CN112054526A - 一种地面信号及车载设备的高次谐波抑制装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种地面信号及车载设备的高次谐波抑制装置，该装置应用于铁路系统的牵引供电系统的变电所、分区所或开闭所，具体来说至少包括一个滤波电路，即在AT供电方式下在供电臂的接触线与钢轨之间和正馈线与钢轨之间分别设置一个滤波电路，在直接供电方式下在供电臂的接触线与钢轨之间设置一个滤波电路，通过滤波电路可以将接触线/正馈线与钢轨之间回路上的高次谐波予以滤除，这样就不会因为高次谐波而导致轨道电路接收电压波动或机车的异常制动。

Description

一种地面信号及车载设备的高次谐波抑制装置

技术领域

本申请涉及铁路信号技术领域，更具体地说，涉及一种地面信号及车载设备高次的高次谐波抑制装置。

背景技术

随着电力电子技术的进步，基于GTO、IGBT、IGCT等全控型器件的交-直-交技术在电力机车和动车组中得到广泛应用，功率因数接近1，电流质量也得到了提高，表现在3、5、7次等低频段的谐波电流显著降低，在低频段谐波电流降低的同时，在较高频段(如20次以上)的高次谐波有所增加，覆盖信号工作频带(550～850Hz或1500～3000Hz)。

本申请的发明人在实践中发现，机车所发射的高次谐波在钢轨传播过程中，当钢轨两端电位不相等时，高次谐波会通过轨道电路的绝缘节耦合到轨道电路的接收设备，从而造成轨道电路接收电压波动；若载有高次谐波的不平衡电流被机车底部感应线圈接收，被车载ATP错误识别为无低频载频信号，按照车载ATP的处理逻辑，可能会导致机车出现异常制动。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种地面信号及车载设备的高次谐波抑制装置，用于对高次谐波，以避免因为高次谐波而导致轨道电路接收电压波动或机车的异常制动。

为了实现上述目的，现提出的方案如下：

一种地面信号及车载设备的高次谐波抑制装置，应用于铁路系统的牵引供电系统的变电所、分区所或开闭所，所述高次谐波抑制装置包括至少一个滤波电路，其中：

在AT供电方式下，一个所述滤波电路并联在供电臂的接触线与钢轨之间，另一个所述滤波电路并联在所述供电臂的正馈线与所述钢轨之间；

在直接供电方式下，所述滤波电路并联在所述供电臂的接触线与所述钢轨之间。

可选的，所述滤波电路为无源滤波电路、有源滤波电路或混合有源滤波电路。

可选的，电路结构为二阶滤波器，所述滤波电路包括电容、电阻和电抗器，其中：

所述电容的一端与所述接触线连接、另一端与所述电阻的一端连接；

所述电阻的另一端与所述钢轨连接；

所述电抗器与所述电容并联连接。

可选的，还包括放电线圈，其中：

所述放电线圈与所述电容并联连接。

可选的，还包括断路器和避雷器，其中：

所述断路器设置在用于连接所述第一电容与所述接触线的连接线上；

所述避雷器的一端与所述断路器的下端连接、另一端接地。

可选的，所述有源滤波电路包括第一补偿电流发生电路、第一谐波检测模块、第一电流跟踪控制模块、第一降压变压器和第一滤波电抗器，其中：

所述第一补偿电流发生电路的输出端通过所述第一滤波电抗器与所述第一降压变压器的副边连接；

所述第一降压变压器的原边的一端与所述接触线或所述正馈线连接、另一端与所述接线端连接；

所述第一谐波检测模块与所述接触线或所述正馈线连接，用于检测所述接触线或所述正馈线上的谐波信号；

所述第二电流跟踪控制模块用于接收所述谐波信号，并基于所述谐波信号向所述第一补偿电流发生电路输出驱动脉冲。

可选的，所述混合有源滤波电路包括第二补偿电流发生电路、第二谐波检测模块、第二电流跟踪控制模块、保护控制器、第二降压变压器、第二滤波电抗器、所述无源滤波电路和基波串联谐振电路，其中：

