一种简化型轨道电阻动态模拟系统

摘要

本发明涉及一种简化型轨道电阻动态模拟系统，由系统基本单元与系统末端单元构成。系统基本单元与系统末端单元均由可变电阻模拟电路与开关组成，通过可变电阻模拟电路与开关的动作实现直流牵引供电系统动态特性的模拟，结构与控制方式简单，易于实现，稳定性好。与此同时，本发明能够模拟直流牵引供电系统中轨道电位与迷流，对直流牵引供电系统中迷流的控制与防护具有重要意义。另外，本发明为迷流的治理措施提供验证平台，具有良好的实际工程应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及电气化轨道交通领域，具体说是一种简化型轨道电阻动态模拟系统，用于实现电气化轨道交通中轨道电阻的动态模拟。

背景技术

随着经济的发展和人口的增加，城市轨道交通在缓解城市交通矛盾中发挥着越来越重要的作用。目前城市轨道交通普遍采用直流供电，钢轨回流的方式。钢轨和大地之间并非完全绝缘，使得部分电流泄漏到大地中，形成迷流；与此同时，轨道电流及迷流使轨道对地产生轨道电位。迷流对车站和区间隧道主体结构中的钢筋产生严重的电化学腐蚀，降低其使用寿命，而过高的轨道电位会造成人身触电，对地铁的安全运营带来不利影响。

目前采取的措施虽然在很大程度上减小了迷流和轨道电位所造成的危害，但随着时间的推移效果往往有限，每年迷流和轨道电位问题仍造成巨大的经济损失。新型防护措施需要在直流牵引供电系统中设置传感器以及电力电子器件实现迷流与轨道电位的测量与控制，在实际的直流牵引供电系统中验证新型防护措施的有效性不仅难度大，成本高，而且安全性差，对实验测试人员以及直流牵引供电系统存在安全威胁。因此需要一种城市轨道交通迷流模拟系统对实际城市轨道交通系统进行等效模拟，安全、便捷、高效的验证新型防护措施的有效性。通过模拟系统对新型防护进行验证。但是，对于模拟直流牵引供电系统中机车不同的运行工况并获得迷流与轨道电位的监测点，评估整个轨道电位分布以及轨道泄露电流情况，现有技术中仍未有方案。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种简化型轨道电阻动态模拟系统，利用静止的电力电子装置模拟直流牵引供电系统的动态特性以及系统迷流分布规律，为直流牵引供电系统中迷流的治理措施提供验证平台。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

简化型轨道电阻动态模拟系统，包括系统基本单元I与系统末端单元II；

系统基本单元I的第一接线端子101与系统末端单元II的第一接线端子201相连构成机车6牵引电流的输出端O；

系统基本单元I的第三接线端子103与系统末端单元II的第二接线端子202相连，系统基本单元I的第四接线端子104接地；

系统基本单元I的第二接线端子102连接到第一直流牵引变电所 3的负极端302；系统末端单元II的第三接线端子203连接到第二直流牵引变电所4的负极端402；第一直流牵引变电所3的负极端302 连接到接地模块G₁，第二直流牵引变电所4的负极端402连接到接地模块G₂；第一直流牵引变电所3的正极端301连接到正电压馈电线5，第二直流牵引变电所4的正极端401连接到正电压馈电线5。

在上述方案的基础上，所述系统基本单元I包括第一可变电阻模拟电路I 711、第二可变电阻模拟电路I 712、一个开关S₁₁和一个阻值固定电阻R₁₁，

其中，第一可变电阻模拟电路I 711的第一接线端子701构成系统基本单元I的第二接线端子102，第一可变电阻模拟电路I 711的第二接线端子702、第二可变电阻模拟电路I 712的第一接线端子与开关S₁₁的第二接线端子相连，开关S₁₁的第一接线端子构成系统基本单元I的第一接线端子101，第二可变电阻模拟电路I>11的第一接线端子相连构成系统基本单元I>11的第二接线端子构成系统基本单元I的第四接线端子104。

