一种治理地铁车辆段杂散电流的分区供电系统和控制方法

摘要

本发明公开了一种治理地铁车辆段杂散电流的分区供电系统和控制方法，用来治理车辆段杂散电流，同时保证列车正常出、入车辆段，其系统包括：包括绝缘节J(包括J1和J2)、接触网电分段D(包括D1和D2)、大功率直流晶闸管开关A(包括A1、A2、A3、A4)、轨道计轴器B(包括B1、B2、B3、B4)、状态辨识控制单元(C)；两绝缘节(J1和J2)设于车辆段与正线之间，其间距大于1.5倍车长，在第一绝缘节J1和第二绝缘节J2两端分别并联大功率直流晶闸管开关(A1和A2)；在第一绝缘节1两侧轨道旁分别安装两个轨道计轴器；在绝缘节2两侧轨道旁分别安装另外两个轨道计轴器；四个轨道计轴器的输出信号以及供电系统运行状态信号与状态辨识控制单元连接；状态辨识控制单元输出控制四个大功率直流晶闸管开关有序的导通和关断。

说明书

技术领域

本发明属于地铁供电系统，尤其涉及一种治理地铁车辆段杂散电流的分区 供电控制方案。

背景技术

国内地铁牵引供电系统均采用DC750V或DC1500V供电制式。为防止牵引 回流泄漏至大地，造成杂散电流腐蚀，要求正线钢轨对地绝缘安装。而在地铁 车辆段，为了控制轨地电位差在安全范围，保障检修人员安全，通常将列检库 和洗车库内轨道通过综合接地极与地网连接，或在库内上轨道上安装钢轨电位 限制器。在正常运营期间，为防止正线电流通过车辆段泄漏至大地，通常在正 线与车辆段轨道上设置绝缘节，在正线与车辆段之间的接触网上设置电分段， 以实现电气隔离；为了保证库内列车的正常启动，让牵引回流能回到变电所负 极，通常会在绝缘节上并联单向导通装置。而在特殊运营期间为保证车辆段变 电所与正线变电所能实现相互支援供电，在绝缘节与电分段上均并有隔离开 关，以增加供电的灵活性。

目前国内地铁车辆段牵引供电负回流系统普遍采用双二极管分段方式，其 示意图如图1所示，两个绝缘节之间的间距大于一个车长，在每个绝缘节两端 都并联有隔离开关与带有消弧功能的单向导通装置，只允许钢轨电流从车辆段 流向正线，正线牵引所负极接至正线区段钢轨，车辆段牵引所负极接至两个绝 缘节中间区域的钢轨。此方案优点在于能阻止正线电流通过钢轨涌入车辆段， 同时保证库内列车的正常取流，但由于单向导通装置允许电流由车辆段流向正 线，而车辆段的列检库等钢轨接地，这导致车辆段库内钢轨为杂散电流提供了 通畅的回流通路，从而收集了地网中大量的杂散电流。这个良好的杂散电流回 流通路在一定意义上也加剧了正线杂散电流的泄漏，同时引发车辆段一系列问 题，包括挂临时地线打火问题、列车停跨于单向导通装置时车上设备烧灼问题 等。

发明内容

针对上述双二极管分段方式存在的问题，本发明的目的是要阻断车辆段与 正线之间轨道上的杂散电流回流通路，治理地铁车辆段的杂散电流；同时能避 免列车过绝缘节打火、解决列车受电弓划过接触网电分段拉弧等问题；保证供 电系统在正常运行方式下正线与车辆段完全的电气隔离，在车辆段变电所与正 线变电所需要相互支援供电的情况下正线与车辆段可靠的电气连接。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种治理地铁车辆段杂散电流的分区供电系统，设置在地铁正线与车辆段 结合部位，在阻止正线电流通过钢轨涌入车辆段并保证库内列车的正常取流的 同时阻断车辆段与正线之间轨道上的杂散电流回流，包括设置在正线与车辆段 轨道间的带有单向导通功能的绝缘机构和设置在正线牵引所与车辆段牵引所 之间的接触网电分段D，其特征在于，包括绝缘节J(包括J1和J2)、接触网 电分段D(包括D1和D2)、大功率直流晶闸管开关A(包括A1、A2、A3、A4)、 轨道计轴器B(包括B1、B2、B3、B4)、状态辨识控制单元(C)；两绝缘节(J1 和J2)设于车辆段与正线之间，其间距大于1.5倍车长，在第一绝缘节J1和 第二绝缘节J2两端分别并联大功率直流晶闸管开关(A1和A2)；第一绝缘节 J1正线侧的轨道区域为R1，第一绝缘节J1与第二绝缘节J2之间的轨道区域 为RMid，第二绝缘节J2车辆段侧的轨道区域为R0；接触网电分段(D1和D2) 分别设于两绝缘节(J1和J2)的正上方；第一电分段D1与第三直流晶闸管开 关A3并联，第二电分段D2与第四直流晶闸管开关A4并联，第一电分段D1正 线侧的接触网区段为Pos1，第一电分段D1与第二电分段D2之间的接触网区段 为PosMid，第二电分段D2车辆段侧的接触网区段为Pos2；在第一绝缘节J1 两侧安装第一轨道计轴器B1和第二轨道计轴器B2，第二绝缘节J2两侧安装第 三轨道计轴器B3和第四轨道计轴器B4；第一轨道计轴器B1、第二轨道计轴器 B2距第一绝缘节J1的距离以及第三轨道计轴器B3、第四轨道计轴器B4距第 二绝缘节J2的距离均为10-20m；正线牵引所负端Neg0引至R0上，车辆段牵 引所负端Neg1引至R1上；状态辨识控制单元C输入包括B1、B2、B3、B4的 监测信号以及车辆段供电系统运行状态信号S，输出对A1、A2、A3、A4的开断 状态进行控制。