所述无源滤波电路的一端与所述接触线或所述正馈线连接、另一端与所述第二降压变压器的原边的一端连接，所述原边的另一端与所述接线端连接；

所述基波串联谐振电路与所述原边并联连接；

所述第二补偿电流发生电路的输出端通过所述第二滤波电抗器与所述第二降压变压器的副边连接；

所述第二电流跟踪控制模块用于检测所述第二补偿电流发生器是否发生故障或过流；

所述第二谐波检测模块与所述接触线或所述正馈线连接，用于检测所述接触线或所述正馈线上的谐波信号；

所述保护控制器用于对所述混合有源滤波电路进行保护。

可选的，所述基波串联谐振电路包括串联连接的第三电容和电感线圈。

从上述的技术方案可以看出，本申请公开了一种地面信号及车载设备的高次谐波抑制装置，该装置应用于铁路系统的牵引供电系统的变电所、分区所或开闭所，具体来说至少包括一个滤波电路，即在AT供电方式下在供电臂的接触线与钢轨之间和正馈线与钢轨之间分别设置一个滤波电路，在直接供电方式下在供电臂的接触线与钢轨之间设置一个滤波电路，通过滤波电路可以将接触线/正馈线与钢轨之间回路上的高次谐波予以滤除，这样就不会因为高次谐波而导致轨道电路接收电压波动或机车的异常制动。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例的一种高次谐波抑制装置的安装示意图；

图2为本申请实施例AT供电方式下高次谐波抑制装置的安装示意图；

图3为本申请实施例直接供电方式下高次谐波抑制装置的安装示意图；

图4为本申请实施例的又一种滤波电路的电路图；

图5为本申请实施例的一种滤波电路的工作原理图；

图6为本申请实施例的一种滤波电路的工作原理图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

图1为本申请实施例的一种高次谐波抑制装置的安装示意图。

如图1所示，本实施例提供的高次谐波抑制装置应用于铁路系统，具体来说设置在铁路系统的牵引供电系统的变电所、分区所或开闭所等处。具体来说，该高次谐波抑制装置包括至少一个滤波电路。对于本实施例来说，该滤波电路为一个或两个。

当铁路系统采用AT供电方式时，需要选用两个滤波电路，具体如图2所示，其中一个滤波电路的一端与供电臂的接触线连接、另一端与钢轨上的接触点相连接；另一个滤波电路的一端与供电臂的正馈线连接、另一端与钢轨上的接触点连接。

AT供电方式是电力牵引的一种供电方式，又称自耦变压器供电方式，是单相工频交流电气化铁路为提高供电质量和减少对通信的干扰而采用的一种设有自耦变压器的供电方式。

AT供电方式的专用设备主要有与接触线平行架设的正馈线及每隔一定距离设置的低阻抗自耦变压器。正馈线为牵引负荷返回变电所的通路，其允许载流量应与接触线的允许载流量等价。自耦变压器的一、二次绕组匝数比采用2:1，一端接接触线，另一端接正馈线，中点接钢轨或扼流变压器的中性点。其中，接触线及正馈线的对地电压相等，接触线与正馈线之间的电压为其本身对地电压的2倍。

当铁路系统采用直接供电方式时，只需要一个滤波电路即可满足要求，具体如图3所示，此时该滤波电路的一端与供电臂的接触线连接、另一端与钢轨上的接触点连接。

直接供电方式是以钢轨作为主要牵引回流通路的一种牵引网供电方式。较常见的两种形式：一种是以钢轨作为回流导体，称简单直接供电方式(T-R方式)，另一种是在回流系统中增设一条回流线，并每隔3～4km与钢轨并联连接，称带回流线直接供电方式(T-R-NF方式)。

在防止对平行接近通信线干扰影响方面，T-R-NF方式略优于T-R方式。干扰影响一般用牵引网屏蔽系数来评价。所谓屏蔽系数，即牵引回流由地中返回分量占全部牵引电流的比值。

直接供电方式下牵引网结构简单，造价便宜，施工和运营维护方便；另外，牵引网单位阻抗较小，牵引网电压损失和电力损耗较小；但通过轨一地间横向过渡电阻泄入地中的回流分量较大，使钢轨对地电位升高，有时需要采取钢轨电位抑制措施，以保证安全。

无论采用AT供电方式还是采用直接供电方式，这里的钢轨上的接触点均选用设置在该钢轨上的扼流变压器的中性点。

通过并联在接触线或正馈线与钢轨之间的滤波电路，可以将接触线与钢轨之间和/或正馈线与钢轨之间的高次谐波予以滤除，所滤除的电流频率为550～850Hz和1500～3000Hz的高次谐波电流。该滤波电路可以为无源滤波电路、有源滤波电路或者混合有源滤波电路。

