一种钢轨电位限制装置操作过电压抑制电路及方法

摘要

本发明公开了一种钢轨电位限制装置操作过电压抑制电路及方法，所述抑制电路由吸能电阻及旁路接触器串联而成，且并联在现有城市轨道交通牵引供电系统中的钢轨电位限制装置的主接触器主回路断口两端或跨接于现有城市轨道交通牵引供电系统中的走行钢轨与地网之间。所述抑制方法主要利用钢轨电位限制装置主接触器先合先分，旁路接触器后合后分的控制策略，来实现主接触器承载合闸冲击电流，旁路接触器切断缓冲支路电流限制操作过电压的目的。本发明的优点是：在稳定有效的抑制钢轨电位限制装置操作过电压的同时不牺牲安全性，保留钢轨与地网的安全物理隔离断口。

说明书

技术领域

本发明涉及轨道交通钢轨电位限制领域，具体的说是涉及一种钢轨电位限制装置操作过电压抑制电路及方法。

背景技术

在现有的城市轨道交通牵引供电系统中，如图2所示，一般电流会从地铁直流牵引供电系统的电源1中流入接触网或者受流轨2，然后经过列车受流器或者受电弓(图中未示出)流入列车内部牵引供电系统，最后再经列车走行钢轨4回流至地铁直流牵引供电系统电源1中；其中，由于走行钢轨4对地存在寄生电容、过渡电阻及其本身存在较大内阻及电感，而且走行钢轨4对地电位会随其中流入的电流的增大而增大，为了保障城市轨道交通牵引供电系统的运行安全以及工作人员、乘客的人生安全，需要在地铁线路车站变电所、停车场、车辆检修段的列车走行钢轨4与地网5之间均设置有钢轨电位限制装置6(以下简称：OVPD)。在地铁车辆正常运行时，OVPD处于断开状态(即钢轨与地网处于断开)，当钢轨电位超过设定保护动作值时，OVPD将闭合(即列车走行钢轨与地网接通)瞬速降低钢轨电位。

目前，OVPD的电压保护普遍采用三段式，即Ⅰ段(U＞)为：当轨地电压达到保护阀值电压U1，经延时时间T1后，OVPD保护动作，OVPD 中的主接触器K1闭合，其中，U1根据应用场景不同，一般有60V/90V/120V 三种取值情况；Ⅱ段(U＞＞)为：当轨地电压达到保护阀值电压U2，OVPD 无延时直接保护动作，且OVPD中的主接触器K1闭合，其中U2一般取值为150V；Ⅲ段(U＞＞＞)为：当轨地电压达到保护阀值电压U3，OVPD 内晶闸管VT快速导通拉低轨地电压，并闭合主接触器K1，其中U3一般取值为600V。

OVPD在运行中，Ⅰ段动作后复位时，其中的主接触器K1将带载分断，当分断产生的操作过电压在大于Ⅱ段保护阀值电压U2时，将会触发相邻站Ⅱ段保护动作，而此类问题在现有的地铁运营中发生的极为频繁，这极大的增加了运营难度与工作量，同时还增大了杂散电流的泄露。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钢轨电位限制装置操作过电压抑制电路及方法，用于克服背景技术中所存在的问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种钢轨电位限制装置操作过电压抑制电路，包含由吸能电阻及旁路接触器串联而成的电阻型缓冲支路，使用时，所述电阻型缓冲支路并接在现有城市轨道交通牵引供电系统中的钢轨电位限制装置的主接触器主回路断口两端或跨接于现有城市轨道交通牵引供电系统中的走行钢轨与地网之间。

上述技术方案中，所述旁路接触器包含旁路接触器主触点及旁路接触器线圈；使用时，旁路接触器的旁路接触器主触点与吸能电阻串接后并接在钢轨电位限制装置的主接触器主回路断口两端或跨接于现有城市轨道交通牵引供电系统中的走行钢轨与地网之间，旁路接触器的旁路接触器线圈与主接触器的辅助触点串接后并接于主接触器的线圈与合闸开关的两端。

