CN104210386A - 钢轨绝缘节处列车轮对电弧的抑制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢轨绝缘节处列车轮对电弧的抑制装置，该装置通过两条引出线跨接于绝缘节两侧的钢轨上，包括供电电源、检测模块、控制模块以及大功率开关模块；其中，检测模块用于检测列车轮对的运行位置及绝缘节两端钢轨的电位差，根据轮对位置及钢轨电位差的检测结果，判断是否向控制模块输出开关导通命令；控制模块用于接收检测模块的输出信号后，输出驱动信号给大功率开关模块；大功率开关模块用于接收控制模块的驱动信号，导通开关元件，实现绝缘节两侧的钢轨的电气导通本发明从电弧自身的生成和维持特性出发，通过在列车通过绝缘节时降低两端钢轨电位差的方式实现对列车轮对电弧的抑制，保护绝缘节与轨道轨面不被电弧烧伤。

Description

钢轨绝缘节处列车轮对电弧的抑制装置

技术领域

本发明属于高速铁路及城市轨道交通的牵引供电及信号控制领域，具体地说，本发明涉及一种高速列车通过钢轨绝缘节时产生的电弧的抑制装置。

背景技术

高速列车与地铁车辆运行时，都有功率大、牵引回流大的特点，在钢轨绝缘节处，列车轮对经过时，由于牵引回流被瞬间切断，造成列车轮对与钢轨间形成电弧放电，较大的电弧会烧损绝缘节，灼伤钢轨轨面。在侧线、有牵引电流回流切断点的位置较为明显，正线钢轨绝缘节处也存在电弧灼伤的现象。钢轨绝缘节的烧损会导致轨道电路绝缘破损，钢轨轨面的灼伤可能影响接头部位钢轨机械性能使钢轨使用寿命缩短，形成安全隐患。

在国外，同样存在高速列车或地铁车辆轮对在绝缘节处电弧的情况，澳大利亚在其《澳大利亚DC1500V牵引供电条件下的工程实施标准》中对轮对电弧现象进行了相应规定；在我国，高速线路如京沪、沪宁、武广等都已发现了钢轨绝缘节烧损的问题，在地铁线路中，轮对电弧情况也时有发生，但针对这一现象缺少相关的工程标准及解决措施。电弧现象受钢轨牵引回流大小、接地系统、列车轮对的牵引电流泄流方式等多方面因素的影响，不同的系统条件、车辆运行工况及钢轨绝缘节位置会产生具有差异性的电弧，高速铁路的AC25kV供电制式与城轨地铁DC750V或DC1500V的供电制式也会造成电弧特性的不同，因此从牵引供电系统或者钢轨结构的角度寻找抑制轮对电弧的方法存在困难。而电弧的生成与维持特性则与电弧电压及电弧电流相关。所以，需要从电弧的生成与维持角度寻找抑制轮对在钢轨绝缘节处产生电弧现象的方法并设计具体的装置。

针对现有技术存在的缺陷，提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钢轨绝缘节处列车轮对电弧的抑制装置，能够使用在AC25kV或DC750V、DC1500V供电制式条件下，钢轨线路任意位置的钢轨绝缘节处，当列车以任意牵引级位通过绝缘节时，该装置都能按照设计的检测及控制程序工作，有效抑制泄流轮对或者非泄流轮对产生的电弧现象，避免绝缘节烧损、钢轨轨面灼伤。