从上述技术方案可以看出，本实施例提供了一种高次谐波抑制装置，该装置应用于铁路系统的牵引供电系统的变电所、分区所或开闭所，具体来说至少包括一个滤波电路，即在AT供电方式下在供电臂的接触线与钢轨之间和正馈线与钢轨之间分别设置一个滤波电路，在直接供电方式下在供电臂的接触线与钢轨之间设置一个滤波电路，通过滤波电路可以将接触线/正馈线与钢轨之间回路上的高次谐波予以滤除，这样就不会因为高次谐波而导致轨道电路接收电压波动或机车的异常制动。

本实施例中所提供的无源滤波电路包括电容C1、电阻R和电抗器L1，如图4所示。

其中，电容的一端与供电臂上的接触线或正馈线连接，电容的另一端与电阻的一端连接，电阻的另一端用于连接钢轨，具体来说用于连接钢轨上的扼流变压器的中性点连接。另外，电抗器与电阻并联连接。

另外，该无源滤波电路还包括放电线圈TV1，如图5所示。放电线圈与电容并联连接，用于对电容进行保护该无源滤波电路还连接有断路器QF和避雷器F，如图4所示。该断路器设置在用于将电容的一端与接触线/正馈线连接起来的导线上，这样在出现过流或过压的情况下断开，起到对电容、电阻和电感保护的作用。

该避雷器的一端与断路器的下端、即断路器与电容的连接点相连接，避雷器的另一端接地，这样在接触线或正馈线在被雷击的情况下能够将大电流予以卸房，起到对其下的电容、电阻和电感进行保护的作用。

本实施例中的有源滤波电路包括第一补偿电流发生电路APF1、第一降压变压器T1和第一滤波电抗器L2，还包括第一谐波检测模块和第一电流跟踪控制模块，如图5所示。该减压变压器的原边的一端通过连接线与接触线或正馈线连接、另一端与钢轨连接，在该连接线上还设置有电流互感器CT和断路器QF；该第一降压变压器的副边的一端通过第一滤波电抗器与第一有源滤波器的输出端的一端连接，副边的另一端直接与该第一补偿电流发生电路的输出端的另一端连接。

有源滤波器是采用现代电力电子技术和基于高速DSP器件的数字信号处理技术制成的新型谐波治理专用设备。它由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个主要部分组成。

指令电流运算电路实时监视线路中的电流，并将模拟电流信号转换为数字信号，送入高速数字信号处理器(DSP)对信号进行处理，将谐波与基波分离，并以脉宽调制(PWM)信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲，驱动IGBT或IPM功率模块，生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿或抵消，主动消除谐波。

第一谐波检测电路实时监视接触线或正馈线中的电流，并将电流信号送入第一电流跟踪控制模块对信号进行处理，第一电流跟踪控制模块则根据计算结果向以脉宽调制信号形式向第一补偿电流发生电路送出驱动脉冲，使第一补偿电流发生电路输出补偿电流对谐波电流进行补偿或抵消。同时通过电流互感器CT采集电流信号判断第一补偿电流发生电路是否出现故障或者过电流，若是则给出保护跳闸信号跳开断路器QF对第一补偿电流发生电路进行保护。

本实施例中的混合有源滤波电路包括第二补偿电流发生电路APF2、第二降压变压器T2、第二滤波电抗器L3、无源滤波电路PF和基波串联谐振电路还包括第二谐波检测模块、第二电流跟踪控制模块和保护控制器，如图6所示。该基波串联谐振电路包括第三电容C3和电感线圈L4。且这里的无源滤波电路与前述的无源滤波电路相同。

其中，无源滤波电路的一端通过断路器QF1与接触线或正馈线相连接，在用于连接断路器QF1与接触线或正馈线的导线上还设置有电流互感器CT1，无源滤波电路的另一端与基波串联谐振电路的一端连接；基波串联谐振电路的另一端与钢轨连接；第二降压变压器的副边与基波串联谐振电路并联连接，该副边通过一个断路器QF2与第二无源滤波电路连接。

且在用于连接该原边与断路器QF2的导线上设置有一个电流互感器CT2。第二补偿电流发生电路的输出端的一端通过第二滤波电抗器与第二降压变压器的原边的一端连接，该第二补偿电流发生电路的输出端的另一端与第二降压变压器的原边的另一端连接。

基波串联谐振电路用于滤除通过无源滤波器的50Hz基波电流，避免基波电流通过耦合变压器流入第二补偿电流发生电路中。由于无源滤波电路PF承担了大部分的基波电压，所以第二补偿电流发生电路APF的可以以较小的容量实现谐波补偿，其损耗也较小。第二补偿电流发生电路可以滤除无源滤波电路的残余的谐波电流。

