CN110654273A - 一种对钢轨电位进行控制的柔性接地装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种对钢轨电位进行控制的柔性接地装置，包括与钢轨电位接地体连接的若干功率模块、对功率模块的工作模式进行分配控制的主控制器，所述主控制器通过电压传感器与钢轨电位接地体连接用于采集钢轨电位数据，钢轨电位的采用柔性控制，摒弃钢轨电位传统的分段控制方法，丰富城轨回流系统柔性接地理论；可以使钢轨电位与杂散电流的综合协同控制，避免各参数独立控制的副作用，实现两者并柜控制；控制方法计及多点钢轨电位的耦合作用影响，避免钢轨电位控制的连锁动作；计及回流系统暂态参数对钢轨电位控制时暂态过电压影响，避免出现误动作闭锁情况，同时，降低了回流系统钢轨电位振荡频率；降低了钢轨电位控制时的功率消耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种钢轨电位控制技术领域，具体涉及一种对钢轨电位进行控制的柔性接地装置。
背景技术
目前，国内外城市轨道交通线路普遍采用直流牵引供电系统。系统由牵引变电所、牵引网、列车等主要设备组成，采用了走行轨回流的供电方式。牵引变电所将城市电网交流电降压、整流成750V或1500V直流电，输送给接触网。牵引电流经接触网到达列车，并由回流系统(包括走行轨、杂散电流排流网、地网等组成)返回至牵引变电所负极。
但是，在直流牵引供电系统供电方式当中，由于走行轨不可能与大地完全绝缘，且走行轨具有一定的纵向电阻，牵引电流回流时会在走行轨上形成一定的电压降，走行轨与大地之间存在电位差，该电位差称为钢轨电位。因此有少量电流不会沿着走行回流轨回到牵引变电所的负极，而是流入周边介质或者大地，经电阻较小路径返回轨道或牵引变电所整流机组负极。
钢轨电位升高会危及乘客人身安全并影响轨旁设备的安全运行。由于列车与走行轨等电位，当乘客上下列车时，若走行轨对地电位过高，会对人身安全造成危害。此外，走行轨连接有多种轨旁设备，如屏蔽门、转辙机等，当走行轨电位过高且轨旁设备存在一定的绝缘薄弱时，会对轨旁设备造成损害。国内多条城市轨道交通线路运营时，发生过屏蔽门打火、转辙机接地线烧熔等现象，给线路的安全运营造成较大危害。
为防止过高钢轨电位对乘客人身及轨旁设备造成危害，国内外城市轨道交通线路的车站位置通常设置钢轨电位限制装置(Over Voltage Protection Device，OVPD)。OVPD一端连接走行轨，一端连接系统地网，当检测到所在位置钢轨电位超过标准规定的人身安全限值时，OVPD合闸一段时间，将走行轨与大地短接，以降低该位置钢轨电位水平。
但是采用钢轨电位限制装置刚性接地方式存在一些问题。
1)钢轨电位装置作用时保证了人身和设备的安全，但同时也使大量的回流电流通过钢轨电位限制装置流入地网，形成杂散电流，对地网和车站中的结构钢筋，及相连的设备的金属材料产生电腐蚀，减少了金属材料的寿命，严重时影响地铁工程的使用寿命。
2)现有的钢轨电位限制装置，当钢轨电位超过设定值时，将走行轨与系统接地网短接，降低该位置钢轨电位，属于刚性接地。当轨电位升高时，容易一段保护动作频繁接地，造成走行轨电位来回波动，振荡幅值达到上百伏，对直流牵引供电系统冲击较大，且影响人员与设备安全运行。
3)每条线路均有2-3个车站的钢轨电位限制装置频繁显示钢轨电位过高，动作次数多，屏蔽门外框结构对相邻金属部件产生放电火花的现象时有发生。所以在运营中，钢轨电位装置在起到安全保护的作用前提下，应该尽可能少动作。
