CN214215532U - 一种基于磁通门传感器的智能单向导通装置 - Google Patents

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王禹桥
陈宇鸣
杨雪锋
盛连超
李允彩
徐引
殷磊
李清伟
王承涛
李威
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Abstract

本实用新型公开了一种基于磁通门传感器的智能单向导通装置，用于地铁走行轨安全防护领域。根据在绝缘节两端起弧打火时绝缘节两端的电流会发生突变这一物理现象，提出了一种基于磁通门传感器的智能单向导通装置。该装置首先需要在绝缘节两端安装磁通门传感器，所设计的智能单向导通装置的主控系统采集磁通门传感器的输出电压信号，并将其保存在控制系统芯片的内部缓冲区中，依据已经设定好的阈值对处理后的数据进行判断，以确定钢轨回流是否发生突变。当绝缘节两端的钢轨回流发生突变时，控制系统通过驱动装置为可控硅提供触发信号，将绝缘节两端短路，使得地铁途径绝缘节时满足不了电弧产生的条件，从而抑制了绝缘节两端起弧大火的现象。

Description

一种基于磁通门传感器的智能单向导通装置
技术领域
本实用新型涉及地铁走行轨安全防护技术领域，具体涉及一种基于磁通门传感器的智能单向导通装置。
背景技术
随着科学技术的和城市化的发展，大运量的轨道交通(地铁、轻轨)在城市中也扮演着越来越重要的作用，已经成为城市人民生活中不可或缺的部分。
由于停车场、车辆段多采用有砟道床，其钢轨对地泄漏电阻相较于正线整体道床更低，如果轨道采用全线直接连通的形式，则在绝缘薄弱区域即使没有机车运行也会造成很大的杂散电流泄漏。因此，为了确保正线电流不经场段内钢轨泄漏进入大地，通常在出入段(场)有砟道床与整体道床的分界点钢轨设置绝缘节和普通单向导通装置。然而，虽然采用绝缘节加单向导通的方式可以缓解该区间段的杂散电流泄漏，但是由于单向导通装置的反向截止功能，牵引回流只能从轨道一侧流回牵引变电所，这种单向回流的方式会导致地铁途经绝缘节的瞬间，列车与钢轨接触处的电压和电流发生突变，从而产生高强度的电弧并引起轨道电位升高，尤其是当机车以再生制动方式经过绝缘节时，由于电流方向发生改变，起弧现象更为严重。绝缘节烧毁会产生严重的后果，其一是绝缘节烧毁后难于更换，维修时间长，影响列车正常运行。二是在绝缘节发生拉弧烧毁时，会灼伤钢轨，造成钢轨的不平整，在列车高速运行时影响行车安全。而轨道电位升高不仅会危及乘客的安全，又会增加杂散电流的泄漏，对周边的金属结构会产生电化学腐蚀，从而造成经济损失并引发安全隐患。
为了抑制列车驶入(出)绝缘节时的电弧打火和轨道电位上升现象，应该消除绝缘节两端钢轨的电压差，使其低于起弧的电压。单向导通装置可以抑制抑制列车驶入(出)绝缘节时的电弧打火和轨道电位上升现象。然而现有的智能单向导通装置通过测量绝缘节两端的电压来表征是否满足了起弧的条件。然而地铁环境过于复杂，绝缘节两端钢轨的电压差是一个浮动数值，在电子开关触发导通后，绝缘节两端的电压若未出现反向的电压，那么大功率电子开关将长期处于导通状态，单向导通装置则失去它固有的单向导通功能。
发明内容
本实用新型的目的是针对上述现有技术存在的问题，提供一种结构简单、安全可靠、使用效果好的基于磁通门传感器的智能单向导通装置。
为实现上述目的，本实用新型的一种基于磁通门传感器的智能单向导通装置，包括磁通门传感器、AD转换器、控制系统、辅助电源电路、驱动装置、可控硅晶闸管、单向导通器件、地铁轨道和地铁列车；所述的磁通门传感器设在地铁绝缘节的两端，利用法拉第电磁感应定律原理实现对磁场的检测，进而间接完成地铁绝缘节两端电流信号的测量；所述的AD转换器、控制系统3、辅助电源电路、驱动装置集成在同一主板上，该主板预留有外部接口，利用连接导线实现磁通门传感器和可控硅晶闸管与AD转换器的连接和驱动装置的相互连接，连接导线部分使用绝缘胶带包起来，防止短路危险；主板设在防爆箱中，防爆箱设在地铁轨道旁边的道床上；所述AD转换器将磁通门传感器输出的电压信号转化为数字信号，由控制系统进行后续的处理；所述辅助电源电路为控制系统和驱动装置提供电源；控制系统分析AD传感器输出的数字信号，主控系统通过驱动装置为可控硅晶闸管提供触发信号，将绝缘节两端短路，使得地铁途径绝缘节时满足不了电弧产生的条件，从而抑制绝缘节两端起弧大火的现象。
所述的磁通门传感器包括磁芯、激励线圈和感应线圈，激励线圈和感应线圈均匀缠绕于磁芯上，且分居磁芯两侧，彼此独立；激励线圈外接正弦激励电压，感应线圈外接电压信号检测装置；磁芯为坡莫合金制成的两个由圆弧状和圆柱状磁芯组成的结构，激励线圈为反向串联线圈，感应线圈为同向串联线圈。
所述的控制系统为基于ARM内核的STM32，型号为STM32F103ZET6。
所述的单向导通器件由6个硅二极管并联而成，6个并联的硅二极管中每个硅二极管支路串连有一个快速熔断器。
所述的AD转换器用型号为ADC0809的直插式DIP28的8位逐次逼近式模数AD转换器。
所述的驱动装置用落木源电子生成的KA101系列驱动器。
