CN201528197U - 接触网消弧控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及到一种供电设备装置，尤其涉及到一种主要用于铁路接触网的接触网消弧控制装置。其用于消除接触网拉弧跳闸和烧伤等故障现象，所述的消弧控制装置由消弧主控制器MCU、过电压吸收器MDA和永磁控制灭弧开关组成，其中过电压吸收器MDA和永磁控制灭弧开关相并联，消弧主控制器MCU与永磁控制灭弧开关相连。本实用新型的有益效果是：由具有灭弧能力的设备来辅助完后受电弓与接触网间的每次拉弧现象；具有灭弧能力的电器设备在运行中抑制电弧，缩短燃弧时间和燃弧强度；从根本上避免供电的跳闸事故和对电器设备的烧伤事故。

Description

接触网消弧控制装置

技术领域

本实用新型涉及到一种供电设备装置，尤其涉及到一种主要用于铁路接触网的接触网消弧控制装置。

背景技术

接触网是一种特殊的供电设备.由于其结构和使用条件的特殊性，其故障也多种多样。在铁路电气化接触网设备的各类故障中，电气拉弧烧伤故障因其事前难以发现而危害性又大，已越来越引起供电运营部门的重视。在电气化铁道中，接触网设备是在力与电的双重作用下工作的，所以机械故障和电气拉弧烧伤故障构成了接触网故障的主体。在接触网运行了多年、电气化铁路提速和牵引运能不断增涨的情况下，接触网的电气拉弧烧伤现象引起的跳闸、主变故障以及接触网烧伤等问题已越来越突出；而且电气拉弧烧伤问题在事前又不易于发现和从根本上得以解决，危害性很大。到目前为止在国内外也没有一种可行的产品从根本上解决上述疑难问题；从而严重制约着现有电气化铁路网的快速发展。因此，在预防和防治接触网设备发生电气拉弧烧伤故障已成为供电运营单位为确保供电安全的一个重要任务。

1、目前技术状况

铁路接触网为满足供电、机械方面的分段要求，将接触网分成若干一定长度且相互独立的分段，每一分段叫锚段。两个相邻锚段衔接部分称为锚段关节。原有的铁路接触网电分相采用器件式连接，属于接触网硬点环节，所谓接触网硬点，就是由于接触悬挂或接触线上的某些部分，如在跨距两端的定位点处弹性变差或有附加重量时，在机车受电弓高速运行通过的情况下，这些部分都会出现不正常的升高(或降低)，甚至出现撞弓、碰弓现象，形成这种现象的本征状态即为硬点。接触网硬点犹如“拦路虎”，是一种有威胁的物理现象，它会破坏弓网间的正常接触和受流，加快导线和受电弓滑板的异常磨耗和撞击性损害，常在这些部位造成火花或拉弧，从而损伤接触线和受电弓。接触线硬点的发生，也会影响到牵引电机的正常取流，在拉弧的暂态过程中对牵引电机造成严重的伤害，同时，还会影响机车的牵引质量。

目前也有部分消弧分相器辅助完成分闸卸载功能，但对机车运行来说分闸卸载时刻往往迟后，在整个回来中对受电弓与接触网的拉弧问题只是防御性的，卸载控制时间段带有随机性和盲目性，从根本上无法满足现有铁路运输大提速的技术要求，从消弧控制方面来说，机车受电弓与接触网仍然属于硬性分离和搭接过程，应有的问题还是得不到解决。

在接触网改造中，为了满足铁路大提速的要求，将接触网电分相原有采用的器件式连接改进为目前的锚段关节式，锚段关节式消除了接触网的滑行摩擦硬点，满足了机车提速的要求；但在消除电弧技术方面仍然没有实质性的进展，电力机车通过时仍然发生与接触网拉弧跳闸、烧伤等故障现象；同样严重威胁着供电和行车的安全。这一问题仍然无法得以解决。

2、现场问题分析情况概述：

电力机车在行使位置接触到前引线两端属同相而不同馈线供电的绝缘锚段关节、分段绝缘器，因供电臂的阻抗不同而形成电压差，

在图1中：ab、cd、ef、gh为电分断器；xy为相间主绝缘；Q1、Q2点为机车经过产生拉弧点。

当电力机车通过受电弓短接两供电臂瞬间，在短接点处产生电弧，造成设备的烧伤和跳闸，从而影响机车的牵引质量和铁路安全运营。如上图中分析，x-y段为中性绝缘滑道，2、3为两个分段绝缘器。假使机车由左向右行驶，由A相驶出，依次经过ab、cd、xy、ef、gh等各区段，进入B相。当机车行驶到1-2的位置时，属于机车受电弓逐渐脱离带电去进入中性无电区。当机车驶过2区域内的Q1点处是有电区和无电区的接合点，是机车受电弓电压差转换点，造成拉弧现象；同样机车过了3以后，在3区域内的Q2点处是无电区和有电区的接合点；也是机车受电弓电压差转换点，产生拉弧；机车受电弓经过4以后，由B相供电。机车反方面行驶，同理，依次由B相过渡到A相，故障产生原因与上述相同。