上述技术方案中，所述吸能电阻的电阻值为0.5Ω～10Ω。

上述技术方案中，所述旁路接触器为直流接触器。

一种钢轨电位限制装置操作过电压抑制方法，包含如下步骤：

S1、将上述电阻型缓冲支路并联在现有城市轨道交通牵引供电系统中的钢轨电位限制装置的主接触器主回路断口两端或跨接于现有城市轨道交通牵引供电系统中的走行钢轨与地网之间，并让主接触器的辅助触点连锁控制电阻型缓冲支路中旁路接触器的线圈；

S2、将现有城市轨道交通牵引供电系统中的钢轨电位限制装置中主接触器的合闸开关合上，让主接触器的线圈得电，使主接触器的主回路开始动作，并经过t1时间后，让主接触器的辅助触点闭合，使电阻型缓冲支路中旁路接触器的线圈得电，然后再经t2时间后，让主接触器的主回路优先导通并承载系统合闸冲击电流，随后再经t3时间后，让旁路接触器的主触点导通，建立起电阻型缓冲支路通路，为分闸缓冲过程的实施创造先决条件；

S3、当现有城市轨道交通牵引供电系统中的钢轨电位限制装置需要执行保护动作时，将其主接触器的合闸开关断开，让主接触器的线圈失电，使主接触器的主回路开始动作，并经过t4时间后，让主接触器的辅助触点断开，使电阻型缓冲支路中旁路接触器的线圈失电，然后再经t5时间后，让主接触器的主回路动、静触头优先分离，产生电弧，同时将主回路电流向电阻型缓冲支路转移，随后经t6时间后，让电阻型缓冲支路的主触点分断，使主接触器的主回路完全断开，形成物理隔离断口。

上述方法中，所述t1与t2之和为主接触器合闸时间，其取值范围为 15ms～60ms；

所述t2为主接触器合闸过程的辅助触点与主触点的转换时间差，其取值范围为5ms～20ms；

所述t2与t3之和为旁路接触器的合闸时间，其中t3取值不小于10ms。

上述方法中，所述t4与t5之和为主接触器分闸时间，其取值范围为 50ms～80ms；

所述t5为主接触器分闸过程的辅助触点与主触点的转换时间差，其取值范围为5ms～20ms；

所述t6为主接触器与旁路接触器分断的时间差，其取得范围为10ms～ 50ms。

与现有技术相比，本发明的优点是：1)抑制效果得到明显改善，可将原有的150V～200V过电压抑制到70V～100V，从而稳定有效的规避了邻站OVPD的Ⅱ段保护联跳；2)与常见的阻容吸收方案相比，采用本发明时，钢轨与地网的安全物理隔离断口依然存在，在有效解决问题的同时还不牺牲安全性。

附图说明

图1为本发明钢轨电位限制装置操作过电压抑制电路的结构示意图；

图2为本发明钢轨电位限制装置操作过电压抑制电路的一种具体应用实施例；

图3为本发明钢轨电位限制装置操作过电压抑制电路的另一种具体应用实施例；

图4为第一种应用实例中操作过电压抑制电路的控制原理图；

图5为第二种应用实例中操作过电压抑制电路的控制原理图；

图6为第一种或第二种应用实例中操作过电压抑制电路的控制时序图；

附图标记说明：1、电源；2、接触网或者受流轨；3、列车内部牵引供电系统等效电路；4、走行钢轨；5、地网；6、钢轨电位限制装置；6.1、主接触器；6.2、晶闸管；6.3、电流表；6.4、电压表；7、电阻型缓冲支路； 7.1、吸能电阻；7.2、旁路接触器；

图5中：100表示钢轨电位限制装置闭合过程的动作时序图；200表示钢轨电位限制装置断开过程的动作时序图；K1表示主接触器合闸开关的动作时序；K2表示主接触器的辅助触点动作时序；K3表示主接触器的主触点动作时序；K4表示旁路接触器的主触点动作时序。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实施方式，进一步阐述本发明是如何实施的。

