一种燃弧过电压与过分相VCB操作过电压抑制方法

一种燃弧过电压与过分相vcb操作过电压抑制方法
技术领域
1.本发明属于电气化轨道交通领域，具体涉及一种燃弧过电压与过分相vcb操作过电压抑制方法。


背景技术：

2.由于高速铁路供电系统采用分相供电方式，在实际运营中，为了避免带载过分相问题，车载真空断路器(vcb)会进行频繁的开断、分合操作。在vcb操作过程中，牵引供电回路中的电容和电感元件存储的磁场和电能会迅速相互转化，形成电磁振荡，导致在牵引供电回路中出现数倍于额定电压的操作过电压冲击。当断路器操作时，一方面，由于牵引供电系统的高压部件处于工作状态，操作过电压会在牵引系统中传播，导致与断路器有电气联接的高压部件上遭受操作过电压的冲击，加速车顶高压部件的绝缘老化，严重时甚至导致绝缘闪络、击穿等问题。另一方面，当车载vcb断路器操作时，操作过电压会通过高压电缆的接地、高压设备的分布电容等途径，耦合到车体上，形成高幅值的浪涌过电压，由于车体是车载弱电设备的公共地，因此车体浪涌过电压会影响车载速度传感器、烟雾报警器等弱电设备的正常工作，严重时甚至导致通信控制系统紊乱，对高速动车组的安全稳定运行带来巨大隐患。过分相期间，如果过电流在工作接地集中泄放，将会对接地碳刷等接地设备造成影响，增加维护成本，所以使接地电流均匀分布以及防止电路结构变化导致的过电压过电流对牵引变压器的冲击防护显得十分重要。
3.为了实现钢轨强弱电信号的传输、分离，在钢轨上每隔1.5km左右设置绝缘节将相邻轨段隔离，实现列车占位信号稳定、可靠地传输，又通过扼流变压器将各绝缘节两端隔离轨段连通保障接地回流畅通。为了适应我国线路工况，我国高速列车采用多轮对分散移动接地方式，与国外集中接地方式不同。在运营过程中，接地轮对过绝缘节时出现了“车-轨”移动接地回流异常，造成“轮-轨”间滚动燃弧频发，电弧导致绝缘节烧蚀、碳化，引起轨道电路串接、串码、车辆占位信号误传等故障，致使线路运行控制出现误判，严重威胁行车安全。由于工作接地电流往往总和大于300a，所以，如果仅有工作接地泄放牵引电流，往往在过绝缘节时会产生强度较大的燃弧，对绝缘节产生损坏、造成列车占位信号出现故障从而影响列车线路的正常运营。由于我国电气化客运列车的发展十分迅速，从而使得其运行速度以及运行密度越来越大，这种情况下频繁的过绝缘节燃弧现象以及过分相操作vcb导致的过电流过电压冲击将会使得对于列车运行设备维护成本越来越大，在资源有限的情况下就越容易引发由于检修不及时等造成的相关安全问题。针对上述现象，利用当前列车的atp自动过分相系统的操作逻辑，结合无线传感通信技术在列车过绝缘节和过分相前通过rbc以及地面应答器向车辆发送预准备信号，列车通过信号以及车辆行驶状况判断即将进入的工况，从而选择相应的执行逻辑。列车接收到地面传感器发送的操作信号后根据行驶情况选择合适相位执行切换接地方式，将牵引电流通过前后车的非泄流通道泄流，同时检测牵引变压器输出端的电流信号，如果存在由于电路结构切换导致的过电流，那么将会导通牵引变压器末端避雷器的连接，防止过电流冲击到变压器，在列车电流平稳且通过相应工况后，
列车在接收到相应地面位置信号后执行分闸操作，使行驶恢复正常，极大限度的减少了设备的维护成本并降低了工况下的安全风险，提高了列车行驶的安全性和稳定性。


技术实现要素：

4.针对当前高频次的过绝缘节时轮轨电弧所产生的过电压过电流以及列车过分相时vcb操作产生的过电压过电流，为防止在过绝缘节时产生强度较大的燃弧，对绝缘节产生损坏、造成列车占位信号出现故障从而影响列车线路的正常运营以及过分相时vcb操作及电路结构改变所导致的过电压过电流对接地碳刷等接地设备造成的损耗，减小线路设备维护成本，提高列车运行的安全性、稳定性和可靠性，本发明提供了一种燃弧过电压与过分相vcb操作过电压抑制方法。