通过上述故障原因分析，受电弓与接触网有电区或无电区在接触和分离时产生放电拉弧不具备灭弧能力，为了实现受电弓与接触网的真正灭弧能力，只有通过其他设备辅助完成消弧或灭弧功能；大量试验证明通过在燃弧点附近串并联有消弧功能的电器设备从根本上无法完全满足消除弧光引起的跳闸和烧伤现象。在燃弧点附近串并联有消弧功能的电器设备只能消弱电弧光对运行的影响，受电弓与接触网间属于高电压大电流受电现象，产生拉弧故障原因复杂多变；采用预防性的串并联消弧设备解决问题比较表面。

牵引供电跳闸是牵引供电设备运行状态不良的直接体现。接触网拉弧、设备隐患、故障或外界原因造成的跳闸，直接威胁着牵引供电设备的安全运行。尤其以接触网拉弧引起跳闸事故和烧伤事故最为频繁；所以从根本上解决接触网拉弧现象；防止牵引供电跳闸，对提高铁路运输效率、保障铁路运输的安全畅通都具有重要意义。

基于上述现有接触网消弧控制方式的不足之处，本发明人设计了本实用新型“接触网消弧控制装置”。

实用新型内容

本实用新型针对上述现有技术的不足所要解决的技术问题是：提供一种用于消除接触网拉弧跳闸和烧伤等故障现象的接触网消弧控制装置。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种接触网消弧控制装置，用于消除接触网拉弧跳闸和烧伤等故障现象，所述的消弧控制装置由消弧主控制器MCU、过电压吸收器MDA和永磁灭弧开关组成，其中过电压吸收器MDA和永磁灭弧开关相并联，消弧主控制器MCU为永磁灭弧开关的指令控制器。

所述的永磁灭弧开关采用具有灭弧能力的永磁真空开关，永磁真空开关驱动采用永磁机构驱动器。

所述的消弧主控制器MCU为运算速度快、数据处理精度高和抗干扰能力强的32位DSP处理器，消弧主控制器MCU的测量范围在5A～2000A。

所述的消弧控制装置的一端与电分断器ab相连接，电力机车在每次经过电分相器需要通过非绝缘锚段关节和绝缘锚段关节，非绝缘锚段关节完成机械分段作用，绝缘锚段关节完成机械分段和电分段两种作用，电分断器ab在非绝缘锚段关节区域的机械分段连接处串联消弧控制装置，在该段区域内采用主电“先切”，受电弓与接触网“后离”的控制逻辑解决机车卸载拉弧问题；该处消弧控制装置正常处于合闸状态，消弧控制装置另一端与前方电源母线区相电接，非绝缘锚段关节区域的后段区域为有效电流采集区，当机车行驶到有效电流采集区的位置时，消弧控制装置内的消弧主控制器用于扑捉到机车电流后发出分闸指令，在机车受电弓到达拉弧点前，消弧控制装置切除主电，受电弓接触点安全进入无电中性区，经过延时若干时间，消弧控制装置内的消弧主控制器自动复位，等待下一次机车驶来入。

所述的消弧控制装置的一端与电分断器cd相连接，电分断器gh在非绝缘锚段关节区域的机械分段连接处串联消弧控制装置，消弧控制装置在该段区域内采用受电弓与接触网“先接”，主电“后送”的控制逻辑解决机车带载拉弧问题；该处消弧控制装置正常处于分闸状态，消弧控制装置另一端与后方电源母线区相电接，非绝缘锚段关节区域的前段区域为有效电流采集区，当机车行驶到有效电流采集区的位置时，消弧主控制器采集机车经过产生的有限电容电流，用于扑捉到机车电容电流后发出合闸指令，在机车受电弓几乎不受机车电容电流的影响下经入拉弧点后，在受电弓与接触网完全接触稳定后，消弧控制装置为机车送入主电，受电弓不受弧电流影响驶入有电区，消弧控制装置内的消弧主控制器自动复位，等待下一次机车驶来入。

本实用新型由具有灭弧能力的设备来辅助完后受电弓与接触网间的每次拉弧现象；具有灭弧能力的电器设备在运行中抑制电弧，缩短燃弧时间和燃弧强度；从根本上避免供电的跳闸事故和对电器设备的烧伤事故。