本发明的目的还在于，为上述供电系统安排相应的工作方法，即

一种采用上述分区供电系统治理地铁车辆段杂散电流的分区供电控制方 法，车辆段供电系统运行状态信号S包括两种状态，其一是正常运行状态，对 应于S为0，此时应保证正线与车辆段钢轨在电气上完全隔离；其二是车辆段 变电所与相邻正线变电所供电相互支援的状态，对应于S为1，此时应保证正 线与车辆段之间的电气连通；

在轨道计轴器B没有检测到列车经过时，不会向状态辨识控制单元C发送 信号；轨道计轴器B每检测到有一对车轮经过，就向状态辨识控制单元C发送 一次信号，信号的内容为车轮经过的方向，即direction；若轨道计轴器B检 测到列车运行方向为正线至车辆段方向，direction为0，反之direction为1； C采用等待信号触发模式，有信号输入时才有信号输出；C在处理过程中用变 量Num来统计两个绝缘节之间区域所存在车辆的轮对数，在该区域无车的情况 下，Num等于0；

控制实现过程如下：

(1)当S置1时，系统处于车辆段变电所与相邻正线变电所供电相互支 援的状态(Mode1),控制A1、A2、A3、A4一直处于导通状态，接收到B1、B2、 B3、B4传来的信号不进行控制操作；

(2)当S置0时，系统处于正常运行状态(Mode0)，若B1、B2、B3、B4 均未向C传递信号，则系统状态为初始态：A1、A2、A3、A4断开，Num等于0；

(3)当S置0，C接收到B1传递过来的信号direction时，若direction 等于0，则Num值加1，同时输出开断控制信号：A1闭合、A3闭合；若direction 等于1，则Num值减1，之后若Num值不为0，则无任何信号输出，若Num值为 0，则输出控制信号：A1断开、A3断开；

(4)当S置0，C接收到B2传递过来的信号direction时，若direction 等于0，Num值维持不变，无任何信号输出；若direction等于1，则Num值维 持不变，同时输出开断控制信号：A2断开、A4断开、A3闭合、A1闭合；

(5)当S置0，C接收到B3传递过来的信号direction时，若direction 等于0，Num值维持不变，输出开断控制信号：A1断开、A3断开、A4闭合、A2 闭合；若direction等于1，则Num值维持不变，无任何信号输出；

(6)当S置0，C接收到B4传递过来的信号direction时，若direction 等于0，Num值减1，之后若Num值不为0，则无任何信号输出，若Num值为0， 则输出控制信号：A2断开、A4断开；若direction等于1，则Num值加1， 输出控制信号：A2闭合、A4闭合；

(7)在以上过程中，各开关的控制信号输出均有先后顺序(按文中排列 的顺序)，且每个开关的控制信号的输出过程间均有一定延时(大于50ms且小 于100ms)；

(8)以上过程中，若C此次输出的控制信号与前一次相同，则此次不输 出。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

(1)在既有技术方案下，车辆段为正线泄漏的杂散电流提供了通畅的回 流通路，这不仅加剧了正线杂散电流的泄漏，而且导致杂散电流在车辆段引发 了一系列问题。若采用本发明所述的技术方案，在供电系统正常运行方式下， 与两个绝缘节并联的大功率直流晶闸管开关不存在同时导通的情况，完全阻断 了车辆段杂散电流的回流通路，解决了由车辆段杂散电流所引发的一系列问 题。