在上述方案的基础上，所述的开关S₁₁采用双向可控开关。

在上述方案的基础上，所述系统末端单元II包括：第一可变电阻模拟电路II 721、第一可变电阻模拟电路II 722和一个开关S₂₁，

其中，第一可变电阻模拟电路II 721的第一接线端子构成的系统末端单元II的第二接线端子202，第一可变的电阻模拟电路II 721的第二接线端子、第二可变电阻模拟电路II 722的第一接线端子与开关 S₂₁的第二接线端子相连，开关S₂₁的第一接线端子构成的系统末端单元II的第一接线端子201，第二可变电阻模拟电路II>

在上述方案的基础上，所述的开关S₂₁采用双向可控开关。

在上述技术的基础上，所述第一可变电阻模拟电路I 711包括：一个电容C、一个电感L、一个电阻R、一个开关T、第一二极管桥臂和第二二极管桥臂，所述第一二极管桥臂由第一二极管D₁和第二二极管D₂串联组成，第二二极管桥臂由第三二极管D₃和第四二极管>4串联组成；

所述第一二极管D₁的阴极端连接到第三二极管D₃的阴极端，第二二极管D₂的阳极端连接到第四二极管D₄的阳极端；所述电容C的第一接线端子与第二二极管桥臂的中点连接，电容C的第二接线端子与第一二极管桥臂的中点连接，电容C的第一接线端子构成第一可变电阻模拟电路I>

所述开关T与电阻R并联，开关T的反并联二极管的阴极端构成开关T的第一接线端子T₁，开关T的反并联二极管的阳极端构成开关T的第二接线端子T₂，电感L连接在第一二极管桥臂和第二二极管桥臂的阴极端与开关T的第一接线端子T₁之间，第一二极管桥臂和第二二极管桥臂的阳极端连接到开关T的第二接线端子T₂。

在上述方案的基础上，所述开关T采用单向可控开关。

在上述方案的基础上，所述第二可变电阻模拟电路I 712、第一可变电阻模拟电路II 721、第二可变电阻模拟电路II 722的结构与第一可变电阻模拟电路I 711的结构相同。

在上述方案的基础上，所述简化型轨道电阻动态模拟系统中系统基本单元I的数量为n，改变n的值能够改变轨道电阻动态模拟系统中固定监测点的个数，其中，n为整数，一般认为1≤n<50。

与已有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种简化型轨道电阻动态模拟系统，采用静止电力电子装置模拟直流牵引供电系统的动态特性，结构模块化，结构简单，控制方式简单，易于实现。

本发明能够模拟直流牵引供电系统中的轨道电位与轨道对地泄露电流的分布情况，操作可靠性高，测试过程安全，对直流牵引供电系统迷流防护工作具有指导意义。

本发明为直流牵引供电系统中迷流的控制与治理措施提供验证平台，成本低，安全性好，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为本发明简化型轨道电阻动态模拟系统的结构示意图。

图2为本发明中系统基本单元I的结构示意图。

图3为本发明中系统末端单元II的结构示意图。

图4为本发明中可变电阻模拟电路的结构示意图。

图5(a)为本发明中可变电阻模拟电路开关导通时电流流向图。

图5(b)为本发明中可变电阻模拟电路开关断开时电流流向图。

图6(a)为本发明中可变电阻模拟电路的开关例一示意图。

图6(b)为本发明中可变电阻模拟电路的开关例二示意图。

图6(c)为本发明中可变电阻模拟电路的开关例三示意图。

图7(a)为本发明中双向可控开关例一示意图。

图7(b)为本发明中双向可控开关例二示意图。

图7(c)为本发明中双向可控开关例三示意图。

图8(a)为本发明中接地模块例一示意图。

图8(b)为本发明中接地模块例二示意图。

图8(c)为本发明中接地模块例三示意图。

图9(a)本发明在一列列车运行时示意图1。

图9(b)本发明在一列列车运行时示意图2。

图10为简化型轨道电阻动态模拟系统中各单元中可变电阻模拟电路的等效阻值变化曲线。

图11为插入n个系统基本单元的轨道电阻动态模拟系统结构示意图。

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。

图1为本发明所述的简化型轨道电阻动态模拟系统结构示意图，其中包括：系统基本单元I和系统末端单元II。

系统基本单元I的第一接线端子101与系统末端单元II的第一接线端子201相连构成机车6牵引电流的输出端O；

系统基本单元I的第三接线端子103与系统末端单元II的第二接线端子202相连，系统基本单元I的第四接线端子104接地；

系统基本单元I的第二接线端子102连接到第一直流牵引变电所 3的负极端302，系统末端单元II的第三接线端子203连接到第二直流牵引变电所4的负极端402，第一直流牵引变电所3的负极端302 连接到接地模块G₁，第二直流牵引变电所4的负极端402连接到接地模块G₂，第一直流牵引变电所3的正极端301连接到正电压馈电线5，第二直流牵引变电所4的正极端401连接到正电压馈电线5。

