CN112213598A - 一种轨道交通轨地绝缘测绘系统、小车及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轨道交通轨地绝缘测绘系统、小车及方法，其中，测绘系统包括检测系统计算机、大功率综合信号调制装置、轨地绝缘检测小车及测试线；所述检测系统计算机配置专用检测软件，采用有线以太网或无线WIFI通信方式与信号调制装置、检测小车实现数据通信；大功率综合信号调制装置设置触摸式人机界面，具有以太网RJ45及WIFI通信接口，与检测系统计算机、检测小车实现数据通信；轨地绝缘检测小车：设置触摸式人机界面，具有USB及以太网通信接口，与检测系统计算机、信号调制装置实现数据通信。本发明测试过程方便快捷，测试数据准确，实现轨地过渡电阻的测量及轨地绝缘薄弱段的分析定位等功能。
Description
技术领域
本发明涉及轨道交通测量领域，特别是一种轨道交通轨地绝缘测绘系统、小车及方法。
背景技术
走行轨的绝缘水平是影响系统杂散电流泄露的主要因素。由于受运行环境等因素影响，轨地之间无法做到完全绝缘，存在钢轨对地过渡电阻，在城市轨道交通建设初期和运营过程中应检测轨地过渡电阻，以确保直流牵引供电系统杂散电流泄漏处于受控状态。由于全线走行轨无缝焊接使钢轨长达数十公里，且延线设有多处均回流线，传统的伏安法无法有效实现不同区段轨地过渡电阻的测试。而在当前系统施工、运营过程中，过渡电阻测试已成为线路运营必须的工作，自动、简单、有效的测试装置及方法尤为重要。
国内外城市轨道交通普遍采用直流牵引供电系统，列车由接触网获取电能,牵引电流通过走行轨返回到牵引变电所整流机组负极，走行轨成为牵引电流的回流通路。直流牵引供电系统采用采用悬浮接地方式，走行轨与大地之间采取绝缘设计。由于走行轨自身具有一定的纵向电阻，牵引电流回流时会在轨地之间形成电位差，称之为钢轨电位。由于走行轨与大地无法完全绝缘并且轨地之间存在钢轨电位，会有一部分回流电流由走行轨泄漏至周边介质，形成杂散电流。杂散电流会对系统自身及周边埋地金属管线产生严重的电化学腐蚀,影响系统的安全运行。当前，杂散电流问题已成为国内外轨道交通供电系统的重要安全问题。
例如，如图1所示，确定轨条电流与其产生电压间的关系和其电导率，需测量轨条电阻。
直流电流I测量时应周期性地闭合和断开其开关电路，以检验断开时其他因素的影响。读数偏差问题宜通过多次测量来解决。宜研究测量电路的极性变换导致的偏差较大的测试结果。这种测温方法只有在没有牵引电流时才有效。如无法避免牵引电流，宜在同一电流时进行测量，以消除电流对测量结果的影响。走行轨的测温点与电流注入点间距离宜大千1m。纵向电压降UA和UB可在轨道各相邻段间进行测量。轨条电阻的计算方法如下：
Rrail10m：10m长单根钢轨的纵向电阻值；
Uon,off：单根钢轨上的纵向电压降(在无注流、有注流状态下)；
I：注入电流。
具体测量步骤如下：
(1)根据测量需求，配置相关工具、设备(电流表、电压表、电源)及连接电缆等。
(2)选取测量区段，并保证测量区段内两行之间、每行两根钢轨之间无均流电缆。
(3)针对选定测量区段，做好测量计划，并提前制定好测量记录表。
(4)检查测量设备并按照要求接好线路，测量完毕后记录测量结果。
如图2所示，进行走行轨与排流网间的过渡电阻测量时，应确保测量不受钢轨与地线连接或电压限制装置启动的影响。
走行轨与排流网间的过渡电阻计算公式如下：
其中：ΔU＝Uon-Uoff
RG：长度为L的每行钢轨对地绝缘电阻值；