为了实现上述发明目的，本发明提供的抑制高速列车通过钢轨绝缘节时产生电弧的装置的设计方案是：

一种钢轨绝缘节处列车轮对电弧的抑制装置，该装置通过两条引出线跨接于绝缘节两侧的钢轨上，包括供电电源、检测模块、控制模块以及大功率开关模块；其中，

检测模块用于检测列车轮对的运行位置及绝缘节两端钢轨的电位差，根据轮对位置及钢轨电位差的检测结果，判断是否向控制模块输出开关导通命令；

控制模块用于接收检测模块的输出信号后，输出驱动信号给大功率开关模块；

大功率开关模块用于接收控制模块的驱动信号，导通开关元件，实现绝缘节两侧的钢轨的电气导通。

检测模块包括三级处理设备，一级处理设备为列车轮对位置检测模块，二级设备为电压采集设备，三级设备为电压比较电路；其中，

列车轮对位置检测模块为将列车轮对位置转换为电信号的装置，用于检测列车轮对的位置，并向二级设备的电压采集设备输出控制信号；

电压采集设备接收来自列车轮对位置检测模块的信号后，分别采集绝缘节两侧的钢轨的电压，并输入电压信号处理电路作差，电压差值输入三级设备的电压比较电路；

电压比较电路接收来自二级设备的电压差值后，与预设阀值进行比较，根据比较结果确定检测模块是否向后续设备输出信号。

检测模块可以是振动传感器、激光检测仪或红外检测仪，以及其他可以将列车轮对位置转换为电信号的装置；绝缘节两端钢轨电压采集设备可以是电压互感器，以及其他可以检测两条钢轨电位并得到差值与预设阀值比较的电路。

所述的控制模块在前端的检测模块输出电平为0时，不输出驱动信号；在前端的检测模块输出电平为1时，产生驱动信号，控制大功率开关模块导通；

大功率开关模块包含有电磁屏蔽系统，保证接受到的检测模块信号准确，不受外界电磁环境的干扰。

所述的大功率开关模块以IGBT、MOSFET等大功率开关元件为基础，以导通后将通过的最大回流值确定开关型号及数量，开关导通速度应该快于列车通过绝缘节的速度，开关导通压降应该低于检测模块预设的电位差阀值，开关跨接在绝缘节两端钢轨上，由前端控制模块驱动其导通，实现绝缘节两端钢轨的电气导通。

本发明采用的原理是：以电弧的生成及维持特性为基础对轮对经过绝缘节时产生的电弧进行抑制。通过快速导通绝缘节两端钢轨，实现钢轨等电位，降低轮对与离去侧钢轨间电压差，使电弧形成后立即熄灭，有效防止电弧对钢轨绝缘节即钢轨轨面的烧蚀。

本发明的有益效果是：从电弧自身的生成和维持特性出发，通过在列车通过绝缘节时降低两端钢轨电位差的方式实现对列车轮对电弧的抑制，保护绝缘节与轨道轨面不被电弧烧伤。设计的装置方案不涉及系统的供电制式、绝缘节在线路中的位置、列车运行时的牵引级位以及轮对的泄流方式，因此可以使用在AC25kV或DC750V、DC1500V供电制式条件下、线路任意位置的绝缘节处，并且对以任意牵引级位通过绝缘节的泄流或非泄流轮对都有作用。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1为本发明的基本结构原理图；

图2为本发明装置与钢轨的连接关系图；

图3为本发明的基本工作逻辑流程图；

图4a、4b、4c为验证本发明实际效果的模拟实验装置图及实验效果图；

图5a、5b、5c为验证本发明实际效果的模拟实验装置的实验波形图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1所示为基于本发明发放的抑制装置的基本结构原理图。如图1所示，1表示列车轮对，2表示列车离去侧钢轨，3表示钢轨机械绝缘节，4表示列车到达侧钢轨，5表示实现抑制轮对在钢轨绝缘节处电弧的装置。

参考图1，装置5对外有两条引线5-1及5-2，引线末端有接线端子，能够通过螺钉与钢轨连接，具体连接方式请参考图2；在装置内部，引出线5-1与装置的大功率开关模块正极相连，引出线5-2与大功率开关模块负极相连；装置5与钢轨的连接关系为引出线5-1连接于离去侧钢轨2，引出线5-2连接于到达侧钢轨4，即装置5跨接在钢轨绝缘节3两端。

