限可逆变换器25，该四象限可逆变换器25在一侧连接到电网15上，并且在另一侧连接到供电线10上。

牵引变压器30布置在变换器25与电网15之间，以便将来自电网15的交流电压降低到在变换器25的输入处接受的交流电压。

变换器25是可逆变换器，该可逆变换器例如可由整流器35组成，该整流器35反并联连接到逆变器40上。变换器25可按整流器模式或逆变器模式操作。

在整流器模式中，变换器25能够整流来自牵引变压器30的三相交流电压，以在其输出处输送整流直流电压。变换器25因而在电流供给模式中。

在逆变器模式中，变换器25能够逆变来自供电线10的直流电压，以输送交流三相电压。变换器25因而在电流恢复模式中。

变换器25是可控制变换器。为此，变电站20包括控制模块45，该控制模块45能够控制变换器25从电流恢复模式向电流供给模式的切换，即从逆变器模式到整流器模式的切换，并且反之亦然。

整流器35例如由受控整流器桥形成，该受控整流器桥由晶闸管或大功率晶体管制成，如由IBGT晶体管(绝缘栅双极型晶体管，Insulated Gate Bipolar Transistor)。

变换器25能够在其输出终端处，即在变电站20对于供电线10的电气连接点处，产生期望电压U_C。

这样一种变电站20例如在文献EP-1 985 490中被描述。

根据一个实施例，铁路网5也在每个变电站20处包括传感器，该传感器能够测量实际施加到每个变电站20的输出上的电压U_C，从而检验这个电压与控制电压U_C相对应。

现在将参照图2解释用来检测供电线10上的故障的本发明的方法。

在第一步骤中，操作人员挑选供电线10的段T，他希望在该段T上检测到故障的存在。

他然后在第二步骤中确定第一变电站20A和第二变电站20B，在第一步骤中选中的供电线10的段T在该第一变电站20A与第二变电站20B之间延伸。第一变电站20A和第二变电站20B分开距离d_AB。第一变电站20A和第二变电站20B例如是沿供电线10相邻的变电站。然而，它们也可以是不相邻的并且是变电站数量小于或等于n-2的彼此分开的变电站。因而，第一变电站20A和第二变电站20B可例如是供电线10的端部变电站。

操作人员然后保证，没有铁路车辆在第一变电站20A与第二变电站20B之间的段T上行驶或者即将到达第一或第二变电站20A、20B。

在第三步骤中，操作人员挑选用来检测故障的电流I，他希望使该电流I在供电线10的段T上循环。这个电流I低于阀值I_max，高于该阀值I_max，供电线10和/或相关设备可能被损坏。

他然后由电流I的选中值，分别推出待施加到第一变电站20A的第一变换器25A和第二变电站20B的第二变换器25B的输出上的期望输出电压U_CA和U_CB的值。输出电压U_CA和U_CB彼此不同。电压U_CA比电压U_CB高。

在第四步骤中，操作人员经第一变电站20A的控制模块45A控制变换器25A按电流供给模式，即按整流器模式，操作。同时，他经第二变电站20B的控制模块45B，控制变换器25B按电流恢复模式，即按逆变器模式，操作。

因而在第一变电站20A的输出和第二变电站20B的输出之间建立电压差D。这个电压差D等于U_CA-U_CB。这个电压差D是正的。它使得用来检测供电线10上的故障的电流I在第一变电站20A与第二变电站20B之间的段T上循环。

由于第一和第二变电站20A、20B与铁轨22之间的电气连接，电流I描述一环路，该环路从第一变电站20A向第二变电站20B通过供电线10，即在段T上，并且从第二变电站20B向第一变电站20A通过铁轨22。