U1：电流注入点处的钢轨对收集网的测量电压值；
U2、U3：测量钢轨端部的钢轨对收集网的测量电压值；
I：注入电流；
IRA、IRB：流出“选定测量范围钢轨”端部的电流值，通过10米钢轨的电压除以10米钢轨的电阻求得。
L：“选定测量范围钢轨”长度；
具体操作方法及步骤：
(1)根据测量需求，配置相关工具、设备(电流表、电压表、电源)及连接电缆等。
(2)检查并确保测试区段内钢轨与整体道床结构间(或梁面)没有会影响测量结果的短路装置；对于高架段(或新建地下段)并检查整体道床结构钢筋纵向电气连续，保证伸缩缝处两测防端子间的电缆连接良好。
(3)针对选定的测量区段，做好测量计划，并提前制定好测量记录表。
(4)检查测量设备并按照要求接好线路，测量完毕后记录测量结果。
通过人工方法抽样检测钢轨对排流网过渡电阻，为满足测试条件需要拆除测试区间内走行轨上下行的均流线，而上下行均流线与走行轨连接多采用焊接的方式，不易拆除且测试完成后需复原以保证不影响机车第二天正常运行，实用性较差，且该种测试方法抽样存在随机性；人工接线和读数存在较大误差；人力消耗大，检测周期长，难以适应目前地铁运行线路不断增加，相关专业人员紧缺以及现代化、智慧化地铁运营管理的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供的目的是提供一种轨道交通轨地绝缘测绘系统、小车及方法，系统所含的装置便于携带，拆卸与组装简单、测试过程方便快捷，测试数据准确，可实现轨地过渡电阻的测量与相关曲线的绘制、轨地绝缘薄弱的分析定位等功能。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种轨道交通轨地绝缘测绘系统，包括检测系统计算机、大功率综合信号调制装置、轨地绝缘检测小车及测试线；所述检测系统计算机配置专用检测软件，采用有线以太网或无线WIFI通信方式与信号调制装置、检测小车实现数据通信；其中，
检测系统计算机：采用便携式计算机配置正版的操作系统软件、检测系统专用软件及数据库软件；应用软件采用友好的中文图形人机界面，具有系统配置、参数设定、检测操作、数据处理、记录查询、趋势图形、报告输出及打印功能；
大功率综合信号调制装置：设置触摸式人机界面，具有以太网RJ45及WIFI通信接口，与检测系统计算机、检测小车实现数据通信；装置具有参数设定、信号调制、信号输出、信号测量、数据记录、数据传输等功能；
轨地绝缘检测小车：设置触摸式人机界面，具有USB及以太网通信接口，与检测系统计算机、信号调制装置实现数据通信；装置实现试验调制信号的解调测算，具有轨地电压、轨条电流、推进里程测量及显示功能，并自动过滤干扰信号。
一种用于上述轨道交通轨地绝缘测绘系统的检测小车，包括手推杆、轨条纵向电压测量传感装置、测量主机架；在测量主机架两侧固定有置于轨道上的轨条纵向电压测量传感装置，在测量主机架上固定有手推杆；每侧的轨条纵向电压测量传感装置内含2个车轮，车轮为不锈钢金属结构，采用绝缘安装的方式与车体绝缘；所述车轮配置位置传感器用于计算小车行进的距离，配置高精度电压传感器用于检测2个车轮之间轨条的纵向电压；所述手推杆可拆卸；所述测量主机架含测量、运算、存储、HMI模块。
上述轨道交通轨地绝缘测绘的测绘方法，包括以下步骤：
1)在列车停运后，信号调制装置US在走行轨与排流网之间输出大小恒定的电流，电流值根据现场工况自动调节设置；
2)根据走行轨上下行的均流线划分测试小段，以走行轨下行第一测量小段与第二测量小段为连续两段；
