CN113085672B - 一种抑制高速列车过轨道绝缘节轮轨拉弧的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制高速列车过轨道绝缘节轮轨拉弧的装置，包括GPS检测电路、压敏传感单元检测电路和动作电路；GPS检测电路中，天线接收卫星信号，通过前置放大器、无源带通滤波器、增益放大器AGC、滤波器、AD转换器处理后输入到数字接收机通道，在微处理器的控制下实现对列车位置的精准定位；当GPS检测电路暂时失效而导致动作执行单元拒动时，启用压敏传感单元检测电路，通过阻抗匹配器、电桥电路、放大器、滤波电路进行预处理，然后输入到微处理器中，控制动作执行单元动作。本发明显著的提高了列车信息的准确性与可靠性，有效的避免了电弧对绝缘节的烧蚀影响，使绝缘节的使用寿命显著的延长。使铁路运行更加的安全准确。

Description

一种抑制高速列车过轨道绝缘节轮轨拉弧的装置

技术领域

本发明属于轨道交通电弧抑制技术领域，尤其涉及一种抑制高速列车过轨道绝缘节轮轨拉弧的装置。

背景技术

由于远距离输电的局限性，高铁供电系统采用分段电力牵引AT供电方式，每间隔50-60km设置有一个变电所，负责对应前后轨段的供电以及回流。在高铁运行过程中，车辆利用受电弓向接触网取电，再输送至安装有变压器的车厢供电，最终经由泄流轮对将电流泄放至刚轨进行回流。因此在两个变电所中间的轨道设置绝缘结将其绝缘切断为两个轨段，使电流回流至对应的变电所。而又为了减少牵引电流对信号设备的影响，在地下专门增设了回流线，利用吸上线将钢轨上的电流导通至回流线代替钢轨进行回流。在靠近绝缘结，有轨道电路的区段，还需要将吸上线连接到扼流变压器的中性点，再连接至钢轨，以达到平衡牵引电流，减少信号干扰的目的。

但是当车辆过绝缘结时，会存在车体同时处于两个轨段的情况，车辆只能向两个轨段进行接地回流。此时牵引电流的方向和大小发生改变，两端电位差也因此不断增大到拉弧阈值，进而产生了轮轨电弧以及轨道与轨道之间的电弧。同时，过吸上线会使电压电流激增，更容易导致电弧的出现。高铁过绝缘结的频率高，速度快，导致了传统绝缘结电弧频发，长时间会导致绝缘节烧蚀，绝缘效果消失。这不仅对牵引供电系统有严重的危害，同时也是列车运行过程中电气安全的重大隐患。

电气化铁路的牵引供电系统由接触网和轨道构成，其中，牵引变电所经接触网向列车供给牵引电流，再经轨道流回，构成回路。列车行驶过程中，轨道回流变化剧烈。传统轨道结构中，由于绝缘节的存在，列车未行驶到的轨段电位为零，故两端钢轨中存在明显的电位差，易在列车通过该点时引起电弧，导致轮轨拉弧严重，造成绝缘节烧损、两端轨道接头轨面灼伤、轨道电路绝缘破损等问题，严重影响列车行驶安全和轨道使用寿命。

传统的结缘节电弧抑制装置设计方案由轮对运行处轨段电位差作为动作信号，直接控制IGBT与MOSFET等大功率开关元件实现绝缘节处电位平衡。然而电气化轨道列车作为快速移动的大功率不固定负荷，开关导通的预设电位差阈值极难整定，在气候条件变化或邻轨过车时极易产生误动作，大大缩短了电弧抑制装置的使用寿命，产生大量运营及维护的附加成本。此外，传统方案监测模块三级设备即电压比较单元的阈值整定不当，易造成装置拒动现象，不具备充分的可靠性。

发明内容

针对传统设计方案存在的不足，为保证速动性与可靠性的进一步要求。本发明提供一种抑制高速列车过轨道绝缘节轮轨拉弧的装置。

本发明的一种抑制高速列车过轨道绝缘节轮轨拉弧的装置，包括GPS检测电路、压敏传感单元检测电路和动作电路；采用GPS双向双工信号和压敏传感单元检测信号作为动作执行单元动作产生的判断标志。

GPS检测电路具体为：天线接收卫星信号，通过前置放大器和一个无源的带通滤波器对采集到的射频位置信号进行放大、滤波处理，射频信号下变频到中频，然后中频信号通过增益放大器AGC、滤波器进行二次放大、滤波，经采样保持器、AD转换器数字化后输入到N个数字接收机通道，在微处理器的控制下实现对列车位置的精准定位。

