直流牵引系统轨道电位和杂散电流动态模拟装置

摘要

本发明属于电气化轨道交通领域，涉及一种直流牵引系统轨道电位和杂散电流动态模拟装置，包括：列车运行单元、首端单元、扩展单元和接地单元。本发明实现了利用电力电子装置来动态模拟列车在不同运行工况下直流牵引系统的轨道电位和杂散电流，并提供了杂散电流和轨道电位的监测点。本发明实现对直流牵引供电系统负极直接接地、悬浮接地或串联二极管后接地等接地方式下的轨道电位和杂散电流的动态模拟。本发明具有造价低和模拟程度高等优点，能够为轨道电位和杂散电流的抑制装置提供实验调试平台，具有较高的应用前景和经济价值，对直流牵引供电系统中轨道电位和杂散电流的控制与防护具有重要意义。

说明书

技术领域

本发明属于电气化轨道交通领域，涉及一种直流牵引供电系统的轨道电位与杂散电流动态模拟装置。

背景技术

随着城市化的发展，大运量的轨道交通在现代化大城市中起着越来越重要的作用。根据中国城市轨道交通协会发布的数据显示，截至 2017年12月31日，中国累计有34个城市建成投运城轨线路5022 公里，其中轻轨和地铁占比82％。显然，城市轨道交通已成为国家经济发展和改善人民生活的一个不可分割的部分。

目前地铁和轻轨普遍采用直流牵引供电系统。列车所需电流由牵引变电所提供，通过接触网向列车送电，并通过走行轨作为牵引电流回路，返回牵引变电所。由于走行钢轨并非理想导体，钢轨与大地也并非完全绝缘，牵引电流通过走行钢轨回流时，会在走行钢轨上产生轨道电位，同时部分牵引电流泄露到大地中，最终返回牵引变电所负极。走行钢轨中的轨道电位越大或钢轨对地的绝缘程度越差，泄露到大地中的杂散电流也就越大，这种杂散电流又称为迷流。杂散电流会加速金属物体的腐蚀，在长期的电腐蚀作用下，地下金属物体(如管道、电缆等)将受到严重的损坏。过高的轨道电位也会导致某些设备无法正常工作，严重时可危及人身安全。因此，对直流牵引供电系统中杂散电流和轨道电位的监测和控制具有十分重要的意义。

然而，对于解决上述轨道电位和杂散电流问题的新措施在实际系统中开展实验，不仅成本高，难度大，而且对实验人员存在安全威胁。因此，需要研究一种低成本的直流牵引系统模拟装置，使其可以模拟列车不同运行工况下直流牵引系统的轨道电位和杂散电流，对轨道电位和杂散电流抑制装置进行前期的实验验证，具有成本低、安全等优点，对解决轨道电位和杂散电流问题具有重要意义。

现有技术方案对杂散电流总量模拟结果与实际存在一定偏差。现有技术方案实现对直流牵引变电所负极直接接地下的杂散电流和轨道电位的模拟，与我国直流牵引供电系统普遍采用悬浮接地不符。

发明内容

鉴于现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于利用电力电子装置，提供一种在列车不同运行工况下对直流牵引系统的轨道电位和杂散电流准确模拟的装置，且适用于多种直流牵引变电所接地方式，为直流牵引供电系统中轨道电位和杂散电流的治理措施提供实验验证和测试平台。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种直流牵引系统轨道电位和杂散电流动态模拟装置，包括：列车运行单元A、首端单元B、扩展单元C、第一接地单元D₁和第二接地单元D₂；