有益效果：由于采用了上述技术方案，本实用新型根据在绝缘节两端起弧打火时绝缘节两端的电流会发生突变这一物理现象，提出了一种基于磁通门传感器的智能单向导通装置，能够更可靠的抑制列车驶入(出)绝缘节时的电弧打火和轨道电位上升现象：根据绝缘节两端电压通常是一个浮动的数值，单纯依靠电压值很难可靠的判断出是否满足起弧大火的条件，利用磁通门传感器获取绝缘节两端的电流值进而判断是否会发生起弧大火，采用了非接触的方式测量绝缘节两端电流，使得安全性更高。当装置分析得出钢轨回流发生突变时，主控系统通过驱动装置为可控硅晶闸管提供触发信号，将绝缘节两端短路，使得地铁途径绝缘节时满足不了电弧产生的条件，从而抑制了绝缘节两端起弧大火的现象。其结构简单，安全可靠，稳定性强，效果好，在本技术领域内具有广泛的实用性。
附图说明
图1为本实用新型的基于磁通门传感器的智能单向导通装置结构框图。
图2为绝缘节两端钢轨回流突变检测原理图。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本实用新型作进一步的说明：
如图1所示，本实用新型的基于磁通门传感器的智能单向导通装置，主要由磁通门传感器1、AD转换器2、控制系统3、辅助电源电路4、驱动装置5、可控硅晶闸管6、单向导通器件7、地铁轨道8和地铁列车9构成；所述的磁通门传感器1包括磁芯、激励线圈和感应线圈，激励线圈和感应线圈均匀缠绕于磁芯上，且分居磁芯两侧，彼此独立；激励线圈外接正弦激励电压，感应线圈外接电压信号检测装置；磁芯为坡莫合金制成的两个由圆弧状和圆柱状磁芯组成的结构，激励线圈为反向串联线圈，感应线圈为同向串联线圈。磁通门传感器1设在地铁绝缘节的两端，利用法拉第电磁感应定律原理实现对磁场的检测，进而间接完成地铁绝缘节两端电流信号的测量；所述的AD转换器2、控制系统3、辅助电源电路4、驱动装置5集成在同一主板上，该主板预留有外部接口，利用连接导线实现磁通门传感器1和可控硅晶闸管6与AD转换器2的连接和驱动装置5的相互连接，连接导线部分使用绝缘胶带包起来，防止短路危险；主板设在防爆箱中，防爆箱设在地铁轨道旁边的道床上；所述的AD转换器2采用型号为ADC0809的直插式DIP28的8位逐次逼近式模数AD转换器，AD转换器2将磁通门传感器1输出的电压信号转化为数字信号，进而由控制系统3进行后续的处理；所述的控制系统3为基于ARM内核的STM32，型号为STM32F103ZET6。所述辅助电源电路4为控制系统3和驱动装置5提供电源；所述的驱动装置5用落木源电子生成的KA101系列驱动器，控制系统3分析AD传感器2输出的数字信号，当分析得出钢轨回流发生突变时，控制系统3通过驱动装置5为可控硅晶闸管6提供触发信号，将绝缘节两端短路，使得地铁途径绝缘节时满足不了电弧产生的条件，从而抑制了绝缘节两端起弧大火的现象。主控系统3通过驱动装置5为可控硅晶闸管6提供触发信号，将绝缘节两端短路，使得地铁途径绝缘节时满足不了电弧产生的条件，从而抑制绝缘节两端起弧大火的现象。所述的单向导通器件7由6个硅二极管并联而成，6个并联的硅二极管中每个硅二极管支路串连有一个快速熔断器。
如图2所示，为绝缘节两端钢轨回流突变检测原理图，由于钢轨回流在绝缘节两端会发生突变，故而在绝缘节两侧的电流大小就会不同。根据电生磁原理，在局部绝缘损坏点两侧的电流会产生绕钢轨的大小不同的磁场，这里假设I1＞I2(反之不影响磁通门传感器的性能)，于是会有|H1|＞|H2|。当磁通门传感器位于钢轨对绝缘节两端时，在绝缘节两侧的磁感线就会沿着磁阻很小的磁芯通路进入与钢轨平行的磁芯部分，并在与钢轨平行的磁芯部分相互叠加。由附图1可知在与钢轨平行的磁芯部分，H1和H2方向相反，这里假设H1和H2叠加后的磁场强度为Hx。由于绝缘节两侧的由钢轨回流产生的磁场强度大小不等，且借助于磁通门传感器使二者在平行于钢轨方向的磁芯内方向相反地相互叠加，于是在磁芯内的待检测环境磁场就是上述二者叠加之后的磁场Hx。故而，若钢轨回流发生突变，则在磁通门传感器的平行于钢轨的磁芯部分中就会有一个磁场强度差Hx，在外加正弦激励信号的作用下，磁通门传感器的感应线圈部分就会输出一个与该磁场强度差成比例的感应电压信号，由此能准确确定出绝缘节两端钢轨回流是否发生突变。
本智能单向导通装置在抑制绝缘节两端起弧时的工作过程包括以下步骤：
步骤一：在绝缘节两端安装磁通门传感器1，磁通门传感器1主要利用法拉第电磁感应定律原理实现对磁场的检测，进而间接完成地铁绝缘节两端电流信号的测量；
步骤二：控制系统3实时监测磁通门传感器输出的感应电压信号，并通过AD转换器将采集到的感应电压信号转化为数字信号；
步骤三：由于数据采样频率较高，故当机车途径绝缘节的一瞬间就会有几十个数据被采集到，DSP控制系统将通过下述算法对采集到的多组数据进行分析，进而确定钢轨回流是否发生突变；使用的钢轨回流突变信号检测算法如下：现假设在机车行驶过程中的某一瞬间连续采集了多个数据，且Vx、Vy、Vz、V0、Vp、Vq为任意连续采集的六个数据；若|V0-Vz|>|Vy-Vx|+|Vz-Vy|+|Vp-Vo|+|Vq-Vp|，则说明检测到了钢轨回流发生突变。
步骤四：当检测到钢轨回流发生突变时，控制系统3通过驱动装置5为可控硅晶闸管6提供触发信号，将绝缘节两端短路，使得地铁途径绝缘节时满足不了电弧产生的条件，从而抑制了绝缘节两端起弧大火的现象；
步骤五：控制系统3继续采集磁通门传感器1的输出电压信号，并基于步骤三判断钢轨回流是否发生突变，当钢轨回流系统没有发生突变时，控制系统3通过驱动装置5为可控硅晶闸管6提供关断信号，进而恢复单向导通器件7固有的功能。