消弧控制装置主设备采用新型的具有灭弧能力的机车用真空开关，真空开关驱动采用先进的永磁机构驱动器，开关具有过零关断技术、使用寿命长、开断时间小等特点。

消弧控制装置主控制器采用美国TI公司的32位DSP处理器，具有运算速度快，数据处理精度高、抗干扰能力强等特点；消弧控制装置主控制器测量在5A～2000A的范围内，完全满足机车运行电流的监视能力。

就按照目前非绝缘锚段关节跨度长度200m估算，列车行使300km/h计算，列车行驶完200m距离需要2.4s。

灭弧开关采用永磁真空开关，具有灭弧能力的机车用真空开关，真空开关驱动采用先进的永磁机构驱动器，具有过零关断技术、使用寿命长、开合时间小等特点，永磁真空开关合分闸时间周期一般小于20ms。

消弧控制装置内主控制器处理器采用美国TI公司的32位DSP处理器，具有运算速度快，数据处理精度高、处理指令周期小于30ns；按照内部任务分配合处理能力，主程序在5ms内运行一个周期，按照将模拟量采集一个周波计算，CPU控制出口按照10ms时间长度计算，主控制器完成控制周期小于30ms。

从上述控制器控制周期估算值来看，消弧控制装置完成一次消弧控制最小周期时间不大于50ms；考虑到电弧完全熄灭时间在内，总时间周期小于100ms；与列车300m/h行车速度的行车时间长度2.4s相比较；消弧控制装置运行时间周期完全满足消弧控制时间的技术要求。

本实用新型一种接触网消弧控制装置的有益效果是：

A)防止供电跳闸事故：

接触网消弧控制装置，避免受电弓和接触网在有电的情况下瞬间搭接；不会形成瞬间超负荷弧光电流，保证牵引变电站主变的安全运行；不会形成故障跳闸电流；从而保证接触网安全供电。

B)防止受电弓与接触网导线拉弧烧伤事故：

本实用新型采用主电“先切”和主电“后进”的控制逻辑，避免在有电的情况下受电弓与接触网搭接；受电弓与接触网接触点不具有灭火能力，通过主电“先切”与主电“后进”的控制思想将电弧转移到具有灭弧功能的“接触网消弧控制装置”上切断主力电源或接通主力电源；消除接触网与电力机车接触瞬间的拉弧现象，从而保证受电弓与接触网的安全，延长接触网导线以及机车受电弓的使用寿命。

C)受电弓与接触网的“柔性无电弧”接触技术，保证铁路再提速的可能性和承接大容量的运载能力：

机车在高速行驶中，在接触网锚段关节处，消弧控制装置相当于机车受电弓与接触网的外加防护膜；使受电弓在无负荷的情况下与接触网分离或搭接接触网，真正实现受电弓与接触网的“柔性”接触，有效保障受电弓和接触网导线的安全；这样在无接触搭接隐患故障的情况下，可有效支持铁路运输的再提速能力和提高机车运输的大容量运载能力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是机车经过锚段关节故障分析图；

图2是机车驶入锚段关节中性区消弧装置工作分析图；

图3是机车驶出锚段关节中性区消弧装置工作分析图。

附图标记说明：

10、消弧控制装置    11、消弧主控制器MCU    12、过电压吸收器MDA

13、永磁灭弧开关    20、电分断器ab         30、电分断器cd

40、机车

具体实施方式

参照图2至图3，本实用新型是这样实施的：

一种接触网消弧控制装置，用于消除接触网拉弧跳闸和烧伤等故障现象，所述的消弧控制装置10由消弧主控制器MCU11、过电压吸收器MDA12和永磁灭弧开关13组成，其中过电压吸收器MDA12和永磁灭弧开关13相并联，消弧主控制器MCU为永磁灭弧开关13的指令控制器。

电力机车40在每次经过电分相器需要通过非绝缘锚段关节和绝缘锚段关节，非绝缘锚段关节完成机械分段作用，绝缘锚段关节完成机械分段和电分段两种作用；本实用新型是在具有机械分段能力的非绝缘锚段关节内的机械分段连接处串接具有灭弧能力的消弧装置。

图2是机车驶入锚段关节中性区消弧装置工作分析图：C为消弧控制装置电流采集区；Q1点为机车40经过产生拉弧点。消弧控制装置10在该段区域内采用主电“先切”，受电弓与接触网“后离”的控制逻辑解决机车卸载拉弧问题；图中x段为中性绝缘滑道区域，1、2为两个分段锚段关节。假使机车40由左向右行驶，由A相驶出，依次经过ab、cd、x等各区段，进入无电中性区。在1区即非绝缘锚段关节区域ab区的机械分段连接处串联Z-消弧控制装置，该处消弧控制装置正常处于合闸状态，消弧控制装置电源引自前方电源母线区，当机车40行驶到1-2的位置时，属于本回路消弧控制装置有效电流采集区，消弧控制装置内主消弧控制器扑捉到机车40电流后发出分闸指令，在机车40受电弓到达拉弧点Q1点之前，消弧控制装置切除主电，受电弓接触点安全进入无电中性区。经过延时若干时间，消弧控制装置主控制器自复，等待下一次机车40驶来入。