所述第一接地单元D₁和第二接地单元D₂均属于接地单元；

所述列车运行单元A的第一接线端子101与列车6相连，构成牵引电流的输入端O；

所述列车运行单元A的第二接线端子102与首端单元B的第二接线端子202相连；

所述列车运行单元A的第三接线端子103接地；

所述列车运行单元A的第四接线端子104与首端单元B的第一接线端子201、扩展单元C的第一接线端子301相连；

所述首端单元B的第三接线端子203与扩展单元C的第三接线端子303相连；

所述首端单元B的第四接线端子204与第一直流牵引变电所4 的负极端402相连，第一直流牵引变电所4的负极端402连接到第一接地单元D₁；

所述扩展单元C的第二接线端子302与第二直流牵引变电所5 的负极端502相连，第二直流牵引变电所5的负极端502连接到第二接地单元D₂；

第一直流牵引变电所4的正极端401连接到正电压馈电线7，第二直流牵引变电所5的正极端501连接到正电压馈电线7；

所述正电压馈电线7与列车6相连。

在上述技术方案的基础上，所述列车运行单元A包括：可控电阻装置8、可控电阻装置9和一个接地电阻R_g；

所述可控电阻装置8和可控电阻装置9均属于可控电阻装置；

所述可控电阻装置8的第一接线端子801构成列车运行单元A 的第四接线端子104，可控电阻装置8的第二接线端子802与可控电阻装置9的第一接线端子、接地电阻R_g的第一端子相连，构成列车运行单元A的第一接线端子101，可控电阻装置9的第二接线端子构成列车运行单元A的第二接线端子102，接地电阻R_g的第二端子构成列车运行单元A的第三接线端子103。

在上述技术方案的基础上，所述首端单元B包括：开关S₂₁、开关S₂₂、开关S₂₃和第一阻值固定电阻R₂₁；

所述开关S₂₁的第一端子构成首端单元B的第一接线端子201，开关S₂₁的第二端子与第一阻值固定电阻R₂₁的第一端子相连，构成首端单元B的第四接线端子204，第一阻值固定电阻R₂₁的第二端子与开关S₂₂的第一端子相连，开关S₂₂的第二端子与开关S₂₃的第二端子相连，构成首端单元B的第三接线端子203，开关S₂₃的第一端子构成首端单元B的第二接线端子202。

在上述方案的基础上，所述扩展单元C包括：开关S₃₁、开关S₃₂和第二阻值固定电阻R₃₁；

所述第二阻值固定电阻R₃₁的第一端子构成扩展单元C的第三接线端子303，第二阻值固定电阻R₃₁的第二端子与开关S₃₂的第一端子相连，开关S₃₂的第二端子与开关S₃₁的第二端子相连，构成扩展单元C的第二接线端子302，开关S₃₁的第一端子构成扩展单元C的第一接线端子301。

在上述技术方案的基础上，所述接地单元为一个可控电阻装置与地串联，或一个阻值固定电阻与地串联，或一个二极管与地串联，或直接接地。

在上述技术方案的基础上，所述可控电阻装置包括：电容C、电感L、电阻R、电阻R_C和开关T；

所述电容C的第一端子构成可控电阻装置的第一接线端子，电容C的第二端子与电阻R_C的第一端子相连，电阻R_C的第二端子构成可控电阻装置的第二接线端子，所述开关T与电阻R并联，电感L>C的第二端子相连。

在上述技术方案的基础上，所述开关S₂₁、开关S₂₂、开关S₂₃、开关S₃₁和开关S₃₂均为双向可控开关。

在上述技术方案的基础上，所述开关T为双向可控开关。

在上述技术方案的基础上，所述直流牵引系统轨道电位和杂散电流动态模拟装置中扩展单元C的数量为n，所述n为整数，其中 0≤n<50；

当n＝0时，不存在首端单元B与扩展单元C，列车运行单元A 的第二接线端子102与第二直流牵引变电所5的负极端502相连；列车运行单元A的第四接线端子104与第一直流牵引变电所4的负极端402相连；

当n≥2时，第一扩展单元C的第三接线端子303与首端单元B 的第三接线端子203相连，后续相邻扩展单元C的第三接线端子与前一扩展单元C的第二接线端子相连；最后一个扩展单元C的第二接线端子302与第二直流牵引变电所5的负极端502相连；列车运行单元A的第四接线端子104与第N₁个扩展单元C的第一接线端子相连；列车运行单元A的第二接线端子102与第N₂个扩展单元C的第一接线端子相连，其中，N₁为奇数，且0≤N₁<50，N₂为偶数，且>2<50。