5.本发明依托于现有的atp自动过分相系统操作逻辑，在列车过绝缘节或过分相前，向车载atp控制系统发送预准备信号，列车根据相应信号发出不同工况的使能信号并同时开始接收下一位置地面传感器所发送的操作位置信号，接收到操作位置信号后列车根据atp系统读取到的列车速度等运行信息选取合适的相位更换列车的接地方式，防护列车在通过绝缘节或过分相操作vcb操作时产生的过电流过电压导致的燃弧或设备冲击等现象，在列车通过绝缘节或电分相区间后在接收到地面分闸信号后恢复原有接地方式，列车恢复正常运行。
6.本发明的一种燃弧过电压与过分相vcb操作过电压抑制方法，在列车在过分相或过绝缘节前不同位置安装地面应答器。当列车在过绝缘节或过分相vcb操作前，rbc无线闭塞中心发送预告信号，列车通过车顶天线系统接收预告信号并结合地面应答器发出的地面位置信号判断列车所处的工况、向plc控制系统发送相应工况下的操作使能信号，并同时开始实时读取列车的行驶信息以及牵引电流电压的相位，开始计算列车通过工况时最佳的闭合时间。
7.在列车执行预准备操作之后，地面信号接收器开始接收地面应答器所发来的操作位置信号，在接收到地面应答器所发来的操作位置信号后，根据预准备阶段计算出的最佳闭合时间向plc控制系统发送切换使能信号，plc系统在处理后向dac0832数模转换电路发出控制信号，经其转换为模拟量电流信号，送至继电器驱动电路使相应开关闭合以此导通前后车的泄流通道。
8.列车接地方式更改的同时发出控制信号导通变压器末端与避雷器相连的继电器驱动电路对过电流进行泄放，降低由于电路结构发生变化产生的电流振荡对于牵引变压器的冲击影响，以及降低后续行程中产生的过电流对于牵引变压器的冲击影响。
9.在牵引变压器末端避雷器导通的同时向plc控制系统发送分闸允许信号，在分闸允许信号发出后列车的地面应答器开始接收列车地面分闸信号，只有同时接收到分闸允许信号以及地面分闸信号之后plc控制系统才会发出开始执行预分闸操作。
10.列车开始执行预分闸操作时将会读取通过atp系统检测到的列车行驶信息以及牵引电流电压相位信息，开始通过变压器末端的电流互感器检测变压器末端的过电流信号，如果没有检测到过电流信号，则由plc控制系统发送控制信号至控制信号断开变压器末端与避雷器相连的继电器驱动电路，以延长避雷器的适用寿命，减小维护成本，同时列车恢复正常运行，开始检测下一处工况的预准备信号。
11.本发明的地面应答器是在atp自动过分相系统ctcs-2等级下，于过分相前向车辆发送过分相区间的相应信息的设备，而在ctcs-3等级下，过分相的区间信息由无线闭塞中心通过车顶的天线系统发送至列车。
12.列车在进入相应工况之前，会接收到来自rbc和第一个地面应答器的信号，rbc的信号会将相应工况路段到列车的距离和路况长度等信息发送至列车，由于rbc发送的信号相较于地面应答器的信号覆盖范围更大，所以当列车即将到达工况路段前将先接收到来自rbc的信号，此时列车同步开始通过速度传感器等设备实时监测列车的实时行车信息，当列车到达第一个地面应答器相应位置的时候，接收到地面应答器的信号，此时列车根据该信号判断前方工况所属类型并结合提前开始采集的列车速度信息、牵引电流电压相位信息等计算出列车到达工况前最佳的开关闭合时间。当列车接收到来自第二个地面应答器发出的操作信号的时候，根据在预准备阶段计算出的最佳闭合时间向列车的plc控制系统发送闭合控制使能信号，该信号经数模转换以及放大驱动电路后使继电器所控制的开关闭合，从而导通前后车的泄流通道，对轮轨电弧以及车载接地设备进行相应的过电压过电流防护。
13.在列车接收到第二个地面应答器的信号后，plc控制系统发出控制信号，控制与牵引变压器末端相连的避雷器导通，以防止由于接地系统电路结构变化而产生的振荡过电压过电流对列车牵引变压器的影响。为避免由于避雷器未能成功开启所导致列车在通过工况后开闸所产生的过电压过电流对牵引变压器的影响，在避雷器导通后将会向plc控制系统发送开闸允许信号。列车在通过工况路段后接收到第三个地面应答器所传来的开闸操作信号，并同时根据行车信息选择最佳的切断时间进行切断，切断后通过实时监测变压器末端的实时电流情况，在电流恢复正常后断开牵引变压器末端与避雷器之间的连接，延长该避雷器的使用寿命，减小维护成本，列车进入正常运行模式。