(2)在列车经过绝缘节时，绝缘节两端的电位差可能会产生电弧而烧损 轨道。既有技术方案通过使用具有消弧功能的单向导通装置来解决此问题，但 消弧过程会造成单向导通装置频繁出现的“反向导通”的现象，该现象导致正 线电流流向车辆段，造成了杂散电流在车辆段的泄漏。本发明所述的技术方案 用大功率直流晶闸管开关取代了具有消弧功能的单向导通装置，在列车经过绝 缘节前便将绝缘节两端通过大功率直流晶闸管开关电气连接，使绝缘节两端不 存在电位差，避免了列车经过绝缘节产生电弧的问题，更不存在单向导通装置 “反向导通”的问题。

(3)在既有技术方案下，在车辆段出入口处，车辆受电弓划过接触网电 分段时常出现拉弧现象，当列车误停于电分段时，还会烧断接触线，这是由受 电弓将正线与车辆段间的接触网短接所造成的：在单向导通装置提供了通畅的 回流通路的条件下，受电弓引起接触网短接时电流越区供电，产生大电流突变， 从而造成拉弧现象。在本发明所述的技术方案中，由于PosMid区段的电气中 转作用，正线接触网与车辆段接触网隔离开来，避免了瞬时越区供电的现象出 现；且在列车受电弓划过电分段前便将电分段两端电气连接，使受电弓划过电 分段时，即使将电分段短接，也不会引起大电流突变，因此解决了列车过接触 网电分段拉弧问题。

附图说明

图1是既有方案系统结构图。

图2是本发明方案的系统结构图。

图3是状态辨识控制单元逻辑流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。

如图2所示，本发明包括绝缘节J(包括J1、J2)、接触网电分段D(包括 D1、D2)、大功率直流晶闸管开关A(包括A1、A2、A3、A4)、轨道计轴器B(包 括B1、B2、B3、B4)、状态辨识控制单元(C)、车辆段供电系统运行状态信号 (S)，其特征在于：两绝缘节J1、J2设于车辆段与正线之间，其间距大于1.5 倍车长，取消既有方案中与J1、J2并联的单向导通装置，分别在J1、J2两端 并联A1、A2，J1正线侧的轨道区域为R1，J1、J2之间的轨道区域为RMid，J2 车辆段侧的轨道区域为R0；接触网电分段D1、D2分别设于J1、J2的正上方， D1与A3并联，D2与A4并联，D1正线侧的接触网区段为Pos1，D1、D2之间的 接触网区段为PosMid，D2车辆段侧的接触网区段为Pos2；在J1两侧安装B1、 B2，J2两侧安装B3、B4，B1、B2距J1以及B3、B4距J2的水平距离均为10-20m； 将Neg0引至R0上，Neg1引至R1上；状态辨识控制单元C，输入包括B1、B2、 B3、B4的监测信号以及车辆段供电系统运行状态信号S，输出对A1、A2、A3、 A4的开断状态进行控制。

实际地铁车辆段中有多股轨道，在通往正线的过渡区段会逐渐汇入上行与 下行两股主轨道，图2中只绘出了其中一股主轨道，因此本发明方案在实际投 入使用时，需在上行与下行两股轨道上都分别投入，且J1与J2的位置都应选 在主轨道上，而不能选于轨道汇入的过渡段。

本发明中使用的轨道计轴器需要满足如下技术要求，包括：能实时准确地 检测出经过列车的轮对数以及列车运行方向；能实时准确地将信息传递到控制 模块；具有一定的抗干扰能力。

本发明中使用的大功率直流晶闸管开关需要满足如下技术要求，包括：具 有双向导通及双向强制关断能力，具有较大的通态电流和断态电压；具有较大 的容量，能保证地铁供电系统在各种运营工况下正常运行，在各种故障情况下 不会损坏；开关的导通及关断时间均小于10ms。

下面分别对列车在由正线驶向车辆段、由车辆段驶向正线两种运行过程 中，本发明方案的运作方式进行说明：

1、如图2所示，在列车由正线驶向车辆段的过程中，系统运作方式如下：

(1)若车辆段供电系统处于车辆段变电所与相邻正线变电所相互支援的运 行方式(Mode1)，则控制A1、A2、A3、A4一直处于导通状态，接收到B1、B2、 B3、B4传来的信号时不进行任何控制操作；