本发明具有以下有益技术效果：

1.本发明利用电力电子装置，提供一种在列车不同运行工况下对直流牵引系统的轨道电位和杂散电流动态模拟的装置，结构模块化，控制方式简单，器件数量少。

2.本发明能够准确模拟牵引变电所负极直接接地、悬浮接地或串联二极管后接地等接地方式下的直流牵引系统的轨道电位和杂散电流动态特性。

3.本发明为直流牵引供电系统中轨道电位和杂散电流的控制与治理措施提供验证和测试平台，成本低，稳定性高，具有良好的实际工程应用价值。

附图说明

本发明有如下附图：

图1本发明直流牵引系统的轨道电位和杂散电流动态模拟装置结构示意图；

图2本发明中列车运行单元A的结构示意图；

图3本发明中首端单元B的结构示意图；

图4本发明中扩展单元C的结构示意图；

图5(a)本发明中接地单元例一示意图；

图5(b)本发明中接地单元例二示意图；

图5(c)本发明中接地单元例三示意图；

图5(d)本发明中接地单元例四示意图；

图6本发明中可控电阻装置8的结构示意图；

图7(a)可控电阻装置8中开关T导通时的电流流向示意图；

图7(b)可控电阻装置8中开关T断开时的电流流向示意图；

图8(a)双向可控开关例一示意图；

图8(b)双向可控开关例二示意图；

图8(c)双向可控开关例三示意图；

图9(a)一列列车运行模拟示意图一；

图9(b)一列列车运行模拟示意图二；

图10本发明中模拟列车匀速运行时可控电阻装置的等效阻值变化曲线示意图；

图11(a)插入偶数个扩展单元C的直流牵引系统的轨道电位和杂散电流动态模拟装置结构示意图；

图11(b)插入奇数个扩展单元C的直流牵引系统的轨道电位和杂散电流动态模拟装置结构示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行更详细的说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

如图1所示，本发明所述的直流牵引系统轨道电位和杂散电流动态模拟装置，包括：列车运行单元A、首端单元B、扩展单元C、第一接地单元D₁和第二接地单元D₂；

所述第一接地单元D₁和第二接地单元D₂均属于接地单元；

所述列车运行单元A的第一接线端子101与列车6相连，构成牵引电流的输入端O；

所述列车运行单元A的第二接线端子102与首端单元B的第二接线端子202相连；

所述列车运行单元A的第三接线端子103接地；

所述列车运行单元A的第四接线端子104与首端单元B的第一接线端子201、扩展单元C的第一接线端子301相连；

所述首端单元B的第三接线端子203与扩展单元C的第三接线端子303相连；

所述首端单元B的第四接线端子204与第一直流牵引变电所4 的负极端402相连，第一直流牵引变电所4的负极端402连接到第一接地单元D₁；

所述扩展单元C的第二接线端子302与第二直流牵引变电所5 的负极端502相连，第二直流牵引变电所5的负极端502连接到第二接地单元D₂；

第一直流牵引变电所4的正极端401连接到正电压馈电线7，第二直流牵引变电所5的正极端501连接到正电压馈电线7；

所述正电压馈电线7与列车6相连。

如图2所示，所述列车运行单元A包括：可控电阻装置8、可控电阻装置9和一个接地电阻R_g；

所述可控电阻装置8和可控电阻装置9均属于可控电阻装置；

所述可控电阻装置8的第一接线端子801构成列车运行单元A 的第四接线端子104，可控电阻装置8的第二接线端子802与可控电阻装置9的第一接线端子、接地电阻R_g的第一端子相连，构成列车运行单元A的第一接线端子101，可控电阻装置9的第二接线端子构成列车运行单元A的第二接线端子102，接地电阻R_g的第二端子构成列车运行单元A的第三接线端子103。

如图3所示，所述首端单元B包括：开关S₂₁、开关S₂₂、开关>23和第一阻值固定电阻R₂₁；

所述开关S₂₁的第一端子构成首端单元B的第一接线端子201，开关S₂₁的第二端子与第一阻值固定电阻R₂₁的第一端子相连，构成首端单元B的第四接线端子204，第一阻值固定电阻R₂₁的第二端子与开关S₂₂的第一端子相连，开关S₂₂的第二端子与开关S₂₃的第二端子相连，构成首端单元B的第三接线端子203，开关S₂₃的第一端子构成首端单元B的第二接线端子202。