14.本发明的有益技术效果为：
15.1、本发明针对列车过绝缘节时由于较大的大牵引电流切断以及绝缘节两侧的电位差所导致轮轨拉弧现象进行了针对性的防护。以往针对列车过绝缘节时产生的轮轨燃弧现象主要集中于站内的防护，在列车运行线路上的相关防护措施为欠缺，而随着电气化铁路网络密集程度和列车行驶速率的不断提升，列车在线路上行驶过程中过绝缘节时产生的燃弧现象会对列车的接地系统及接地碳刷等产生负面影响并加速其老化的进程，并造成列车占位信号出现故障从而影响列车线路的正常运营，严重时由于燃弧所产生过电压会冲击到列车的车载设备以及牵引变压器，严重危害列车的行驶安全。本发明有效地通过更改列车接地方式的方法减小了工作接地轮对的泄放电流，抑制了由于工作接地轮对大电流所产生的燃弧现象对于列车的影响，提高了列车运行的稳定性与可靠性。
16.2、本发明的燃弧以及过电压过电流防护技术，采用了两种不同的无线信号传输模式，相较于单一种类的信号传输模式，增加了由于一种信号传递模式出现故障时所导致的设备错误执行的问题。现有的atp自动过分相技术地面应答器和rbc分别使用于不同的操作等级，本发明将两种设备相结合，利用rbc信号覆盖范围广的特点对列车提前预告，为提前操作留出更加充分的准备时间，并利用地面应答器小范围内定位更加准确的特点，向列车发送信号，两种信号相结合使列车在进行操作之前有更多的准备计算时间，避免由于准备计算不足而导致列车在不恰当的时间改变列车的电路结构从而导致过电流过电压对车载设备的冲击。相较于传统的通讯方式，本发明大大提高了操作的准确性和安全性。
17.3、本发明在变压器末端设置了与由plc控制系统控制的驱动继电器电路相连接的避雷器，针对操作列车改变接地方式时产生的过电压及过电流对牵引变压器的冲击的防护，目前相关研究对于更换接地方式后产生的对于牵引变压器过电压过电流冲击的防护较为缺乏，在更换接地方式时电路中的电容和电感等储能元件等会在牵引供电回路中产生高频振荡，从而产生过电压过电流，如果处置不当会对牵引变压器产生冲击影响列车的正常行驶，更严重的情况还会通过接触网传导从而影响到其他的列车行驶造成巨大损失，采用本发明的防护措施可以有效避免上述情况所存在安全隐患。同时随着我国电气化铁路网密度的增大，设备的维护成本也大大提升，如果不对变压器末端避雷器采取相应控制导通措施，会造成高密度的列车运行网络产生高额的维护成本，采用特殊工况控制措施能够有效降低设备老化和损坏程度并提高了列车运行时的安全性和稳定性。
18.4、本发明采用plc控制系统进行防护操作的控制，相较于简单的单片机控制系统，plc控制系统虽然成本相对较高但是针对，不同场景工况可以有更加灵活的功能调整，plc就更注重于工业应用，对于防干扰、设备接口、联网、模块化都有完善的技术支撑，使用方便简单，开发设计周期短。组明显的优势在于在电气化铁路这种电磁环境十分恶劣的地方，plc相较于单片机拥有更强的抗干扰能力，因此采用plc系统进行控制操作能够提高防护措施的精准度和可靠度。
附图说明
19.图1为列车过分相及过绝缘节燃弧示意图。
20.图2为列车主要高压及atp过分相控制设备示意图。
21.图3为列车抑制过分相过电压过电流及过绝缘节燃弧功能流程图。
22.图4为列车抑制过分相过电压过电流及过绝缘节燃弧系统硬件示意图。
23.图5为列车抑制过分相过电压过电流及过绝缘节燃弧控制流程图。
24.图6为列车接地方式更改牵引电流泄放示意图。