继续参考图1，装置5内部分为检测模块、控制模块、大功率开关模块以及其中各电路的供电电源；检测模块的第一级为列车轮对位置检测，采用振动传感器、激光检测仪等设备；第二级为钢轨电位检测，利用电压互感器等设备采集引出线5-1和5-2的电压值，输入一套电压信号处理电路，得出两钢轨的电压差值；第三级为电压比较，将两钢轨电压差值与预设阀值比较，判断是否输出控制信号；检测模块之后接控制模块，检测模块的输出作为控制模块的输入，控制模块包含大功率开关IGBT或MOSFET的驱动电路，以及一套电磁屏蔽系统，防止外界复杂的电磁环境干扰装置正常工作；控制模块之后接大功率开关模块，控制模块的输出作为大功率开关的驱动信号，大功率开关采用IGBT或MOSFET等容量较大的电力电子器件，根据列车回流值选取器件的型号或使用多个同型号器件串并联使用，大功率模块中还包含电力电子器件的外围电路及多个器件串并联时所需要的均压或均流电路；每个模块中都有一定数量的控制芯片，装置5中还包含各个模块控制电路的供电电源，可以利用铁路线路上的信号灯电源经过处理以后为电路供电，目的在于确保装置5中控制电路供电的可靠性，保证装置5能够正常工作。

图2为本发明装置与钢轨的连接关系图。如图2所示，离去侧钢轨2、到达侧钢轨4，5-1、5-2表示装置5的引出线，6表示压轨器，7表示固定螺钉，8表示引出线端子。

参考图2，压轨器与钢轨2、4紧贴，引线端子8通过固定螺钉7与压轨器6连接，在电气上与钢轨2、4导通。

图3为本发明的基本工作逻辑流程图，现结合图1说明本发明的具体工作流程。当有列车驶向绝缘节时，第一级的轮对位置检测模块检测到轮对位置，向第二级设备输出控制信号；第二级设备的电压采集设备接收控制信号后分别采集绝缘节3两端钢轨2、4的电压并输入电压信号处理电路作差；得到的钢轨电压差值输入第三级设备电压比较电路，将钢轨电压差与预设阀值比较，预设阀值的大小根据一般电弧的维持电压确定；如果电压差小于预设阀值，检测模块将不会向后续设备输出信号，并且将之前所有控制端口的电平清零，系统复位、停止工作；如果电压差大于预设阀值，检测模块向控制模块输出有效导通信号，触发控制模块工作；控制模块接收到导通信号后输出驱动信号输入大功率开关模块；大功率开关模块接收驱动信号，其中的开关元件导通，将绝缘节两端钢轨2、4电气导通，此时轮对1已经运行到到达侧钢轨4，二者电位相等，由于钢轨2、4电气导通，轮对1与离去侧钢轨2的电位也相等，没有电位差，在轮对1与离去侧钢轨2分离时产生的电弧不能继续维持，会立即熄灭；由于电弧在产生之后通过本发明方法的处理能够立即熄灭，可以有效防止钢轨机械绝缘节以及钢轨轨面被电弧烧伤。

图4所示为实验室条件下搭建的轮轨模拟装置，目的在于验证在列车轮对通过钢轨绝缘节时将两端钢轨电气导通这一方法对抑制轮对电弧的效果，这一方法也是本发明的基础与核心。如图4a、4b、4c所示，其中1为模拟轮对，2为离去侧钢轨，4为到达侧钢轨，3为模拟绝缘节，用空气间隙代替。

实验一为钢轨2、4不等电位时，轮对1经过绝缘节3的电弧情况。轮对1接变压器输出的一端，离去侧钢轨2接变压器输出的另一端；变压器通电后通过轮对1和离去侧钢轨2形成电气回路，模拟列车回流；到达侧钢轨4不与变压器连接，为悬空电位。给变压器通电，然后控制轮对1以一定速度在钢轨2上滚动，在轮对1经过绝缘节3滚动到到达侧钢轨4上时，由于与离去侧钢轨2分离，回流被瞬间切断，产生了剧烈的电弧放电，如图4b所示。