参阅图1所示，本发明提供的一种钢轨电位限制装置操作过电压抑制电路，包含由吸能电阻7.1及旁路接触器7.2串联而成的电阻型缓冲支路7；其中，吸能电阻7.1的电阻值为0.5Ω～10Ω；旁路接触器7.2为直流接触器。

根据实际设计需要，本发明提供的钢轨电位限制装置操作过电压抑制电路，参阅图2和图3所示，在使用时，可以并接在现有城市轨道交通牵引供电系统中的钢轨电位限制装置6的主接触器6.1主回路断口两端，也可以跨接于现有城市轨道交通牵引供电系统中的走行钢轨4与地网5之间。

具体的说，在本发明中，旁路接触器7.2包含旁路接触器主触点7.2a 及旁路接触器线圈7.2b；使用时，旁路接触器7.2的旁路接触器主触点7.2a 与吸能电阻7.1串接后并接在钢轨电位限制装置6的主接触器6.1主回路断口两端或跨接于现有城市轨道交通牵引供电系统中的走行钢轨4与地网5 之间，旁路接触器7.2的旁路接触器线圈7.2b与主接触器6.1的辅助触点 6.1b串接后并接与主接触器6.1的线圈6.1c与钢轨电位限制装置6的合闸开关6.1d的两端。

具体的说，在本发明中，钢轨电位限制装置6为现有技术，其电路结构可以参阅图2至图4所示，其具体由OVPD主电路组成和OVPD控制电路组成，其中，OVPD主电路具体由主接触器6.1的主触点6.1a、晶闸管6.2、电流表6.3及电压表6.4组成；OVPD控制电路具体由主接触器6.1的辅助触点6.1b、主接触器6.1的线圈6.1c及合闸开关6.1d组成；

其中，主接触器6.1的主接触点6.1a与晶闸管6.2并联在一起，晶闸管 6.2与电流表6.3串联在一起，并跨接于走行钢轨4与地网5之间，电压表 6.4跨接在走行钢轨4与晶闸管6.2上；主接触器6.1的线圈6.1c与合闸开关6.5串接，主接触器6.1的辅助触点6.1b并接在主接触器6.1的线圈6.1c 与合闸开关6.1d的两端。

参阅图2和图4所示，为本发明提供的钢轨电位限制装置操作过电压抑制电路第一种具有实施例，即将由吸能电阻7.1及旁路接触器7.2串联而成的电阻型缓冲支路7并接在现有城市轨道交通牵引供电系统中的钢轨电位限制装置6的主接触器6.1主回路断口两端。

在本实施例1下，该电阻型缓冲支路7与钢轨电位限制装置6的主接触器6.1具体的电路连接的方式为：电阻型缓冲支路7中旁路接触器7.2的线圈7.2b与钢轨电位限制装置6中主接触器6.1的辅助触点6.1b串接后并接在钢轨电位限制装置6中主接触器6.1的线圈6.1c与合闸开关6.1d的两端，旁路接触器7.2的主触点7.2a与吸能电阻7.1串接后并接在主接触器 6.1的主触点6.1a两端；这样设计的目的是：可以通过主接触器6.1的辅助触点6.1b来连锁控制电阻型缓冲支路7中旁路接触器7.2的线圈7.2b接通或断开，从而实现主接触器6.1的主触点6.1a闭合时旁路接触器7的主触点7.2a也闭合，主接触器的主触点6.1a断开时旁路接触器7的主触点7.2a 也断开。

在本实施例1中，当钢轨电位限制装置6的主回路分断时，本发明提供的钢轨电位限制装置操作过电压抑制电路，其主要有如下两个作用过程：

过程一：OVPD主回路电流由主接触器6.1转移至由旁路接触器7.2与吸能电阻7.1构成的电阻型缓冲支路7，减弱回路的电流变化率，即有效限制回路感性元件的反电动势；

过程二：由吸能电阻7.1快速耗散列车内部牵引供电系统等效电路3及列车走行钢轨4中电感存储的能量，从而进一步降低旁路接触器7.2在分断时的电流变化率，在达到限制操作过电压的目的同时，将列车走行钢轨4 与地网5安全有效隔离。