在上述方案的基础上，如图2所示，为本发明中系统基本单元I 的结构示意图。包括：

两个可变电阻模拟电路I 711、712，一个开关S₁₁和一个阻值固定电阻R₁₁，

其中，第一可变电阻模拟电路I 711的第一接线端子701构成系统基本单元I的第二接线端子102，第一可变电阻模拟电路I 711的第二接线端子702、第二可变电阻模拟电路I 712的第一接线端子与开关S₁₁的第二接线端子相连，开关S₁₁的第一接线端子构成系统基本单元I的第一接线端子101，第二可变电阻模拟电路I>11的第一接线端子相连构成系统基本单元I>11的第二接线端子构成系统基本单元I的第四接线端子104。

其中，所述的开关S₁₁采用双向可控开关，如图7(a)、(b)、(c)>

在上述方案的基础上，如图3所示，为本发明中系统末端单元II 的结构示意图。包括：

两个可变电阻模拟电路II 721、722和一个开关S₂₁，

其中，第一可变电阻模拟电路II 721的第一接线端子构成的系统末端单元II的第二接线端子202，第一可变的电阻模拟电路II 721的第二接线端子、第二可变电阻模拟电路II 722的第一接线端子与开关 S₂₁的第二接线端子相连，开关S₂₁的第一接线端子构成的系统末端单元II的第一接线端子201，第二可变电阻模拟电路II>

其中，所述的开关S₂₁采用双向可控开关，如图7(a)、(b)、(c)>

在上述技术的基础上，如图4所示，为本发明中第一可变电阻模拟电路I 711结构示意图，包括：

一个电容C、一个电感L、一个电阻R、一个开关T、第一二极管桥臂和第二二极管桥臂，所述第一二极管桥臂由第一二极管D₁和第二二极管D₂串联组成，第二二极管桥臂由第三二极管D₃和第四二极管D₄串联组成；其中：开关T采用单向可控开关，如图6(a)、(b)、>

所述第一二极管D₁的阴极端连接到第三二极管D₃的阴极端，第二二极管D₂的阳极端连接到第四二极管D₄的阳极端；所述电容C的第一接线端子与第二二极管桥臂的中点连接，电容C的第二接线端子与第一二极管桥臂的中点连接，电容C的第一接线端子构成第一可变电阻模拟电路I>

所述开关T与电阻R并联，开关T的反并联二极管的阴极端构成开关T的第一接线端子T₁，开关T的反并联二极管的阳极端构成开关T的第二接线端子T₂，电感L连接在第一二极管桥臂和第二二极管桥臂的阴极端与开关T的第一接线端子T₁之间，第一二极管桥臂和第二二极管桥臂的阳极端连接到开关T的第二接线端子T₂。

所述第二可变电阻模拟电路I 712、第一可变电阻模拟电路II 721、第二可变电阻模拟电路II 722的结构与第一可变电阻模拟电路I 711 的结构相同。

所述简化型轨道电阻动态模拟系统中可变电阻模拟电路的控制策略是：

图5(a)所示为第一可变电阻模拟电路I 711开关T导通时电流流向图。以牵引电流自第一接线端子701流向第二接线端子702为例，此时，牵引电流通过第三二极管D₃，电感L，开关T与第二二极管>2，此时，第一可变电阻模拟电路I>

图5(b)所示为第一可变电阻模拟电路I 711开关T关断时电流流向图。以牵引电流自第一接线端子701流向第二接线端子702为例，此时，牵引电流通过第三二极管D₃，电感L，电阻R与第二二极管>2，此时，第一可变电阻模拟电路I>