保护控制器通过保护控制器采集电流互感器CT1输出的电流信号，根据该电流信号判断系统是否出现故障或者过电流，若是则给出保护跳闸信号跳开断路器QF1，实现对整个混合有源滤波电路的保护。

第二电流跟踪控制模块通过采集电流互感器CT2输出的电流信号判断第二补偿电流发生电路APF2是否出现故障或者过电流，若是则给出保护跳闸信号跳开断路器QF2，以此实现对第二补偿电流发生电路的保护。

第二谐波检测模块通过采集接触网或正馈线的电流信号进行谐波检测，检测牵引供电系统的谐波电流，判断第二补偿电流发生电路需要的补偿谐波容量，并采取电流跟踪控制技术控制该第二补偿电流发生电路进行实时动态补偿。

为便于描述本申请提供的高次谐波抑制装置在铁路系统中的连接情况，对抑制装置的构成进行了简化处理，其中所示场景中仅示出了构成本申请实施例所提供的抑制装置的核心构成，对其他细节并未进行展示。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施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 (8)

1.一种地面信号及车载设备的高次谐波抑制装置，应用于铁路系统的牵引供电系统的变电所、分区所或开闭所，其特征在于，所述高次谐波抑制装置包括至少一个滤波电路，其中：

在AT供电方式下，一个所述滤波电路并联在供电臂的接触线与钢轨之间，另一个所述滤波电路并联在所述供电臂的正馈线与所述钢轨之间；

在直接供电方式下，所述滤波电路并联在所述供电臂的接触线与所述钢轨之间。

2.如权利要求1所述的高次谐波抑制装置，其特征在于，所述滤波电路为无源滤波电路、有源滤波电路或混合有源滤波电路。

3.如权利要求2所述的高次谐波抑制装置，其特征在于，电路结构为二阶滤波器，所述滤波电路包括电容、电阻和电抗器，其中：

所述电容的一端与所述接触线连接、另一端与所述电阻的一端连接；

所述电阻的另一端与所述钢轨连接；

所述电抗器与所述电容并联连接。

4.如权利要求3所述的高次谐波抑制装置，其特征在于，还包括放电线圈，其中：

所述放电线圈与所述电容并联连接。

5.如权利要求3所述的高次谐波抑制装置，其特征在于，还包括断路器和避雷器，其中：

所述断路器设置在用于连接所述第一电容与所述接触线的连接线上；

所述避雷器的一端与所述断路器的下端连接、另一端接地。

6.如权利要求2所述的高次谐波抑制装置，其特征在于，所述有源滤波电路包括第一补偿电流发生电路、第一谐波检测模块、第一电流跟踪控制模块、第一降压变压器和第一滤波电抗器，其中：

所述第一补偿电流发生电路的输出端通过所述第一滤波电抗器与所述第一降压变压器的副边连接；

所述第一降压变压器的原边的一端与所述接触线或所述正馈线连接、另一端与所述接线端连接；

所述第一谐波检测模块与所述接触线或所述正馈线连接，用于检测所述接触线或所述正馈线上的谐波信号；

所述第二电流跟踪控制模块用于接收所述谐波信号，并基于所述谐波信号向所述第一补偿电流发生电路输出驱动脉冲。

7.如权利要求2所述的高次谐波抑制装置，其特征在于，所述混合有源滤波电路包括第二补偿电流发生电路、第二谐波检测模块、第二电流跟踪控制模块、保护控制器、第二降压变压器、第二滤波电抗器、所述无源滤波电路和基波串联谐振电路，其中：

所述无源滤波电路的一端与所述接触线或所述正馈线连接、另一端与所述第二降压变压器的原边的一端连接，所述原边的另一端与所述接线端连接；

所述基波串联谐振电路与所述原边并联连接；

所述第二补偿电流发生电路的输出端通过所述第二滤波电抗器与所述第二降压变压器的副边连接；

所述第二电流跟踪控制模块用于检测所述第二补偿电流发生器是否发生故障或过流；

所述第二谐波检测模块与所述接触线或所述正馈线连接，用于检测所述接触线或所述正馈线上的谐波信号；

所述保护控制器用于对所述混合有源滤波电路进行保护。

8.如权利要求7所述的高次谐波抑制装置，其特征在于，所述基波串联谐振电路包括串联连接的第三电容和电感线圈。

Images