参阅图3和图5所示，为本发明提供的的钢轨电位限制装置操作过电压抑制电路第二种具有实施例，即将由吸能电阻7.1及旁路接触器7.2串联而成的电阻型缓冲支路7跨接于现有城市轨道交通牵引供电系统中的走行钢轨4与地网5之间。

在本实施例2下，该电阻型缓冲支路7与走行钢轨4与地网5具体的电路连接的方式为：电阻型缓冲支路7中旁路接触器7.2的线圈7.2b与钢轨电位限制装置6中主接触器6.1的辅助触点6.1b串接后并接在钢轨电位限制装置6中主接触器6.1的线圈6.1c与合闸开关6.1d的两端，旁路接触器7.2的主触点7.2a与吸能电阻7.1串接后并接在走行钢轨4与地网5之间。

本发明提供的一种钢轨电位限制装置操作过电压抑制方法，其是基于上述电阻型缓冲支路7实现的，其包含如下步骤：

S1、将电阻型缓冲支路7并联在现有城市轨道交通牵引供电系统中的钢轨电位限制装置6的主接触器6.1主回路断口两端或跨接于现有城市轨道交通牵引供电系统中的走行钢轨4与地网5之间，并让主接触器6.1的辅助触点连锁控制电阻型缓冲支路7中旁路接触器7.2的线圈，参阅图2至图5 所示；

S2、将现有城市轨道交通牵引供电系统中的钢轨电位限制装置6的主接触器6.1的合闸开关合上，让主接触器6.1的线圈得电，使主接触器6.1 的主回路开始动作，并经过t1时间后，让主接触器6.1的辅助触点闭合，使电阻型缓冲支路7中旁路接触器7.2的线圈得电，然后再经t2时间后，让主接触器6.1的主回路优先导通并承载系统合闸冲击电流，随后再经t3 时间后，让旁路接触器7.2的主触点导通，建立起电阻型缓冲支路通路，为分闸缓冲过程的实施创造先决条件，参阅图3至图6所示；

S3、当现有城市轨道交通牵引供电系统中的钢轨电位限制装置6需要执行保护动作时，将其主接触器6.1的合闸开关断开，让主接触器6.1的线圈失电，使主接触器6.1的主回路开始动作，并经过t4时间后，让主接触器6.1的辅助触点断开，使电阻型缓冲支路7中旁路接触器7.2的线圈失电，然后再经t5时间后，让主接触器6.1的主回路动、静触头优先分离，产生电弧，同时将主回路电流向电阻型缓冲支路7转移，随后经t6时间后，让电阻型缓冲支路7的主触点分断，使主接触器6.1的主回路完全断开，形成物理隔离断口，参阅图3至图6所示；

具体的说，上述抑制方法中，t1与t2之和为主接触器6.1的合闸时间，其取值范围优选为15ms～60ms；其中，t2为主接触器6.1合闸过程的辅助触点与主触点的转换时间差，其取值范围优选为5ms～20ms；

具体的说，上述抑制方法中，t2与t3之和为旁路接触器7.2的合闸时间，为了确保主接触器6.1稳定可靠的优先接触，其中t3取值不小于10ms。

具体的说，上述抑制方法中，t4与t5之和为主接触器6.1的分闸时间，其取值范围优选为50ms～80ms；其中，t5为主接触器6.1分闸过程的辅助触点与主触点的转换时间差，其取值与t2基本相同，优选为5ms～20ms。

具体的说，上述抑制方法中，t6为主接触器6.1与旁路接触器7.2分断的时间差，其为本发明抑制方法最为关键部分，若时间过短，将无法发挥电流缓冲抑制操作过电压效果，若时间过长将急剧增加吸能电阻的功率需求，影响装置体积；因此，从可靠性、经济性及安全性等方面综合考虑，经过多次试验证明，t6取值范围优选为10ms～50ms。

最后说明，以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。