图3是机车驶出锚段关节中性区消弧装置工作分析图，消弧控制装置10在该段区域内采用受电弓与接触网“先接”，主电“后送”的控制逻辑解决机车带载拉弧问题；图中x段为中性绝缘滑道区域，3、4为两个分段锚段关节。假使机车40由左向右行驶，由中性区驶出，依次经过y、ef、gh、等各区段，进入有电B相区域。同样在4区即非绝缘锚段关节区域gh区内的机械分段连接处串联Z-消弧控制装置，该处消弧控制装置正常处于分闸状态，消弧控制装置电源引自后方电源母线区，当机车40由y区行驶到3-4的位置时，属于本回路消弧控制装置有效电流采集区，消弧控制装置内主控制器采集机车40经过产生的有限电容电流，当消弧控制装置内主消弧控制器扑捉到机车40电容电流后发出合闸指令，在机车40受电弓几乎不受机车40电容电流的影响下经入拉弧点Q2点后，即就是在受电弓与接触网完全接触稳定后，消弧控制装置为机车40送入主电，受电弓不受弧电流影响驶入有电区。经过延时若干时间，消弧控制装置主控制器自复，等待下一次机车40驶入。

在本实用新型实施例中，按照目前非绝缘锚段关节跨度长度200m估算，列车行驶300km/h计算，列车行驶完200m距离需要2.4s。

永磁灭弧开关采用永磁真空开关，永磁真空开关是具有灭弧能力的机车用真空开关，真空开关驱动采用先进的永磁机构驱动器，具有过零关断技术、使用寿命长、开合时间小等特点，永磁真空开关合分闸时间周期一般小于20ms。

消弧控制装置内主控制器处理器采用美国TI公司的32位DSP处理器，具有运算速度快，数据处理精度高、处理指令周期小于30ns；按照内部任务分配合处理能力，主程序在5ms内运行一个周期，按照将模拟量采集一个周波计算，CPU控制出口按照10ms时间长度计算，主控制器完成控制周期小于30ms。

根据上述控制器控制周期估算值来看，消弧控制装置完成一次消弧控制最小周期时间不大于50ms；考虑到电弧完全熄灭时间在内，总时间周期小于100ms；与列车300m/h行车速度的行车时间长度2.4s相比较；消弧控制装置10运行时间周期完全满足消弧控制时间的技术要求。

以上所述，仅是本实用新型接触网消弧控制装置的较佳实施例而已，并非对本实用新型的技术范围作任何限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上的实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种接触网消弧控制装置，其特征在于：所述的消弧控制装置(10)由消弧主控制器MCU(11)、过电压吸收器MDA(12)和永磁灭弧开关(13)组成，其中过电压吸收器MDA(12)和永磁灭弧开关(13)相并联，消弧主控制器MCU为永磁灭弧开关(13)的指令控制器。

2.根据权利要求1所述的接触网消弧控制装置，其特征在于所述的永磁灭弧开关(13)采用具有灭弧能力的永磁真空开关组成，永磁真空开关驱动采用永磁机构控制器。

3.根据权利要求1所述的接触网消弧控制装置，其特征在于所述的消弧主控制器MCU(11)为32位DSP处理器，消弧主控制器MCU的测量范围在5A～2000A。

4.根据权利要求1所述的接触网消弧控制装置，其特征在于所述的消弧控制装置(10)的一端与电分断器ab(20)相连接，电分断器ab(20)在非绝缘锚段关节区域的机械分段连接处串联消弧控制装置(10)，在该段区域内采用主电“先切”，受电弓与接触网“后离”的控制逻辑解决机车卸载拉弧问题；该处消弧控制装置(10)正常处于合闸状态，消弧控制装置(10)另一端与前方电源母线区相电接，非绝缘锚段关节区域的后段区域为有效电流采集区，当机车(40)行驶到有效电流采集区的位置时，消弧控制装置(10)内的消弧主控制器(11)用于扑捉到机车(40)电流后发出分闸指令，在机车(40)受电弓到达拉弧点前，消弧控制装置切除主电，受电弓接触点安全进入无电中性区，经过延时若干时间，消弧控制装置(10)内的消弧主控制器(11)自动复位，等待下一次机车(40)驶来入。

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