发明内容
为全面解决上述问题，尤其是针对现有技术所存在的不足，本发明提供了一种对钢轨电位进行控制的柔性接地装置。为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：
一种对钢轨电位进行控制的柔性接地装置，包括与钢轨电位接地体连接的若干功率模块、对功率模块的工作模式进行分配控制的主控制器，所述主控制器通过电压传感器与钢轨电位接地体连接用于采集钢轨电位数据。
进一步的，所述功率模块的工作模式包括恒压模式、恒流控制模式、恒阻模式。
恒压模式：不同于传统的末端电压控制，该装置电压控制属于源端电压控制，是通过改变装置端口电压-电流特性调整系统的外端口特性，实现并联分流的目的。
该种模式下，基于传统的电感电流内环、输出电压外环的基础上，增加源端电压控制，最外环为源端电压控制，控制输出作为末端电压的给定。该控制策略等效于在传统电压控制闭环的基础上增加可变参考，即建立源端电压-输出电压-电感电流三闭环控制系统。
恒流控制模式：指源端恒流控制，该控制策略类似于源端恒压控制，为源端电流-输出电压-电感电流三闭环控制系统。不同的是，由于源端电流与源端电压存在非线性耦合关系，电流控制时，易引起源端电压也跟随波动，因此该控制策略需要引入源端电压作为前馈。
恒阻模式：该控制策略为流模式的改进，控制策略依然是源端电流-输出电压-电感电流三闭环控制，只是在不同的电压情况下维持V/I为恒定值。控制过程中，始终将源端被控电流保持为V/R，保证外端口特性为恒阻值特性。
正常运行情况下，装置工作于恒压模式，当轨电位泄漏电流超过装置允许输出电流时，装置自动切换为恒流模式，满功率运行。
进一步的，所述功率模块包括开机充电限流电阻、与开机充电限流电阻连接的全波整流桥、与全波整流桥连接的滤波电容器、与滤波电容器连接的功率IGBT、与功率IGBT连接的续流二级管、与续流二级管连接的功率电感、与功率电感的负载电容器、与负载电容器连接的负载电阻器。
进一步的，所述功率IGBT、续流二级管、功率电感、负载电容器构成三路并联的Buck电路，所述Buck电路输出端与负载电阻器连接，由控制器的自动控制算法进行控制，得到稳定的直流电压，直流电压通过负载电阻，得到恒定的直流电流。
进一步的，所述开机充电限流电阻由直流接触器KM和功率电阻Ri并联组成，在装置开机时，KM断开，Ri串联至回路中，限制203滤波电容的充电电流，也起到保护整流桥的作用。
进一步的，所述若干功率单元模块输入最大电流为100A，各功率模块并联接入系统。
进一步的，并联的所述功率模块数量不大于8个。
进一步的，所述主控制器采用PWM控制输出电压，实现输入电压、输出电压、输入电流的连续可调。
本发明的有益效果：本发明的钢轨电位的采用柔性控制，摒弃钢轨电位传统的分段控制方法，丰富城轨回流系统柔性接地理论；可以使钢轨电位与杂散电流的综合协同控制，避免各参数独立控制的副作用，实现两者并柜控制；控制方法计及多点钢轨电位的耦合作用影响，避免钢轨电位控制的连锁动作；计及回流系统暂态参数对钢轨电位控制时暂态过电压影响，避免出现误动作闭锁情况，同时，降低了回流系统钢轨电位振荡频率；降低了钢轨电位控制时的功率消耗。
附图说明
图1是本发明的接地装置主结构示意图；
图2是本发明的功率模块电路示意图；
图3是本发明的源端恒压控制策略框图示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义.
