CN109941154A - 一种限制钢轨电压的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种限制钢轨电压的系统和方法，包括连接在钢轨两端的第一牵引变电所和第二牵引变电所，机车可滚动地连接在第一牵引变电所、第二牵引变电所之间限定的钢轨上，且第一牵引变电所、第二牵引变电所分别与所述机车电连接，钢轨与大地之间还连接有端口外特性实时变化的动态电子负载。当电子负载的端口外特性阻抗小于其临界阻值时，钢轨电压随着电子负载端口外特性阻抗的减小而降低；当所述电子负载的端口外特性阻抗大于其临界阻值时，所述钢轨电压随着电子负载端口外特性阻抗的增大而降低。该系统和方法通过调节动态电子负载的端口外特性可以实现钢轨电压的调节，将钢轨电压限制在人体可承受的安全范围内，同时能够减少杂散电流的泄漏。

Description

一种限制钢轨电压的系统和方法

技术领域

本发明涉及钢轨电压限制领域，尤其涉及一种限制钢轨电压的系统和方法。

背景技术

在轨道交通供电系统中，钢轨作为负极，即牵引电流的回流通路，由多节钢轨通过无缝 焊接组成。轨道交通系统采用悬浮接地方式，但由于钢轨存在的阻抗特性，导致钢轨和大地 之间无法完全绝缘，所以当牵引电流流经钢轨时，会有部分电流泄漏到大地中，钢轨和大地 之间就会产生电压差，即钢轨电压。钢轨和地铁列车的电压是相等的，当乘客上下车时，会 在列车和地之间产生跨步电压，危及人身安全。传统的解决方法是在车站安装钢轨电位限制 装置(OVPD)，当钢轨电压异常升高时，OVPD动作，将钢轨直接接地，从而降低钢轨电 压。但是OVPD会带来较大的副作用，当多辆列车多区间运行时，OVPD动作频繁，会影响机车的正常运行，而且会产生大量的泄露电流，严重腐蚀轨道和钢筋结构。

发明内容

本发明旨在解决上述现有技术存在的问题之一，本发明的一个目的在于提出一种限制钢 轨电压的系统，该系统通过实时调节电子负载的端口外特性，实现钢轨电压的调节，从而将 钢轨电压限制在人体可承受的安全范围内，同时能够减少杂散电流的泄漏，进而实现牵引变 电所处轨道的柔性接地。

为了实现上述目的，本发明提出一种限制钢轨电压的系统，包括：

连接在钢轨两端的第一牵引变电所和第二牵引变电所，机车可滚动地连接在第一牵 引变电所、第二牵引变电所之间限定的钢轨上，且第一牵引变电所、第二牵引变电所分别与所述机车电连接，所述钢轨与大地之间还连接有端口外特性实时变化的动态电子负载。

进一步地，所述动态电子负载的两端还并联一电压传感器，用以检测牵引变电所处 的钢轨电压。

进一步地，所述动态电子负载的两端还连接一单片机，用以将传感器获取的钢轨电 压进行数据处理，得到限制钢轨电压的电子负载的阻抗，转化为占空比输出，控制DC/DC电路中电力电子器件的关断，实时控制电子负载的端口外特性。

进一步地，所述动态电子负载为DC/DC电路。DC/DC电路从输入端口来看是一个 动态电子负载，从轨道侧抽出轨道能量并进而消耗掉，从而维持钢轨电压在一个安全的 范围内波动。

在该技术方案中，根据钢轨电压和电子负载的定性关系和电子负载的端口外特性阻抗的 表达式，得到能够限制钢轨电压的电子负载端口外特性阻抗的值，利用单片机，将电子负载 端口外特性阻抗值转换为DC/DC电路的占空比输出，控制DC/DC电路中电力电子器件的关 断，从而使DC/DC电路的端口外特性阻抗实时变化，进而将钢轨电压维持在人体可承受 的安全范围内。

本发明的另一个目的在于提出一种限制钢轨电压的方法，包括：

将电子负载连接在钢轨和大地之间；

当所述电子负载的端口外特性阻抗小于其临界阻值时，钢轨电压随着电子负载端口外特 性阻抗的减小而降低；当所述电子负载的端口外特性阻抗大于其临界阻值时，所述钢轨电压 随着电子负载端口外特性阻抗的增大而降低。

进一步地，电子负载的端口外特性阻抗的表达式为：

本发明的有益效果：

本发明的一种限制钢轨电压的系统和方法，通过实时调节电子负载的端口外特性，实现 钢轨电压的调节，从而将钢轨电压限制在人体可承受的安全范围内，同时能够减少杂散电流 的泄漏，进而实现牵引变电所处轨道的柔性接地，而且设备成本减小，经济效益增加。