如图4所示，所述扩展单元C包括：开关S₃₁、开关S₃₂和第二阻值固定电阻R₃₁；

所述第二阻值固定电阻R₃₁的第一端子构成扩展单元C的第三接线端子303，第二阻值固定电阻R₃₁的第二端子与开关S₃₂的第一端子相连，开关S₃₂的第二端子与开关S₃₁的第二端子相连，构成扩展单元C的第二接线端子302，开关S₃₁的第一端子构成扩展单元C的第一接线端子301。

图5(a)、(b)、(c)、(d)是本发明中接地单元的示意图，给出了四种接地方式，其中，图5(a)为悬浮接地示意图；图5(b)为串联电阻后接地示意图；图5(c)为直接接地示意图；图5(d)为串联二极管后接地示意图。所述接地单元分别为一个可控电阻装置与地串联，一个阻值固定电阻与地串联，一个二极管与地串联，直接接地。

如图6所示，所述可控电阻装置8包括：电容C、电感L、电阻 R，R_C和开关T；

其中，电容C的第一端子构成可控电阻装置8的第一接线端子 801，电容C的第二端子与电阻R_C的第一端子相连，电阻R_C的第二端子构成可控电阻装置8的第二接线端子802，开关T与电阻R并联，电感L连接在电容C的第一端子与开关T的第一端子之间，开关T>C的第二端子相连。

所述开关S₂₁、开关S₂₂、开关S₂₃、开关S₃₁、开关S₃₂和开关T>

如图7(a)和7(b)所示，为本发明中可控电阻装置8的工作原理示意图。所述可控电阻装置8的控制策略是：

图7(a)所示为可控电阻装置开关T导通时的电流流向示意图。以牵引电流自端子801流向端子802为例，牵引电流通过电感L和开关T，此时，可控电阻装置8的等效电阻为0；

图7(b)所示为可控电阻装置开关T关断时的电流流向示意图。以牵引电流自端子801流向端子802为例，牵引电流通过电感L和电阻R，此时，可控电阻装置8的等效电阻为电路中电阻R的阻值r；

通过控制可控电阻装置中开关T的控制信号占空比，能够控制可控电阻装置等效阻值在0至r的范围内变化，其中，当开关T一直导通时，可控电阻装置的等效阻值为0，当开关T一直关断时，可控电阻装置的等效阻值为电路中电阻R的阻值r。

当牵引电流方向自端子802流向端子801，可控电阻装置的工作原理与牵引电流方向自端子801流向端子802时相同。

所述可控电阻装置9和可控电阻装置8的电路结构相同，其工作原理也相同。

图8(a)、(b)、(c)是直流牵引系统的轨道电位和杂散电流动态模拟装置中双向可控开关的示意图，给出了三种可以实现双向可控开关的电路，其中，图8(a)为两个逆阻性IGBT反并联的等效示意图；图8(b)为两个带反并联二极管的IGBT反串联的等效示意图；图8(c)为带反并联二极管的IGBT并联二极管桥式电路的等效示意图。本发明中双向可控开关不仅可以选用IGBT、MOSFET等电力电子器件，还可以包括继电器等非电力电子开关器件。

以悬浮接地系统为例，图9为本方案中一列列车运行模拟示意图。当列车6自第一牵引变电所4向第二牵引变电所5运行时，如图 9(a)所示，首端单元B中开关S₂₁和开关S₂₃闭合，开关S₂₂断开。扩展单元C中开关S₃₁断开，开关S₃₂闭合。

列车运行单元A中可控电阻装置8的等效阻值为0，可控电阻装置9的等效阻值为r。首端单元B中的第一阻值固定电阻R₂₁和扩展单元C中第二阻值固定电阻R₃₁的阻值均为r，此时等效于列车在第一牵引变电所4处，模拟列车运行时，列车运行单元A中可控电阻装置8的等效阻值自0增加到r，列车运行单元A中可控电阻装置9>