在第五步骤中，操作人员控制由电流传感器测量在段T上循环的电流值I_mes、以及由温度传感器测量供电线10的温度T_mes。

根据一个实施例，这些测量在段T上的单个位置处进行。根据另一个实施例，它们在第一和第二变电站20A、20B处进行。

根据一个实施例，操作人员也控制由电压传感器分别测量实际施加到变电站20A和20B的输出上的电压U_CA和U_CB，并且将这些值与控制值相比较。

在第六步骤中，操作人员确定供电线10在标称温度下的线性阻抗值Z_det。

为此，他使用如下公式，确定在使用温度传感器测得的供电线10的温度T_mes下供电线10的阻抗Z(T_mes)：

$Z\left(T_{\mathrm{mes}}\right)=\frac{(U_{\mathrm{CA}}-U_{\mathrm{CB}})-Z_R\left(T_{\mathrm{mes}}\right)\×I_{\mathrm{mes}}\×d_{\mathrm{AB}}}{I_{\mathrm{mes}}\×d_{\mathrm{AB}}}=\frac{D-Z_R\left(T_{\mathrm{mes}}\right)\×I_{\mathrm{mes}}\×d_{\mathrm{AB}}}{I_{\mathrm{mes}}\×d_{\mathrm{AB}}}$

在这个公式中，Z_R(T_mes)是铁轨22在温度T_mes下的线性阻抗值。

在这个公式中，U_CA和U_CB可以是控制值，或者为了更精细估计，可以是由电压传感器测得的实际施加值。

操作人员然后由如此确定的供电线10的阻抗值Z(T_mes)和供电线10的温度(T_mes)，推出供电线10在标称温度下的阻抗值Z_det，在该标称温度下，计算在规格中指示的供电线10的标称阻抗值Z_L。

最后，他将在第六步骤中确定的供电线10的阻抗值Z_det与在标称温度下期望的标称线性阻抗值Z_L相比较，并且由这种比较推出在供电线10中的故障的特征值C。

因而，值C例如与根据如下公式的Z_det与Z_L的商相对应。

$C=\frac{Z_{\det }}{Z_L}$

这个值C与供电线10的截面相对于其标称截面的减小相对应。

在第七步骤中，根据一个实施例，操作人员将这个值C与阈值C_S相比较。值C_S与供电线10的截面的最大允许减小相对应，即对于该最大允许减小，仍然有可能使铁路车辆在供电线10上安全地通过。

如果值C低于阈值C_S，则操作人员触发警报，该警报指示在供电线10上已经观测到故障。

然后采取补救措施，例如在供电线被磨损的位置处加固供电线10，并由此防止供电线10由于磨损而断开。

在其中供电线10断开的情况下，没有电流I在供电线10上循环，并且Z_det趋向于无穷大。在这种情况下，在一个实施例中，操作人员控制铁路车辆沿供电线10的行驶的停止。

这种方法由操作人员远程地实施，该操作人员控制该方法的每个步骤。

根据另一个实施例，这种方法也可按自动方式实施。在该情况下，铁路网可选择地包括控制模块，该控制模块能够控制以上列出方法的步骤中的每一个，以便检测供电线上的故障。

根据本发明的用来检测故障的方法具有如下优点：不要求提供检测供电线上的故障的专用附加设备。事实上，该方法仅使用可逆变电站，这些可逆变电站沿供电线永久地存在，因为它们用来向供电线供电。

根据本发明的方法的实现也特别简单，因为人们只需要选择某些变电站的变换器的合适的输出电压，以检测在这些变电站之间的供电线上的任何故障。

此外，这种方法的使用非常安全，因为它可远程地实施，而不需要在本段处的维护人员。

最后，这种方法使得有可能不仅检测供电线的断开，而且也检测供电线的磨损，这种磨损导致供电线的截面的局部或分布减小。因而，可采取对于供电线的预防性修理或加固措施，并且降低供电线断开的危险。

有可能首先在长段T上实施这种方法，并且然后，如果检测到故障，则在初始段T中包括的不同的较短子段T′上实施该方法，以便更准确地确定故障的地理位置。

根据变换器25的一个可选择例，后者是二象限变换器。

根据另一个实施例，供电线10是交流供电线。在这个实施例中，变电站20的可逆功率变换器25(布置在变压器30与供电线10之间)是可逆交流-交流变换器(AC-AC变换器)。