3)得出本测绘系统的计算方法
设Ig表示轨条电流，即Ig＝第一轨条电流Ig1+第二轨条电流Ig2；Ug表示钢轨对地电压；Js表示车轮记录，用于换算测量区间的里程；Lc表示里程数，为地铁测量线路当前位置的里程标数；标记测量起始位和结束位；
起始位轨条电流：Ig1＝第一轨条电流Ig11+第二轨条电流Ig21，钢轨对地电压Ug1；
结束位轨条电流：Ig2＝第一轨条电流Ig12+第二轨条电流Ig22，钢轨对地电压Ug2；
第一测量小段的距离：L1；第一测量小段泄露电流：I＝Ig1-Ig2；第一测量小段平均轨地电压U＝(Ug1+Ug2)/2；第一测量小段轨地过渡电导：(I/U)*(1/L)；第一测量小段轨地过渡电阻：(U/I)*L；
4)第一测量小段为起始位至均流前位，第二测量小段为均流后位始至第二个均流前位止，轨地过渡电阻采用步骤3)中的公式计算；
5)小车停在起始位后连接轨地电压测试线，测量并记录起始里程及该点的轨地电压与第一轨条、第一轨条的电流；
6)收取测试线，推进小车前进，每次行进达到一定距离后停止，小车停稳后测量并记录里程及该位置轨条的电流；继续向前推进小车并重复测量，小车至均流前位时小车停并接好轨地电压测试线，测量并记录里程及该点的轨地电压与第一轨条、第二轨条的电流，收取测试线，至此完成第一测量小段的测量；
7)采用与第一测量小段相同的测量方式测试后续第二测量小段；
8)依次测量后续测量小段，完成整个测试过程；测试完成后综合信号调制装置退出测试系统，计算机读取本次测量的所有数据。
进一步地，还包括步骤9)：计算各测量小段的轨地过渡电阻并描绘轨地过渡电阻曲线与泄露电流曲线，软件通过曲线自动定位轨地绝缘薄弱的区段。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本测试系统不用拆除上下行均流线，外接线少，测试方法简单，自动化程度高，在小车的推荐过程中即可完成测试区间的数据测量，测试效率相比于以往的方式大大提高。
2)充分利用小车车轮能够与走行轨轨面接触良好，两个车轮的间距固定，将两个车轮作为电压表的两个表笔，保证每次测量的一致性，减小测量与计算误差。
3)本测试系统测试采用高精度采样模块，数据准确，测试区间划分细致，除了计算个区段的过渡电阻外，还对个测试区段的轨地过渡电阻、泄露电流进行了纵向(同一范围不同时间段的数据曲线)和横向的曲线(同一时间段不同测试范围)曲线分析，便于准确定位轨地绝缘薄弱的区段，同时也有利于研究线路中轨地绝缘的变化规律。
4)本测试系统中综合信号调制装置与检测小车均可移动，测试效率高，可满足用于不同线路的测试，大大节约了测试成本。此外多次测量后可以本测试系统可自动形成丰富的数据库，对研究轨地绝缘的影响因素及变化规律提供科学有效数学模型，有利于提高地铁运营的智慧化程度并降低其维护成本。
附图说明
图1是钢轨纵向电阻测试原理图。
图2是钢轨对地绝缘电阻测试原理图。
图3是本发明中测绘小车整体示意图。
图4是本发明中测绘小车后视图。
图5是本发明中测绘小车车轮处结构立体图。
图6是本发明中测绘小车车轮处侧视图。
图7是本发明中车轮结构示意图。
图8是本发明测绘系统的测绘原理图。
图9是本发明测绘系统测绘过程示意图。
图中：轮轨限位挡片1；监测孔2；位置传感器3；轨道4；车轮5；轴承6；尼龙T型台阶垫片7；不锈钢螺钉8；不锈钢平(弹)垫9；尼龙垫片10；车轮轴11；手推杆12；测量主机架13；轨条纵向电压测量传感装置14；车轮15。
具体实施方式