当列车运行单元A中可控电阻装置8的等效阻值增加到r，列车运行单元A中可控电阻装置9的等效阻值减小到0时，如图9(b) 所示，首端单元B中开关S₂₂和开关S₂₃闭合，开关S₂₁断开。扩展单元C中开关S₃₁闭合，开关S₃₂断开。此时控制列车运行单元A中可控电阻装置8的等效阻值自r减小到0，列车运行单元A中可控电阻装置9的等效阻值自0增加到r，且保持列车运行单元A中可控电阻装置8的等效阻值与可控电阻装置9的等效阻值和为r。

当列车运行单元A中可控电阻装置8的等效阻值增加到r，列车运行单元A中可控电阻装置9的等效阻值减小到0时，即等效于列车运行至第二牵引变电所5。

其中：假设第一牵引变电所4与第二牵引变电所5之间的距离为 l，则扩展单元C第三端子303为距离第一牵引变电所l/2的固定位置。

图10为模拟列车匀速运行时直流牵引系统的轨道电位和杂散电流动态模拟装置中可控电阻装置的等效阻值变化曲线示意图。

闭合开关S₂₁、S₂₃、S₃₂，断开开关S₂₂、S₃₁，列车运行单元A中可控电阻装置8的等效阻值为0，列车运行单元A中可控电阻装置9>

当列车运行单元A中可控电阻装置8的等效阻值增加到r，列车运行单元A中可控电阻装置9的等效阻值减小到0时，断开开关S₂₁、>32，与此同时，闭合开关S₂₂、S₂₃和S₃₁，此时列车运行单元A中可控电阻装置8的等效阻值自r线性减小到0，列车运行单元A中可控电阻装置9的等效阻值自0线性增加到r，且保持列车运行单元A中可控电阻装置8的等效阻值与可控电阻装置9的等效阻值和为r。

当列车运行单元A中可控电阻装置8的等效阻值增加到r，列车运行单元A中可控电阻装置9的等效阻值减小到0时，即等效于列车运行至第二牵引变电所5。

图11为插入n个扩展单元(C₁，C₂，……，C_n-1，C_n)的直流牵引系统轨道电位和杂散电流动态模拟装置结构示意图。其中包括：

一个列车运行单元A，一个首端单元B，n个扩展单元(C₁，>2，……，C_n-1，C_n)，两个接地单元(D₁，D₂)。

列车运行单元A的第一接线端子101与列车6相连构成牵引电流的输入端O；列车运行单元A的第三接线端子103接地；列车运行单元A的第四接线端子104与首端单元B的第一接线端子201、扩展单元C₁的第一接线端子311、扩展单元C₃的第一接线端子>n-1的第一接线端子3(n-1)1相连；首端单元B的第四接线端子204与第一直流牵引变电所4的负极端402相连，第一直流牵引变电所4的负极端402连接到第一接地单元D₁；扩展单元C_n的第二接线端子3n2与第二直流牵引变电所5的负极端>2；第一直流牵引变电所4的正极端401连接到正电压馈电线7，第二直流牵引变电所5的正极端501连接到正电压馈电线7；

当n为偶数时，如图11(a)所示，列车运行单元A的第二接线端子102与首端单元B的第二接线端子202、扩展单元C₂的第一接线端子321、扩展单元C₄的第一接线端子341、……、并与扩展单元>n的第一接线端子3n1相连；首端单元B的第三接线端子203与扩展单元C₁的第三接线端子313相连，扩展单元C₁的第二接线端子312>2的第三接线端子323相连，扩展单元C₂的第二接线端子322与扩展单元C₃的第三接线端子333相连，……，扩展单元C_n-1的第二接线端子3(n-1)2与扩展单元C_n的第三接线端子3n3相连；

当n为奇数时，如图11(b)所示,列车运行单元A的第二接线端子102与首端单元B的第二接线端子202、扩展单元C₂的第一接线端子321、扩展单元C₄的第一接线端子341、……、并与扩展单元>n-1的第一接线端子3(n-1)1相连；首端单元B的第三接线端子203>1的第三接线端子313相连，扩展单元C₁的第二接线端子312与扩展单元C₂的第三接线端子323相连，扩展单元C₂的第二接线端子322与扩展单元C₃的第三接线端子333相连，……，扩展单元C_n-1的第二接线端子3(n-1)2与扩展单元C_n的第三接线端子3n3>

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

本说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。