附图说明

图1为根据本发明实施例的双边供电-单列车系统钢轨电压分布示意图；

图2为根据本发明实施例的双边供电-单列车系统钢轨电压分布模型图；

图3为钢轨电压和电子负载的定性关系；

图4为电子负载的端口外特性阻抗和钢轨电压偏差及距牵引变电所的距离的关系图；

图5为未加电子负载、加OVPD、加电子负载时的钢轨电压的波形图。

具体实施方式

下面将具体结合实施例及附图对本发明一种限制钢轨电压的动态电子负载作出进一步 的详细描述说明。

根据本发明的一种限制钢轨电压的系统，包括连接在钢轨两端的第一牵引变电所和 第二牵引变电所，机车可滚动地连接在第一牵引变电所、第二牵引变电所之间限定的钢轨上，且第一牵引变电所、第二牵引变电所分别与所述机车电连接，所述钢轨与大地之 间还连接有端口外特性实时变化的动态电子负载。

动态电子负载两端并联电压传感器和单片机。

进一步优选地，所述电子负载为DC/DC电路。电子负载用电力电子设备来实现，包括DC/DC电路。

由于钢轨电压为直流量，电子负载可为DC/DC降压斩波buck电路。将电压传感器检测的钢轨电位作为buck电路源端电压的输入，进行变流，输出端接入电阻，通过从轨道抽出能量实现钢轨电位的降低。buck电路从输入端口来看是一个动态电子负载。

假设人体可承受的安全电压在60V，根据传感器检测的牵引变电所处的钢轨电压，得 到钢轨电压偏差，由此时的钢轨电压偏差和当前列车的位置，根据图4可得到挂接在轨道和 地两端的电子负载阻值的大小，将钢轨电压限制在60V以下。

电压传感器用于采样牵引变电所处的钢轨电压信号，并将钢轨电压信号传送到单片 机中，单片机用于接收钢轨电压，并对钢轨电压进行数据处理，产生控制信号，控制电子负载的端口外特性阻抗。

根据本发明的一种限制钢轨电压的方法，包括：将电子负载连接在钢轨和大地之间； 当所述电子负载的端口外特性阻抗小于其临界阻值时，钢轨电压随着电子负载端口外特 性阻抗的减小而降低，当电子负载阻值为零时，相当于牵引变电所处轨道直接接地；当所述电子负载的端口外特性阻抗大于其临界阻值时，所述钢轨电压随着电子负载的端口外特性阻抗的增大而降低。

在本发明的一个具体实施例中，将电子负载挂接在牵引变电所处，如图1所示。

步骤一：对双牵引变电所单列车的工作情况建立模型，地铁回流系统模型采用电阻 模型，电子负载等效为一个端口外特性实时变化的阻抗，如图2所示。利用基尔霍夫电压定律和电流定律进行公式推导，得到带接地电子负载的钢轨电压的数学模型。

在0～L₁区间内，I_G1(x)＝A₁e^λx+A₂e^-λx (1)

U₁(x)＝-λR_g(A₁e^λx-A₂e^-λx) (2)

I_z1(x)＝I₁-I_G1(x) (3)

在L₁～L区间内，I_G2(x)＝A₃e^λx+A₄e^-λx (4)

U₂(x)＝-λR_g(A₃e^λx-A₄e^-λx) (5)

I_z2(x)＝I₂-I_G2(x) (6)

根据节点k₁：

节点k₂：I+I_G1(L₁)-I_G2(L₁)＝0 (8)

电压补充方程：U₁(L₁)＝U₂(L₁) (9)

节点k₃：

由此可得钢轨电位和电子负载的关系表达式：

在0～L₁区间内

在L₁～L区间内

根据公式(12)可得钢轨电压和电子负载的定性关系：当所述电子负载的端口外特性阻 抗小于其临界阻值时，钢轨电压随着电子负载端口外特性阻抗的减小而降低；当所述电子负 载的端口外特性阻抗大于其临界阻值时，所述钢轨电压随着电子负载端口外特性阻抗的增大 而降低，具体如图3所示，其中R₀为电子负载的临界阻值。

ΔU_g＝U(x)-U₀ (13)