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。
本发明具有轨地过渡电阻检测及绝缘分析定位功能的移动式智能检测装备，主要由1台检测系统计算机、1台大功率综合信号调制装置(简称信号调制装置)、1台轨地绝缘检测小车(简称检测小车)及测试线等组成；检测系统计算机配置系统专用检测软件，采用有线以太网或无线WIFI通信方式与信号调制装置、检测小车实现数据通信。
a、检测系统计算机
采用便携式计算机配置正版的操作系统软件、检测系统专用软件及数据库软件。应用软件采用友好的中文图形人机界面，具有系统配置、参数设定、检测操作、数据处理、记录查询、趋势图形、报告输出及打印等功能。采用人工智能算法通过软件实现干扰数据过滤及数据纠正功能。计算机可输出完整的检测报告，报告内容包括但不限于检测时间、检测单位、检测人员、检测项目、标准范围、检测结果等。针对轨地绝缘检测项目系统软件将检测数据通过建立数学模型分析后，可绘制全线轨地过渡电阻曲线图形，同时具有轨地绝缘薄弱段(<3Ω·km可设)定位、轨地绝缘故障点(<10Ω可设)定位及轨地绝缘趋势曲线全生命周期分析功能。系统具有检测数据备份、导入导出功能，数据存储期限可满足地铁线路全生命周期分析需要。应用软件应具有在线或离线升级功能。
b、综合信号调制装置
装置设置7寸触摸式人机界面，具有以太网RJ45及WIFI通信接口，可与检测系统计算机、检测小车实现数据通信。装置具有参数设定、信号调制、信号输出、信号测量、数据记录、数据传输等功能。装置输出电流稳定性小于±0.2％。装置实现试验调制信号的解调测算，并自动过滤50Hz/60Hz工频干扰信号。装置应具有完善的软硬件抗干扰措施；装置具有过电压保护、过电流保护功能，重新上电后装置可自恢复。钢轨纵向电阻检测、排流收集网纵向电阻检测功能主要由综合信号调制装置实现测量。
c、轨地绝缘检测小车
装置设置7寸触摸式人机界面，具有USB及以太网通信接口，可与检测系统计算机、信号调制装置实现数据通信。装置实现试验调制信号的解调测算，具有轨地电压、轨条电流、
推进里程测量及显示功能，并自动过滤50Hz/60Hz工频干扰信号。装置具有完善的软硬件抗干扰措施；装置具有过电压保护、过电流保护功能，重新上电后装置可自恢复。装置将全程测量数据自动带时标、带里程标存储记录，并将数据传至系统监测计算机进行运算后输出测量结果。装置采用锂电池供电方式，具有剩余电量指示及告警功能。装置采用内置轴承的轨轮架设方式，在轨道上可轻便推行。装置采用可现场拆装的结构设计，拆分后可容纳于设备箱内便于携带。
轨地绝缘检测小车主要由：
手推杆12，用于推动小车在测量区间行进，可拆卸；
轨条纵向电压测量传感装置14，一辆小车含2套轨条纵向电压测量传感装置14，每套轨条纵向电压测量传感装置14内含2个车轮15，2个车轮15之间轴心的距离为1米，车轮15为不锈钢金属结构，采用绝缘安装的方式与车体绝缘。车轮15配置位置传感器用于计算小车行进的距离，配置高精度电压传感器用于检测2个车轮15之间轨条的纵向电压(1米轨条的纵向电压÷1米轨条的电阻＝此位置单根轨条中流过的电流，轨条电阻的计算方法，如图1所示)。
测量主机架13，含测量、运算、存储、HMI模块。小车可实时测量轨条电流、车轮计数。首次线路测量时需现场进行轨条电流测量校准；车轮计数结合里程数换算后得到更准确的定位。小车可实时显示轨条电流、轨地电压、间隔计数等主要数据，原始数据记录于小车内。便携式计算机连接小车下载数据运算得出测量结果，并具有存储、显示、报表、趋势图、分析、告警及打印等功能。