动作电路包括微处理器及其控制下的动作执行单元，由两排双向三极管并联后再串联组成。

当GPS检测电路暂时失效而导致动作执行单元拒动时，启用压敏传感单元检测电路，具体为：在绝缘节前后分别安装前轨电阻应变片和后轨电阻应变片采集应变信号，通过阻抗匹配器、电桥电路、放大器及滤波电路将传感器输出的微弱信号进行预处理，然后由AD转换器转换成数字信号输入到微处理器中，控制动作执行单元动作。

进一步的，装置由外部电池供电，同时配置电源保护电路。

进一步的，微处理器为DSP或MPU。

本发明的有益技术效果为：

本发明显著的提高了列车信息的准确性与可靠性，通过更可靠的位置信息控制绝缘节两端钢轨的电气导通。更可靠、更有效的避免了电弧对绝缘节的烧蚀影响，使绝缘节的使用寿命显著的延长。使铁路运行更加的严谨高效，更加的安全准确。

附图说明

图1为现有列车过绝缘节运行示意图。

图2为本发明列车过绝缘节流程图。

图3为本发明列车过绝缘节消弧结构框图。

图4为本发明主体电路图。

图5为动作执行单元的具体结构电路图。

图6为使用本发明列车过绝缘节运行示意图。

图中标号释义：1.车轮 2.钢轨 3.转向架 4.绝缘节 5.扼流变压器 6.回流线 7.吸上线8.辅助电源9.检测控制模块10.动作电路11.外设12.通讯网络13.GPS检测电路14.压敏传感单元检测电路 15.GPS信号接收天线16.前置放大器 17.无源带通滤波器 18.增益放大器 19.滤波器 20.采样保持21.转换器 22.数字接收通道 23.电源保护电路 24.动作执行单元 25.微处理器 26.供电电源 27.双向三极管 28.钢轨等效电阻电容 29.GPS接收器 30.压敏电阻及微控制器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明。

现有列车过绝缘节如图1所示，初始情况下（图1a），一对车轮1均位于绝缘节4前侧，电流方向相同，且绝缘节4后侧无电流。之后（图1b），当其中一车轮运行至绝缘节4上方时，电流同时向绝缘节4前侧和后侧。当此车轮进入绝缘节4后侧（图1c），因为绝缘节4影响，经此车轮向前侧的电流突然终止造成过电压，产生轮-轨间的拉弧现象。而当列车继续运行一段时间后（图1d），由于绝缘节4两侧电流流向和大小不同，可能会造成轨-轨间的拉弧现象。两种拉弧现象都会对轨道以及绝缘节产生烧蚀作用，危害铁路安全。

无本发明装置时以及有装置时列车过绝缘节流程如图2所示，在无装置情况下，列车到达前电流单向流动，在跨越绝缘节时一个车轮的电流方向骤变使得两个钢轨间的电压达到拉弧阈值，造成电弧产生，对钢轨和绝缘节产生烧蚀。在有装置情况下，在有装置情况下，首先确定传感器是否有故障，无故障时继续运行，其中一传感器故障时将可信信号来源切换至另一传感器并上报错误，当两个传感器均有故障时停止动作单元动作并上报服务器。当确认列车即将经过时，发送信号控制动作单元导通两个钢轨。当列车经过绝缘节时，电流可在两条钢轨间流通，其方向和大小均不会发生突变。绝缘节两侧电压差无法达到拉弧阈值，由此保护绝缘节与钢轨。

列车过绝缘节消弧原理如图3所示，辅助电源利用光伏发电组件为检测主电路和控制电路供电，相比于从牵引网引流、变压供电的方式更安全可靠。为提高灭弧动作的可靠性，检测主电路模块中利用两种方式同时检测列车位置——GPS双向双工信号和压敏传感单元检测。GPS定位系统利用实时位置检测来定位列车，当列车即将驶入绝缘节时卫星采集的信号通过放大、滤波等处理，经ADC转换为数字信号输入微处理器（DSP或MPU），微处理器发出命令控制动作单元进行灭弧操作。另外，电阻应变式传感器将应变转化成电量来定位列车，本发明在绝缘节前后分别安装前轨电阻应变片和后轨电阻应变片，由于列车未到达绝缘节、即将通过绝缘节、正在通过绝缘节和完全通过绝缘节四种情况下电阻应变片电阻值不同而导致电压差异，因此采用对电压进行实时采集、然后通过电压比较器与检测控制模块的基准电压比较的方式来判断列车与绝缘节的位置关系，同时将模拟电压信号进行滤波、AD转换等处理后输入微处理器（DSP或MPU），由微处理器控制驱动动作电路进行灭弧操作。

