CN103336219A - 一种高速铁路综合贯通地线断线故障点位置检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速铁路综合贯通地线断线故障点位置的检测方法，该方法通过在综合贯通地线与钢轨扼流线圈横向连接的相邻两个连接点处设置电流传感器，分别测量没有发生断线故障和发生断线故障时传感器的信号，得到两传感器电流信号的比值，带入相关的公式中进行处理，得到综合贯通地线断线故障点位置。该方法不需要将综合贯通地线逐段从土壤中挖掘出来，不影响列车的正常运行，可大大降低综合贯通地线检修的工程量，节省检修时间，提高检修效率。

Description

一种高速铁路综合贯通地线断线故障点位置检测方法

技术领域

本发明涉及一种高速铁路综合贯通地线断线故障点位置检测方法，属于铁路系统测量技术领域。

背景技术

近年来，高速铁路在我国迅速发展，逐渐成为我国轨道交通领域的中坚力量，为缓解我国铁路系统运能、运量的矛盾提供了重要支持。高速铁路运营速度快，牵引回流大，导致钢轨电位显著提升，给沿线人员和设备的安全带来严重威胁。同时，高速铁路运输系统自动化程度高，沿线通号设备(通信和信号设备)多，各设备外壳地电位因接地结构的差异而各不相同，如果没有一个公共的参考地电位，通号系统设备之间容易出现逻辑混乱，产生重大安全隐患。为了有效降低钢轨电位，给沿线通号设备提供公共参考地电位，我国高速铁路系统设置了综合贯通地线。综合贯通地线采用截面为70mm²左右的裸导线，沿高速铁路线路铺设，埋设深度约0.7m，每隔一定距离通过横向(在地平面上，沿铁路线路方向为纵向，与之垂直的为横向)连接线与钢轨的扼流线圈相连，铁路沿线通号设备的外壳均与综合贯通地线相连。由于综合贯通地线直接埋设于土壤中，受土壤里水分、酸碱等的作用，综合贯通地线容易发生局部锈蚀、断线等故障，导致综合贯通地线接地阻抗增大，地电位浮动，给高速铁路系统的安全稳定运营带来威胁。同时，综合贯通地线沿铁路铺设，绵延数百——数千公里，而且埋设于土壤中，当地线发生断线故障，需要检修时，断线位置不易查找，给检修带来很大的困难。传统检修方法是将综合贯通地线逐段从土壤中挖掘出来，然后查找断线故障点并进行检修，该方法不仅工程量巨大，而且耗时长，效率低，同时，在综合贯通地线检修过程中，线路必须停止行车，传统检修方法已无法满足高速铁路高效率运营的需要。因此亟需一种能够准确、快速诊断综合贯通地线断线故障点位置的方法，以便针对故障点进行及时的检修，降低综合贯通地线检修工程量、节省检修时间，提高检修效率。

发明内容

针对上述情况，本发明的主要目的是提供一种能够快速诊断高速铁路综合贯通地线断线故障点位置的方法，该方法不需要将综合贯通地线逐段从土壤中挖掘出来，克服了传统检修方法工程量大、耗时长、效率低的缺点。

图1中给出了综合贯通地线与钢轨连接的结构示意图。其中A、B两点分别是综合贯通地线上通过横向连接线与钢轨扼流圈相连的相邻两个连接点，AC、BD分别是相邻的两段横向连接线，其长度约为1——2m，与综合贯通地线相比，其长度可以忽略不计。列车从C点附近的钢轨上通过时，I₀是通过横向连接线注入综合贯通地线A点的牵引电流。L₀是综合贯通地线与钢轨横向相连的相邻两连接点的间距。

当综合贯通地线处于完好状态，没有发生断线故障时(与综合贯通地线相连的设备的地电位平稳，不变化)，由于综合贯通地线长度达到数百——数千公里，可以近似看作水平无限长接地导体，从A点注入综合贯通地线的电流一方面在地线上传导，另一方面由于土壤的散流特性，综合贯通地线上的电流向埋设的土壤周边散流，因此综合贯通地线上电流的衰减规律可以表示为：

I(x)＝I₀e^-γ·x    (1)

其中I(x)是距电流注入点A的距离为x处综合贯通地线上流过的电流，γ是综合贯通地线的电流衰减常数，根据上式可知，综合贯通地线A、B两点处的电流I_A、I_B可表示为：

$I_A=I\left(0\right)=I_0,I_B=I\left(L_0\right)=I_0{e}^{-\mathrm{\γ}\·L_0}---\left(2\right)$

因此当综合贯通地线没有断线时，综合贯通地线上B点与A点电流的比值K₁为：

$K_1=\frac{I_B}{I_A}=\frac{I_0\·e^{-\mathrm{\γ}\·L_0}}{I_0}=e^{-\mathrm{\γ}\·L_0}---\left(3\right)$

当综合贯通地线发生断线故障时(与综合贯通地线相连的设备的地电位变化)，假设断线故障点距A点的距离为L，由于综合贯通地线发生了断线，因此只能当成有限长接地导体，根据有限长水平接地导体上的电流衰减规律可知，其上的电流可表示为：

$I\left(x\right)=I_0\·\frac{e^{-\mathrm{\γ}\·x}-e^{-2\mathrm{\γ}\·L}\·e^{\mathrm{\γ}\·x}}{1-e^{-2\mathrm{\γ}\·L}}---\left(4\right)$

其中I(x)是距电流注入点A的距离为x处的综合贯通地线上流过的电流，γ是综合贯通地线的电流衰减常数，L是综合贯通地线发生断线后，断线点距电流注入点A的距离，根据上式可知，综合贯通地线A、B两点处的电流I_A、I_B可表示为：