实验二为钢轨2、4等电位时，轮对1经过绝缘节3的电弧情况。轮对1接变压器输出的一端，离去侧钢轨2接变压器输出的另一端；变压器通电后通过轮对1和离去侧钢轨2形成电气回路，模拟列车回流；到达侧钢轨4通过导线与离去侧钢轨短接，二者电位相等。实验二操作与实验一相同，在轮对1经过绝缘节3时，与离去侧钢轨2之间会有电弧产生，但轮对1瞬间运动到到达侧钢轨4上，由于钢轨2、4等电位，轮对1也与离去侧钢轨2等电位，二者间没有电位差，产生的电弧不能继续维持，会立即熄灭，如图4c所示。

图5所示为轮轨模拟装置实验时采集的波形，其中1为轮对电压波形，2为离去侧钢轨电压波形。图5a、5b分别表示绝缘节两端钢轨不等电位情况下，在电压正弦周期的正半周及负半周轮对经过绝缘节时的电压波形；在A点发生轮对电弧，离去侧钢轨与轮对不存在机械接触，电气上依靠电弧连接，离去侧钢轨电压发生突变，其与钢轨电压的差值即为电弧电压；在B点由于电压值较低，电弧不能维持而熄灭，离去侧钢轨电压降为0；图5c表示将绝缘节两端钢轨用导线短接后电位相同时的电压波形图，由于轮对经过绝缘节时没有产生电弧放电，离去侧钢轨电压与轮对电压一致。

以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种钢轨绝缘节处列车轮对电弧的抑制装置，其特征在于，该装置通过两条引出线跨接于绝缘节两侧的钢轨上，包括供电电源、检测模块、控制模块以及大功率开关模块；其中，检测模块用于检测列车轮对的运行位置及绝缘节两端钢轨的电位差，根据轮对位置及钢轨电位差的检测结果，判断是否向控制模块输出开关导通命令；

控制模块用于接收检测模块的输出信号后，输出驱动信号给大功率开关模块；

大功率开关模块用于接收控制模块的驱动信号，导通开关元件，实现绝缘节两侧的钢轨的电气导通。

2.根据权利要求1所述的一种钢轨绝缘节处列车轮对电弧的抑制装置，其特征在于，所述的检测模块包括三级处理设备，一级处理设备为列车轮对位置检测模块，二级设备为电压采集设备，三级设备为电压比较电路；其中，

列车轮对位置检测模块为将列车轮对位置转换为电信号的装置，用于检测列车轮对的位置，并向二级设备的电压采集设备输出控制信号；

电压采集设备接收来自列车轮对位置检测模块的信号后，分别采集绝缘节两侧的钢轨的电压，并输入电压信号处理电路作差，电压差值输入三级设备的电压比较电路；

电压比较电路接收来自二级设备的电压差值后，与预设阀值进行比较，根据比较结果确定检测模块是否向后续设备输出信号。

3.根据权利要求2所述的一种钢轨绝缘节处列车轮对电弧的抑制装置，其特征在于，所述的列车轮对位置检测模块为振动传感器、激光检测仪或红外检测仪；所述的电压采集设备为电压互感器。

4.根据权利要求1所述的一种钢轨绝缘节处列车轮对电弧的抑制装置，其特征在于，所述的控制模块在前端的检测模块输出电平为0时，不输出驱动信号；在前端的检测模块输出电平为1时，产生驱动信号，控制大功率开关导通。

5.根据权利要求1所述的一种钢轨绝缘节处列车轮对电弧的抑制装置，其特征在于，所述的控制模块包含有电磁屏蔽系统。

6.根据权利要求1所述的一种钢轨绝缘节处列车轮对电弧的抑制装置，其特征在于，所述的大功率开关模块以IGBT、MOSFET大功率开关元件为基础，跨接在绝缘节两端钢轨上，由前端控制模块驱动其导通，实现绝缘节两端钢轨的电气导通。

7.根据权利要求6所述的一种钢轨绝缘节处列车轮对电弧的抑制装置，其特征在于，所述的大功率开关模块的容量以导通后将通过的最大泄流值确定，开关导通速度快于列车通过绝缘节的速度，开关导通压降低于检测模块预设的电位差阀值。