本发明的一种抑制高速列车过轨道绝缘节轮轨拉弧的装置如图4所示，包括GPS检测电路13、压敏传感单元检测电路14。

GPS检测电路13具体为：天线15接收卫星信号，通过前置放大器16和一个无源的带通滤波器17对采集到的射频位置信号进行放大、滤波处理，射频信号下变频到中频，然后该中频信号通过增益放大器AGC18、滤波器19进行二次放大、滤波，经采样保持器20、AD转换器21数字化后输入到N个数字接收机通道22，在微处理器25的控制下完成环路鉴相和滤波、数据解调、测量、锁相和批示，实现对列车位置的精准定位，根据其与绝缘节之间的位置关系来判断动作执行单元是否需要动作。

避免列车在隧道等信号较弱的地带通过绝缘节时GPS检测电路13暂时失效而导致动作执行单元24拒动时，设置压敏传感单元检测电路14，具体为：在绝缘节4前后分别安装前轨电阻应变片和后轨电阻应变片采集应变信号，通过阻抗匹配器、电桥电路、放大器及滤波电路将传感器输出的微弱信号进行预处理，然后由AD转换器转换成数字信号输入到微处理器25中，控制动作执行单元24动作。

主体电路由外部电池供电，为保证高速精准实时对列车进行定位，添加保护检测电路对充、放电进行保护，当过充、过放、充放电电流过大、电池温度过高等非法状态出现时，立即关闭串联在主回路上的MOS管来切断充放电回路进行保护。

动作电路具体结构如图5所示，动作模块由微处理器直接发出操控命令，动作主电路由两排双向三极管并联后再串联以提高动作单元的可靠性。当列车通过绝缘节时，微处理器根据传感器检测电路、GPS定位电路输送的信号来控制动作主电路启动灭弧操作，保证列车安全可靠运行；当检测电路检测到列车未到达绝缘节和已驶离绝缘节时，微处理器发出命令控制和检测动作单元不发生误动。

使用本发明装置时列车过绝缘节如图6所示，列车经过传感器时，传感单元向动作执行单元发出信号使其提前导通，之后当车轮在绝缘节之上以及轮对中一个车轮过绝缘节时，电流的方向均不发生突变。当两个车轮均通过绝缘节且通过绝缘节后侧的传感器后，传感单元向动作单元发送信号使其断开两个钢轨的连接，同时由于列车距离绝缘节以有一定距离，这时断开钢轨连接电压差也不会达到拉弧阈值。

本发明采用钢轨压敏传感与列车GPS双向双工信号作为动作产生的判断标志，以求在获取最大经济性的同时满足速动性和可靠性的要求。其中，压敏传感单元主要由前后轨电阻应变片与电压比较模块实现实时动作信号产生，保证在列车行经时迅速接收信号并动作；GPS模块作为上行信号提供单元为主控平台传输列车实时位置状态，以保证列车经过时动作的可靠性要求。动作单元接收动作信号后，连接前后轨的动作电路导通，致使两钢轨间电位差大幅减小，实现电弧屏蔽作用，有效防止列车轮对通过绝缘节时绝缘节两端钢轨接头间的电位差在绝缘节及其两端钢轨接头间产生电弧。从而保护轨面接头与结缘节，提高电气化铁路装置的使用寿命与可靠程度。

Claims (3)

1.一种抑制高速列车过轨道绝缘节轮轨拉弧的装置，其特征在于，包括GPS检测电路（13）、压敏传感单元检测电路（14）和动作电路（10）；采用GPS双向双工信号和压敏传感单元检测信号作为动作执行单元（24）动作产生的判断标志；

所述GPS检测电路（13）具体为：天线（15）接收卫星信号，通过前置放大器（16）和一个无源的带通滤波器（17）对采集到的射频位置信号进行放大、滤波处理，射频信号下变频到中频，然后中频信号通过增益放大器AGC（18）、滤波器（19）进行二次放大、滤波，经采样保持器（20）、AD转换器（21）数字化后输入到N个数字接收机通道（22），在微处理器（25）的控制下实现对列车位置的精准定位；

所述动作电路（10）包括微处理器（25）及其控制下的动作执行单元（24），由两排双向三极管（27）并联后再串联组成；

当GPS检测电路（13）暂时失效而导致动作执行单元（24）拒动时，启用压敏传感单元检测电路（14），具体为：在绝缘节前后分别安装前轨电阻应变片和后轨电阻应变片采集应变信号，通过阻抗匹配器、电桥电路、放大器及滤波电路将传感器输出的微弱信号进行预处理，然后由AD转换器转换成数字信号输入到微处理器（25）中，控制动作执行单元（24）动作。

2.根据权利要求1所述的一种抑制高速列车过轨道绝缘节轮轨拉弧的装置，其特征在于，所述微处理器（25）由外部电池（26）供电，同时配置电源保护电路（23）。

3.根据权利要求1所述的一种抑制高速列车过轨道绝缘节轮轨拉弧的装置，其特征在于，所述微处理器为DSP或MPU。

Images