Claims (6)

1.一种基于磁通门传感器的智能单向导通装置，其特征在于：它包括磁通门传感器、AD转换器、控制系统、辅助电源电路、驱动装置、可控硅晶闸管、单向导通器件、地铁轨道和地铁列车；所述的磁通门传感器设在地铁绝缘节的两端，利用法拉第电磁感应定律原理实现对磁场的检测，进而间接完成地铁绝缘节两端电流信号的测量；所述的AD转换器、控制系统、辅助电源电路、驱动装置集成在同一主板上，该主板预留有外部接口，利用连接导线实现磁通门传感器和可控硅晶闸管与AD转换器的连接和驱动装置的相互连接，连接导线部分使用绝缘胶带包起来，防止短路危险；主板设在防爆箱中，防爆箱设在地铁轨道旁边的道床上；所述AD转换器将磁通门传感器输出的电压信号转化为数字信号，由控制系统进行后续的处理；所述辅助电源电路为控制系统和驱动装置提供电源；控制系统分析AD传感器输出的数字信号，控制系统通过驱动装置为可控硅晶闸管提供触发信号，将绝缘节两端短路，使得地铁途径绝缘节时满足不了电弧产生的条件，从而抑制绝缘节两端起弧大火的现象。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁通门传感器的智能单向导通装置，其特征在于：所述的磁通门传感器包括磁芯、激励线圈和感应线圈，激励线圈和感应线圈均匀缠绕于磁芯上，且分居磁芯两侧，彼此独立；激励线圈外接正弦激励电压，感应线圈外接电压信号检测装置；磁芯为坡莫合金制成的两个由圆弧状和圆柱状磁芯组成的结构，激励线圈为反向串联线圈，感应线圈为同向串联线圈。
3.根据权利要求1所述的一种基于磁通门传感器的智能单向导通装置，其特征在于：所述的控制系统为基于ARM内核的STM32，型号为STM32F103ZET6。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁通门传感器的智能单向导通装置，其特征在于：所述的单向导通器件由6个硅二极管并联而成，6个并联的硅二极管中每个硅二极管支路串连有一个快速熔断器。
5.根据权利要求1所述的一种基于磁通门传感器的智能单向导通装置，其特征在于：所述的AD转换器用型号为ADC0809的直插式DIP28的8位逐次逼近式模数AD转换器。
6.根据权利要求1所述的一种基于磁通门传感器的智能单向导通装置，其特征在于：所述的驱动装置用落木源电子生成的KA101系列驱动器。
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CN113970709A (zh) * 2021-10-27 2022-01-25 徐州中矿传动轨道科技有限公司 一种地铁钢轨对地局部绝缘损坏点定位方法及系统

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