变电站20也包括控制模块45，该控制模块45能够控制可逆交流-交流变换器25按电流供给模式或电流恢复模式的切换。

如以上描述的那样，对于在第一和第二可逆变电站20A、20B之间延伸的供电线10，第一变电站20A按电流供给模式控制，而第二变电站20B按电流恢复模式控制。

然后在第一和第二变电站20A、20B的输出终端之间建立电压差D，使得电流I在第一变电站20A与第二变电站20B之间的供电线10上循环。然后按与在第一实施例中相同的方式，确定供电线10在标称温度下的阻抗值Z_det，并且将这个值Z_det与供电线10在标称温度下期望的标称阻抗Z_L相比较。

Claims (10)

1.一种用来检测用于铁路车辆的供电线(10)上的故障的方法，所述供电线(10)在至少第一和第二可逆变电站(20A、20B)之间延伸，该第一和第二可逆变电站(20A、20B)能够供给在供电线(10)上循环的电流(I)，第一变电站(20A)按电流供给模式被控制，以将电流供给到供电线(10)，并且第二变电站(20B)按电流恢复模式被控制，以从供电线(10)恢复电流并且使它在配电网(15)上返回，所述方法的特征在于，它依次包括：

建立在第一和第二变电站(20A、20B)的输出终端之间的电压差(D)，使得电流(I)在第一变电站(20A)与第二变电站(20B)之间的供电线(10)上循环的步骤；

确定供电线(10)在标称温度下的阻抗值(Z_det)的步骤；及

将供电线(10)在标称温度下确定的阻抗值(Z_det)与供电线(10)在标称温度下期望的标称阻抗(Z_L)相比较的步骤。

2.根据权利要求1所述的用来检测故障的方法，其特征在于，所述方法包括测量在供电线(10)上循环的电流(I_mes)的步骤，根据测得的电流(I_mes)，确定供电线(10)在标称温度下确定的阻抗值(Z_det)。

3.根据权利要求1或2所述的用来检测故障的方法，其特征在于，所述方法包括测量供电线(10)的温度(T_mes)的步骤，根据测得的温度(T_mes)，确定供电线(10)在标称温度下确定的阻抗值(Z_det)。

4.根据权利要求1至3之一所述的用来检测故障的方法，其特征在于，所述方法包括挑选和控制在第一和第二变电站(20A、20B)的输出终端之间的电压差(D)的步骤。

5.根据权利要求1至4之一所述的用来检测故障的方法，其特征在于，第一变电站(20A)和第二变电站(20B)包括可逆功率变换器(25)，使得第一变电站(20A)和第二变电站(20B)可按电流供给模式或电流恢复模式操作，并且所述方法包括分别按电流供给模式和按电流恢复模式控制第一和第二变电站(20A、20B)的操作模式的步骤。

6.根据权利要求5所述的用来检测故障的方法，其特征在于，可逆功率变换器(25)包括整流器(35)和逆变器(40)，该逆变器(40)反并联连接到整流器(35)上，并且第一或第二变电站(20A、20B)当它按电流恢复模式控制时，按逆变器模式操作，并且当它按电流供给模式控制时，按整流器模式操作。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的用来检测故障的方法，其特征在于，每个变电站(20A、20B)连接到供电线(10)上并且连接到铁轨(22)上，使得电流(I)按环路循环，该环路依次通过按电流供给模式控制的变电站(20A)，然后通过供电线(10)，然后通过按电流恢复模式控制的变电站(20B)，然后通过铁轨(22)以返回到按电流供给模式控制的变电站(20A)。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的用来检测故障的方法，包括检查铁路车辆是否在第一和第二变电站(20A、20B)之间循环的步骤，如果没有车辆在第一和第二变电站(20A、20B)之间循环，则建立电压差(D)。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的用来检测故障的方法，供电线(10)在多于两个变电站(20)之间延伸，所述方法包括挑选两个变电站(20A、20B)分别按电流供给模式和电流恢复模式控制的步骤、和依据待被测试的供电线(10)的部分(T)在所述变电站(20A、20B)的输出终端之间建立电压差(D)的步骤。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的用来检测故障的方法，还包括如果比值：

$\frac{Z_{\det }}{Z_L}$

低于阈值(C_S)则发出警报的步骤。

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