(2)若车辆供电系统处于正常运行方式(Mode0)，假设某列车轮对数为N对， 当该列车尚处于正线区段时，本发明所述控制系统处于初始状态：A1、A2、A3、 A4均断开，Num值为0，列车由正线牵引所供电；随着列车的前进，当列车的 第一对轮对经过轨道计轴器B1时，列车即将进入RMid区段，C接收到由B1 发来的信号direction(＝0),Num值加1，输出控制信号A1闭合、A3闭合，使 Pos1与PosMid连接，R1与RMid连接，保证列车在RMid区段由正线牵引所 供电并能够正常回流；当列车第n(n在1到N之间)对轮对经过轨道计轴器B1 时，B1向C发送信号direction(＝0),Num值加1，但由于输出信号与前一次 相同，因此不输出控制信号；当列车全部轮对数均通过B1时，认为列车已完 全进入RMid区段，Num值为N；当列车轮对经过B2时，C接收到B2发来的信 号direction(＝0)，此时Num值不变，无任何控制信号输出；当列车的第一对 轮对经过轨道计轴器B3时，C接收到由B3发来的信号direction(＝0)，说明 列车将要驶出RMid区段，进入R0区段，此时Num值维持不变，依次输出控制 信号：A1断开、A3断开、A4闭合、A2闭合，列车先断开与正线牵引所的电气 连接，再建立与车辆段牵引所的电气连接，列车改为由车辆段牵引所供电；当 列车第n(n在1到N之间)对轮对经过轨道计轴器B3时，C接收到由B3发来的 信号direction(＝0),Num值不变，且由于输出信号与前一次相同，因此此次 不输出控制信号；当列车第n(n在1到N之间)对轮对经过轨道计轴器B4时， C接收到由B4发来的信号direction(＝0),Num值减1，之后若Num值不等于0， 则不输出控制信号；当列车第n(n在1到N之间)对轮对经过轨道计轴器B4时， B4向C发送一次信号direction(＝0),Num值减1，之后若Num值等于0，则输 出控制信号：A2断开、A4断开，此时列车已完全通过B4，即已完全驶出RMid 区段，进入R0区段，由车辆段牵引所供电，控制系统回到初始态。

2、在列车由车辆段驶向正线的过程中，系统运作方式如下：

(1)若车辆段供电系统处于车辆段变电所与相邻正线变电所相互支援的运 行方式(Mode1)，则控制A1、A2、A3、A4一直处于导通状态，接收到B1、B2、 B3、B4传来的信号时不进行控制操作；

(2)若车辆供电系统处于正常运行方式(Mode0)，假设某列车轮对数为N 对，当该列车尚处于车辆段区段时，本发明所述控制系统处于初始状态：A1、 A2、A3、A4均断开，Num值为0，列车由车辆段牵引所供电；随着列车的前进， 当列车的第一对轮对经过轨道计轴器B4时，列车即将进入RMid区段，C接收 到由B4发来的信号direction(＝1),Num值加1，输出控制信号A2闭合、A4 闭合，使Pos0与PosMid连接，R0与RMid连接，保证列车在RMid区段由车 辆段牵引所供电并能够正常回流；当列车第n(n在1到N之间)对轮对经过轨 道计轴器B4时，B4向C发送信号direction(＝1),Num值加1，但由于输出信 号与前一次相同，因此不输出控制信号；当列车全部轮对数均通过B4时，认 为列车已完全进入RMid区段，Num值为N；当列车轮对经过B3时，C接收到 B3发来的信号direction(＝1)，此时Num值不变，无任何控制信号输出；当 列车的第一对轮对经过轨道计轴器B2时，C接收到由B2发来的信号direction (＝1)，说明列车将要驶出RMid区段进入R1区段，此时Num值维持不变，依次 输出控制信号：A2断开、A4断开、A3闭合、A1闭合，列车先断开与车辆段牵 引所的电气连接，再建立与正线牵引所的电气连接，列车改为由正线牵引所供 电；当列车第n(n在1到N之间)对轮对经过轨道计轴器B2时，C接收到由B2 发来的信号direction(＝1),Num值不变，且由于输出信号与前一次相同，因 此此次不输出控制信号；当列车第n(n在1到N之间)对轮对经过轨道计轴器 B1时，C接收到由B1发来的信号direction(＝1),Num值减1，之后若Num值 不等于0，则不输出控制信号；当列车第n(n在1到N之间)对轮对经过轨道计 轴器B1时，C接收到由B1发来的信号direction(＝1),Num值减1，之后若Num 值等于0，则输出控制信号：A1断开、A3断开，此时列车已完全通过B1，即 已完全驶出RMid区段，进入R1区段，由正线牵引所供电，控制系统回到初始 态。