由此可得电子负载的端口外特性阻抗的表达式如下，其与钢轨电压偏差及距牵引变电 所的距离的关系图如图4所示。

其中，I——流经列车的总牵引电流；

L——2个牵引变电所的间距；

L₁——列车距离第一牵引变电所的距离；

I₁——第一牵引变电所提供的牵引电流；

I₂——第二牵引变电所提供的牵引电流；

U₁(x)、I_G1(x)、I_Z1(x)——0～L₁内x处的钢轨电压、钢轨电流、杂散电流；

U₂(x)、I_G2(x)、I_Z2(x)——L₁～L内x处的钢轨电压、钢轨电流、杂散电流；

R_G——轨道的纵向电阻，单位为Ω/km；

R_g——轨道和地的过渡电阻，单位为Ω·km；

R_D——地的纵向电阻，单位为Ω/km；

R_k——电子负载的等效电阻；

λ——特征根，

A₁～A₄——微分方程的系数；

ΔU_g——x处的钢轨电压偏差；

U₀——为人体可承受的安全电压参考值。

步骤二：根据现场实际情况和相关资料文献，选取参数的取值范围，I＝1500A， R_G＝0.03Ω/km，R_g＝15Ω·km，L＝1km，L₁＝50m U₀＝60V，R_D可忽略不计。电子 负载运行之前，将钢轨电压和电子负载的定性关系及电子负载的端口外特性阻抗的表达式 以程序的形式下载到单片机中。

步骤三：设置人体可承受的安全电压参考值为60V。根据不同的情况设置的参考值也 不同。

步骤四：电子负载设备运行，电压传感器采集牵引变电所处的钢轨电压。

步骤五：计算钢轨电压和安全电压参考值的差值，获取钢轨电位的位置信息。

步骤六：利用单片机里的编程算法，得到能够限制钢轨电压的电子负载的阻抗值，并将 该阻抗值转换为DC/DC电路的占空比输出，控制DC/DC电路中电力电子器件的关断，从而使DC/DC电路的端口外特性阻抗实时变化，进而将钢轨电压维持在人体可承受的安全 范围内。

步骤七：在列车距离第一牵引变电所50m时，未加电子负载时钢轨电压的波形、加OVPD 时钢轨电压的波形和加电子负载的钢轨电压的波形如图5所示。

本发明的有益效果是：实现牵引变电所处轨道的柔性接地，通过实时动态调节接地的电 子负载的端口外特性，可有效的将钢轨电压限制在人体可承受的安全电压范围之内，同时电 子负载为杂散电流提供回流通路，在一定程度上能够减小杂散电流的泄露。而且设备成本减 小，经济效益增加。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的， 不能理解为对本发明的限制，本专利不仅限于该场合的使用，本领域的普通技术人员在本发 明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种限制钢轨电压的系统，其特征在于，包括连接在钢轨两端的第一牵引变电所和第二牵引变电所，机车可滚动地连接在第一牵引变电所、第二牵引变电所之间限定的钢轨上，且第一牵引变电所、第二牵引变电所分别与所述机车电连接，所述钢轨与大地之间还连接有端口外特性实时变化的动态电子负载。

2.根据权利要求1所述的限制钢轨电压的系统，其特征在于，所述动态电子负载的两端还并联一电压传感器，用以检测牵引变电所处的钢轨电压。

3.根据权利要求2所述的限制钢轨电压的系统，其特征在于，所述动态电子负载的两端还连接一单片机，用以将传感器获取的钢轨电压进行数据处理，得到限制钢轨电压的电子负载的阻抗，转化为占空比输出，实时控制电子负载的端口外特性。

4.根据权利要求1所述的限制钢轨电压的系统，其特征在于，所述电子负载为DC/DC电路。

5.一种限制钢轨电压的方法，其特征在于，包括：

将电子负载连接在钢轨和大地之间；

当所述电子负载的端口外特性阻抗小于其临界阻值时，钢轨电压随着电子负载端口外特性阻抗的减小而降低；当所述电子负载的端口外特性阻抗大于其临界阻值时，所述钢轨电压随着电子负载的端口外特性阻抗的增大而降低。

6.根据权利要求5所述的限制钢轨电压的方法，其特征在于，所述电子负载的端口外特性阻抗的表达式为：

其中，R_k为电子负载的等效电阻、x为钢轨上的某一点、ΔU_g为x处的钢轨电压偏差、I为流经列车的总牵引电流、L为2个牵引变电所的间距、L₁为列车距离第一牵引变电所的距离、I₁为第一牵引变电所提供的牵引电流、I₂为第二牵引变电所提供的牵引电流、R_G为轨道的纵向电阻，单位为Ω/km；R_g为轨道和地的过渡电阻，单位为Ω·km；λ为特征根，