$I_A=I\left(0\right)=I_0,I_B=I\left(L_0\right)=I_0\·\frac{e^{-\mathrm{\γ}\·L_0}-e^{-2\mathrm{\γ}\·L}\·e^{\mathrm{\γ}\·L_0}}{1-e^{-2\mathrm{\γ}\·L}}---\left(5\right)$

因此当综合贯通地线发生断线故障时，综合贯通地线上B点与A点电流的比值K₂为：

$K_2=\frac{I_B}{I_A}=\frac{e^{-\mathrm{\γ}\·L_0}-e^{-2\mathrm{\γ}\·L}\·e^{\mathrm{\γ}\·L_0}}{1-e^{-2\mathrm{\γ}\·L}}---\left(6\right)$

联立式(3)和式(6)求解变量L可得：

$L=\frac{L_0}{2\ln \left(\frac{1}{K_1}\right)}\·\ln \left[\frac{K_1\·K_2-1}{K_1\·K_2-K_1^2}\right]---\left(7\right)$

从式(7)可以看出，综合贯通地线断线故障点距A点的距离L只与A、B两点电流的比值K₁、K₂及A、B两点的距离有关。基于上式，本发明提出一种高速铁路综合贯通地线断线故障点位置检测方法，其技术构成在于它包括如下步骤：

1.1在综合贯通地线上与钢轨扼流线圈相连的相邻两个连接点处分别设置一个电流传感器，并记录下两个连接点之间的距离L₀；

1.2当综合贯通地线处于良好状态(与综合贯通地线相连的设备地电位平稳，不变化)，没有断线，列车从其中一个传感器附近的钢轨上通过时，同步采集两测量点传感器的信号，并将距离列车较远的传感器(第二个传感器)测得的数据除以距列车较近的传感器(第一个传感器)测得的数据，得到比例系数K₁；当综合贯通地线发生断线故障(与综合贯通地线相连的设备地电位变化)，列车从第一个传感器附近的钢轨上通过时，同步采集两测量点传感器的信号，并将第二个传感器测得的数据除以第一个传感器测得的数据，得到比例系数K₂；

1.3将K₁、K₂、L₀的数值带入下式，计算得到综合贯通地线断线故障点到第一个传感器的距离L：

$L=\frac{L_0}{2\ln \left(\frac{1}{K_1}\right)}\·\ln \left[\frac{K_1\·K_2-1}{K_1\·K_2-K_1^2}\right]$

与传统检测方案相比，本发明具有如下效果：

(1)本发明可以快速诊断出故障点，不需要将综合贯通地线逐段从土壤中挖掘出来检查，大大减轻了检修工程量，节约了检修时间，提高了检修效率。

(2)本发明在查找故障点过程中，只需在综合贯通地线与钢轨相连的横向连接线的连接点处设置电流传感器，不影响高速铁路系统的正常运营。

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综合贯通地线与钢轨扼流线圈连接的结构示意图

图2为本发明中电流传感器的安装方式

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

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明作进一步的详细说明。

本发明方法的一种具体实施方式如下：

第一步：在高速铁路线路上选一地质结构均匀的区段，并在该区段上找到综合贯通地线1与钢轨扼流线圈相连的相邻两横连接线，在综合贯通地线与横向连接线相连的连接点A、B处设置电流传感器2，并记录下两连接点(两测量点)的距离L₀。

第二步：当综合贯通地线处于良好状态，没有发生断线，列车从测量点附近的钢轨上通过时，同步采集各电流传感器的信号，距离列车近的设定为第一个传感器，并将该测量点作为基准点，距离列车远的设定为第二个传感器。当综合贯通地线发生断线故障，列车从第一个传感器附近的钢轨上通过时，同步采集两传感器的信号。同步采集的方式采用全球卫星定位系统(GPS)同步时钟控制采集方式，其结构原理如图3所示：

每个电流传感器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对各电流传感器的信号进行同步采集。

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)，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：

$L=\frac{L_0}{2\ln \left(\frac{1}{K_1}\right)}\·\ln \left[\frac{K_1\·K_2-1}{K_1\·K_2-K_1^2}\right]$

式中，L₀是两测量点间的距离；K₁是综合贯通地线没有断线故障时，第二个传感器测得的数据与第一个传感器测得的数据的比值；K₂是综合贯通地线发生断线故障时，第二个传感器测得的数据与第一个传感器测得的数据的比值。分析处理器9通过分析计算程序计算得到综合贯通地线故障点距第一个传感器的距离L。

Claims (2)

1.一种高速铁路综合贯通地线断线故障点位置检测方法，其特征在于它包括如下步骤：

1.1在综合贯通地线与钢轨扼流线圈连接的相邻两个连接点处分别设置一个电流传感器，并记录下两个连接点之间的距离L₀；

1.2当综合贯通地线处于良好状态，没有断线，列车从其中一个传感器附近的钢轨上通过时，同步采集两测量点传感器的信号，并将距离列车较远的传感器(第二个传感器)测得的数据除以距列车较近的传感器(第一个传感器)测得的数据，得到比例系数K₁；当综合贯通地线发生断线故障，列车从第一个传感器附近的钢轨上通过时，同步采集两测量点传感器的信号，并将第二个传感器测得的数据除以第一个传感器测得的数据，得到比例系数K₂；

1.3将K₁、K₂、L₀的数值带入下式，计算得到综合贯通地线断线故障点到第一个传感器测量点的距离L：

$L=\frac{L_0}{2\ln \left(\frac{1}{K_1}\right)}\·\ln \left[\frac{K_1\·K_2-1}{K_1\·K_2-K_1^2}\right]$

2.根据权利要求1所述的一种高速铁路综合贯通地线断线故障点位置检测方法，其特征在于其同步采集的方式为全球卫星定位系统(GPS)同步时钟采集方式。

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