如图8所示，本测试需在列车停运后进行，信号调制装置US在走行轨与排流网之间输出大小恒定的电流，电流值可根据现场工况自动调节设置。如图5所示，根据走行轨上下行的均流线划分测试小段，以走行轨下行测试小段一与测试小段二为例进行原理说明。
符号说明：
Ig：轨条电流，Ig＝轨条1电流Ig1+轨条2电流Ig2；
Ug：钢轨对地电压；
Js：车轮记录，用于换算测量区间的里程；
Lc：里程数，为地铁测量线路当前位置的里程标数；
根据测试小车在测试小段一中的位置分别标记为起始位，结束位。
起始位轨条电流：Ig1＝轨条1电流Ig11+轨条2电流Ig21，钢轨对地电压Ug1；
结束位轨条电流：Ig2＝轨条1电流Ig12+轨条2电流Ig22，钢轨对地电压Ug2；
测量小段一的距离：L1(测试小段一中起始位至结束位的距离)；
测量小段一泄露电流：I＝Ig1-Ig2(该区段的泄露电流＝流入该区段的电流-流出该区段的电流)；
测量小段一平均轨地电压U＝(Ug1+Ug2)/2(该区段的平均电压＝该区段首末两点的电压取平均值)；
测量小段一轨地过渡电导：(I/U)*(1/L)；
测量小段一轨地过渡电阻：(U/I)*L。
如图9所示，以上下行均流线来区分测试小段，第一个测量小段为起始位至均流前位(结束位)，第二个测试小段为均流后位始至第二个均流前位止，轨地过渡电阻的计算方式同上。小车停在起始位后连接轨地电压测试线，连好线后在触摸屏上按测量键，小车自动测量并记录起始里程及该点的轨地电压与轨条1、轨条2的电流，测试成功后触摸屏上显示测量完成，收取测试线，推进小车前进，每次行进达到一定距离(该距离可设置)蜂鸣器响小车停且触摸屏显示“开始测量”，小车停稳后自动测量并记录里程及该位置轨条的电流，测试完成后蜂鸣器停且触摸屏显示“测量完成”，继续向前推进小车并重复测量，小车至均流前位时小车停并接好轨地电压测试线，在触摸屏上按测量键，小车自动测量并记录里程及该点的轨地电压与轨条1、轨条2的电流，测试成功后触摸屏上显示测量完成，收取测试线，至此完成测量小段一的测量。从(5)均流后位至(7)结束位为测试。
小段二的测量，测试方法与测试小段一相同，均流前位与均流后位的轨条电流需要分别测试与记录；只在均流线处测试轨地电压，均流线前后的电压只需测量一次。
测试完成后综合信号调制装置退出测试系统，便携式计算机读取本次测量的所有数据，计算各测量小段的轨地过渡电阻并描绘轨地过渡电阻曲线与泄露电流曲线，软件通过曲线自动定位轨地绝缘薄弱的区段。因轨地过渡电阻会随着运行环境等因素的变化而变化，所以每隔一段时间需要重复测量各区段的过渡电阻及绝缘情况，待下一次测量完成后，便携式计算机读取当次测量的相关数据，除了计算当次的测量数据及曲线外，还会根据测量里程与测试时间将测试数据自动归类，形成该测试小段的历史数据库，并形成不同时间段该测试小段及整个测试范围过渡电阻的变化情况，便于专业人员对该区域轨地绝缘工况及相关设施设备的管理与维护。
Claims (4)
1.一种轨道交通轨地绝缘测绘系统，其特征在于，包括检测系统计算机、大功率综合信号调制装置、轨地绝缘检测小车及测试线；所述检测系统计算机配置专用检测软件，采用有线以太网或无线WIFI通信方式与信号调制装置、检测小车实现数据通信；其中，
检测系统计算机：采用便携式计算机配置正版的操作系统软件、检测系统专用软件及数据库软件；应用软件采用友好的中文图形人机界面，具有系统配置、参数设定、检测操作、数据处理、记录查询、趋势图形、报告输出及打印功能；