如图1至图3所示，本实施例提供一种对钢轨电位进行控制的柔性接地装置，包括与钢轨电位接地体连接的若干功率模块、对功率模块的工作模式进行分配控制的主控制器，所述主控制器通过电压传感器与钢轨电位接地体连接用于采集钢轨电位数据，所述主控制器采用PWM控制输出电压，实现输入电压、输出电压、输入电流的连续可调。
所述若干功率单元模块输入最大电流为100A，各功率模块并联接入系统，并联安装功率模块数最多为8个。
为了提高装置的可靠性，同时降低变流器中器件的电压、电流应力，功率模块采用组件化结构，每个模块20kW，功率模块内采用三路Buck电路并联的形式，每条支路6.7kW，利用交错并联，降低了后端滤波元件的参数和尺寸，轨电位限值装置设计为模块化交错并联Buck电路，均流且互为备用。当某一支路失效时，系统告警，其他两个支路正常工作，且分担故障支路的功率，根据控制模式不同，分别设计不同的控制策略。
所述功率模块的工作模式包括恒压模式、恒流控制模式、恒阻模式。
恒压模式：不同于传统的末端电压控制，该装置电压控制属于源端电压控制，是通过改变装置端口电压-电流特性调整系统的外端口特性，实现并联分流的目的。
该种模式下，基于传统的电感电流内环、输出电压外环的基础上，增加源端电压控制，最外环为源端电压控制，控制输出作为末端电压的给定。该控制策略等效于在传统电压控制闭环的基础上增加可变参考，即建立源端电压-输出电压-电感电流三闭环控制系统。
恒流控制模式：指源端恒流控制，该控制策略类似于源端恒压控制，为源端电流-输出电压-电感电流三闭环控制系统。不同的是，由于源端电流与源端电压存在非线性耦合关系，电流控制时，易引起源端电压也跟随波动，因此该控制策略需要引入源端电压作为前馈。
恒阻模式：该控制策略为流模式的改进，控制策略依然是源端电流-输出电压-电感电流三闭环控制，只是在不同的电压情况下维持V/I为恒定值。控制过程中，始终将源端被控电流保持为V/R，保证外端口特性为恒阻值特性。
正常运行情况下，装置工作于恒压模式，当轨电位泄漏电流超过装置允许输出电流时，装置自动切换为恒流模式，满功率运行。
所述功率模块包括开机充电限流电阻201、与开机充电限流电阻201连接的全波整流桥202、与全波整流桥202连接的滤波电容器203、与滤波电容器203连接的功率IGBT204、与功率IGBT204连接的续流二级管205、与续流二级管连接的功率电感206与功率电感206负载电容器207与负载电容器207接的负载电阻器208
所述功率IGBT、续流二级管、功率电感、负载电容器构成三路并联的Buck电路，所述Buck电路输出端与负载电阻器连接，由控制器的自动控制算法进行控制，得到稳定的直流电压，直流电压通过负载电阻，得到恒定的直流电流。
所述开机充电限流电阻由直流接触器KM和功率电阻Ri并联组成，在装置开机时，KM断开，Ri串联至回路中，限制203滤波电容的充电电流，也起到保护整流桥的作用。
本发明的钢轨电位的采用柔性控制，摒弃钢轨电位传统的分段控制方法，丰富城轨回流系统柔性接地理论；可以使钢轨电位与杂散电流的综合协同控制，避免各参数独立控制的副作用，实现两者并柜控制；控制方法计及多点钢轨电位的耦合作用影响，避免钢轨电位控制的连锁动作；计及回流系统暂态参数对钢轨电位控制时暂态过电压影响，避免出现误动作闭锁情况，同时，降低了回流系统钢轨电位振荡频率；降低了钢轨电位控制时的功率消耗。
本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围中。
Claims (8)
1.一种对钢轨电位进行控制的柔性接地装置，其特征在于，包括与钢轨电位接地体连接的若干功率模块、对功率模块的工作模式进行分配控制的主控制器，所述主控制器通过电压传感器与钢轨电位接地体连接用于采集钢轨电位数据。
2.根据权利要求1所述的一种对钢轨电位进行控制的柔性接地装置，其特征在于，所述功率模块的工作模式包括恒压模式、恒流控制模式、恒阻模式。
3.根据权利要求1所述的一种对钢轨电位进行控制的柔性接地装置，其特征在于，所述功率模块包括开机充电限流电阻、与开机充电限流电阻连接的全波整流桥、与全波整流桥连接的滤波电容器、与滤波电容器连接的功率IGBT、与功率IGBT连接的续流二级管、与续流二级管连接的功率电感、与功率电感的负载电容器、与负载电容器连接的负载电阻器。
4.根据权利要求3所述的一种对钢轨电位进行控制的柔性接地装置，其特征在于，所述功率IGBT、续流二级管、功率电感、负载电容器构成三路并联的Buck电路，所述Buck电路输出端与负载电阻器连接。
5.根据权利要求3所述的一种对钢轨电位进行控制的柔性接地装置，其特征在于，所述开机充电限流电阻由直流接触器KM和功率电阻Ri并联组成。
6.根据权利要求1所述的一种对钢轨电位进行控制的柔性接地装置，其特征在于，所述若干功率单元模块输入最大电流为100A，各功率模块并联接入系统。
7.根据权利要求6所述的一种对钢轨电位进行控制的柔性接地装置，其特征在于，并联的所述功率模块数量不大于8个。
8.根据权利要求1所述的一种对钢轨电位进行控制的柔性接地装置，其特征在于，所述主控制器采用PWM控制输出电压，实现输入电压、输出电压、输入电流的连续可调。
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