通过调节第一可变电阻模拟电路I 711中开关T导通的时间，能够调节第一可变电阻模拟电路I 711等效电阻在0至r的范围内变化，其中，当开关T一直导通时，第一可变电阻模拟电路I 711的等效电阻为0，当开关T一直关断时，第一可变电阻模拟电路I 711的等效电阻为电路中电阻R的阻值r。

当牵引电流方向自第二接线端子702流向第一接线端子701，第一二极管D₁、第四二极管D₄导通，第二二极管D₂、第三二极管D₃截止，第一可变电阻模拟电路I>

图6(a)、(b)、(c)是可变电阻模拟电路中开关T的示意图，给出了三种可以实现单向可控开关的电路，其中，图6(a)为半导体功率开关的MOSFET等效示意图；图6(b)为半导体功率开关的 IGBT等效示意图；图6(c)为半导体功率开关的IGCT等效示意图。

图7(a)、(b)、(c)是轨道电阻模拟系统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7(a)为两个逆阻性IGBT反并联的等效示意图；图7(b)为两个带反并联二极管的IGBT反串联的等效示意图；图7(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还可以包括继电器等非电力电子开关器件。

图8(a)、(b)、(c)是本发明中牵引变电所接地模块的示意图，给出了三种接地模块，其中，图8(a)为直接接地示意图；图8(b) 为非接地示意图；图8(c)为二极管接地示意图。

以非接地系统为例，图9为本方案中一列列车运行示意图。当机车6自第一直流牵引变电所3向第二直流牵引变电所4运行时，如图 9(a)所示，系统基本单元I中开关S₁₁闭合，系统末端单元II中开关S₂₁断开，系统基本单元I中第一可变电阻模拟电路I>

当系统基本单元I中第一可变电阻模拟电路I 711的阻值增加到r，系统基本单元I中第二可变电阻模拟电路I 712的阻值减小到0时，如图9(b)所示，断开开关S₁₁，闭合开关S₂₁，此时控制系统末端单元II中第一可变电阻模拟电路II>

当系统末端单元II中第一可变电阻模拟电路II 721的阻值增加到 r，系统末端单元II中第二可变电阻模拟电路II 722的阻值减小到0 时，即等效于机车6运行至第二直流牵引变电所4。

其中：第一直流牵引变电所3与第二直流牵引变电所4之间的距离为l，系统基本单元I的第三接线端子103为距离第一直流牵引变电所3的l/2处。

图10为模拟机车6匀速运行时简化型轨道电阻模拟系统中各单元中可变电阻模拟电路的等效阻值变化曲线。

闭合开关S₁₁，断开开关S₂₁，系统基本单元I中第一可变电阻模拟电路I>

当系统基本单元I中第一可变电阻模拟电路I 711的阻值线性增加到r，系统基本单元I中第二可变电阻模拟电路I 712的阻值线性减小到0时，断开开关S₁₁，闭合开关S₂₁，此时控制系统末端单元II>

当系统末端单元II中第一可变电阻模拟电路II 721的阻值线性增加到r，系统末端单元II中第二可变电阻模拟电路II 722的阻值线性减小到0时，即等效于机车6运行至第二直流牵引变电所4。

图11为插入n个系统基本单元I₁，I₂，……I_n-1，I_n的简化型轨道电阻模拟系统机构示意图。其中包括：

n个系统基本单元I₁，I₂，……I_n-1，I_n，一个系统末端单元II。

n个系统基本单元I₁，I₂，……I_n-1，I_n的第一接线端子111，121，……，>1的第三接线端子113与系统第二基本单元I₂的第二接线端子122相连，系统第二基本单元I₂的第三接线端子123与系统第三基本单元I₃的第二接线端子132相连，…….，系统第n基本单元I_n的第三接线端子1n3与系统末端单元II的第二接线端子202相连；系统第一基本单元I₁的第四接线端子114、系统第二基本单元I₂的第四接线端子124、……、系统第n基本单元I_n的第四接线端子1n4分别接地；系统第一基本单元I₁的第二接线端子>1，第二直流牵引变电所4的负极端402连接到接地模块G₂，第一直流牵引变电所3>

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。

本说明书中未作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。