大功率综合信号调制装置：设置触摸式人机界面，具有以太网RJ45及WIFI通信接口，与检测系统计算机、检测小车实现数据通信；装置具有参数设定、信号调制、信号输出、信号测量、数据记录、数据传输等功能；
轨地绝缘检测小车：设置触摸式人机界面，具有USB及以太网通信接口，与检测系统计算机、信号调制装置实现数据通信；装置实现试验调制信号的解调测算，具有轨地电压、轨条电流、推进里程测量及显示功能，并自动过滤干扰信号。
2.用于权利要求1所述轨道交通轨地绝缘测绘系统的检测小车，其特征在于，包括手推杆(12)、轨条纵向电压传感装置(14)、测量主机架(13)；在测量主机架(13)两侧固定有置于轨道(4)上的轨条纵向电压传感装置(14)，在测量主机架(13)上固定有手推杆(12)；每侧的轨条纵向电压传感装置(14)内含2个车轮(15)，车轮(15)为不锈钢金属结构，采用绝缘安装的方式与车体绝缘；所述车轮(15)配置位置传感器用于计算小车行进的距离，配置高精度电压传感器用于检测2个车轮(15)之间轨条的纵向电压；所述手推杆(12)可拆卸；所述测量主机架(13)含测量、运算、存储、HMI模块。
3.根据权利要求1所述轨道交通轨地绝缘测绘的测绘方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在列车停运后，信号调制装置US在走行轨与排流网之间输出大小恒定的电流，电流值根据现场工况自动调节设置；
2)根据走行轨上下行的均流线划分测试小段，以走行轨下行第一测量小段与第二测量小段为连续两段；
3)得出本测绘系统的计算方法
设Ig表示轨条电流，即Ig＝第一轨条电流Ig1+第二轨条电流Ig2；Ug表示钢轨对地电压；Js表示车轮记录，用于换算测量区间的里程；Lc表示里程数，为地铁测量线路当前位置的里程标数；标记测量起始位和结束位；
起始位轨条电流：Ig1＝第一轨条电流Ig11+第二轨条电流Ig21，钢轨对地电压Ug1；
结束位轨条电流：Ig2＝第一轨条电流Ig12+第二轨条电流Ig22，钢轨对地电压Ug2；
第一测量小段的距离：L1；第一测量小段泄露电流：I＝Ig1-Ig2；第一测量小段平均轨地电压U＝(Ug1+Ug2)/2；第一测量小段轨地过渡电导：(I/U)*(1/L)；第一测量小段轨地过渡电阻：(U/I)*L；
4)第一测量小段为起始位至均流前位，第二测量小段为均流后位始至第二个均流前位止，轨地过渡电阻采用步骤3)中的公式计算；
5)小车停在起始位后连接轨地电压测试线，测量并记录起始里程及该点的轨地电压与第一轨条、第一轨条的电流；
6)收取测试线，推进小车前进，每次行进达到一定距离后停止，小车停稳后测量并记录里程及该位置轨条的电流；继续向前推进小车并重复测量，小车至均流前位时小车停并接好轨地电压测试线，测量并记录里程及该点的轨地电压与第一轨条、第二轨条的电流，收取测试线，至此完成第一测量小段的测量；
7)采用与第一测量小段相同的测量方式测试后续第二测量小段；
8)依次测量后续测量小段，完成整个测试过程；测试完成后综合信号调制装置退出测试系统，计算机读取本次测量的所有数据。
4.根据权利要求3所述的一种轨道交通轨地绝缘测绘方法，其特征在于，还包括步骤9)：计算各测量小段的轨地过渡电阻并描绘轨地过渡电阻曲线与泄露电流曲线，软件通过曲线自动定位轨地绝缘薄弱的区段。
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