25.附图标号释义：1-牵引变电所、2-扼流变压器、3-吸上线、4-接触网、5-牵引电机、6-过分相燃弧、7-受电弓、8-牵引变压器、9-钢轨、10-牵引电流泄放、11-回流线、12-牵引回流、13-牵引变流器、14-绝缘节、15-过绝缘节轮轨燃弧、16-中性段、17-电流互感器、18-电压互感器、19-真空断路器、20-车辆管理单元、21-执行过分相装置、22-绝缘子、23-车顶避雷器、24-车载atp设备、25-车顶天线系统、26-rbc无线闭塞中心天线、27-地面应答器、28-速度传感器、29-地面信号接收器、30-plc控制系统、31-继电器开关驱动电路、32-dac0832数模转换模块、33-接地方式切换防过电流冲击避雷器、34-接地方式切换预准备地面应答器、35-接地方式切换地面应答器、36-地面分闸信号发生器、37-预准备操作模块、38-操作控制执行模块、39-电流冲击防护模块。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步的详细说明。
27.列车过分相和过绝缘节的运行工况图如图1所示，车顶主要高压设备如图2所示，列车通过受电弓7从接触网4中获取电能，该电能来自牵引变电所1，并且通过车顶的电流互感器17、电压互感器18、车顶避雷器23和真空短路器19等设备流入牵引变压器8最后通过工
作接地进行牵引电流泄放10至钢轨，最后回流回牵引变电站。牵引电流经过牵引变压器8降压后，经过二次侧的牵引变流器整流、滤波和逆变后，向牵引电机5提供电能驱动列车的运动。为了将牵引回流12回馈至牵引变电所1，另一方面为车辆轨道占用信号传输提供闭合的通路。钢轨9每隔一段距离利用绝缘节14将通信信号隔离，再通过扼流变压器2将通讯信号和牵引回流12分开，利用吸上线3将牵引回流输送至回流线保证每段轨道牵引回路的畅通。列车在通过结缘节时由于牵引电流的切断和绝缘节两侧电位差的缘故会产生过绝缘节轮轨燃弧15。由于中性段16需要对a、b两相邻的供电臂进行电器隔离，防止发生相间短路等情况，电力机车在经过电分相的时候将断开真空断路器19，避免过电压对列车的车载设备造成冲击损害，在列车通过电分相期间由于残压和接触网上电压叠加作用或电路结构改变所导致的电容和电阻等储能元件发生高频振荡将会引发过分相燃弧6，从而产生过电压和过电流。
28.本发明的一种燃弧过电压与过分相vcb操作过电压抑制方法，其系统如图4所示，由以下几个部分组成：列车进入工况前的预告信号传输装置由rbc无线闭塞中心天线26、接地方式切换预准备地面应答器34、地面信号接收器29、车顶天线系统25组成，列车防护措施控制监测装置由车载atp设备24、接地方式切换地面应答器35、地面分闸信号发生器36组成，列车控制信号传输装置由plc控制系统30、dac0832数模转换模块32、继电器开关驱动电路31组成。其中rbc线闭塞中心天线26用于传输相应工况路段到列车的距离和路况长度等信息，接地方式切换预准备地面应答器34用于列车判断前方工况所属类型并结合提前开始采集的列车速度信息、牵引电流电压相位信息等计算出列车到达工况前最佳的开关闭合时间，地面信号接收器29用于接收接地方式切换预准备地面应答器34发送的信号，车顶天线系统25用于接收来自rbc的信号，车载atp设备24在控制模式下时，根据相应的操作逻辑，接收到rbc和地面应答器的工况区间信息信号，将实时监控列车的位置信息以及通过速度传感器28实时监控列车的速度信息，接地方式切换地面应答器35用于向列车发送接地方式切换的允许信号，列车在接收到允许讯号后根据atp系统监控的位置信息和速度信息计算出的最佳切换时间进行接地方式的切换。plc控制系统30用于根据atp系统发出的使能信号发出控制信号控制继电器开关的关断；dac0832数模转换模块32用于将plc控制系统输出的数字量控制信号转换为模拟量电流信号；继电器开关驱动电路31用于将模拟量电流信号放大为适应于继电器电路的电流信号，并使继电器驱动开关的关断从而控制牵引电流的泄放通道切换。
29.本发明的一种燃弧过电压与过分相vcb操作过电压抑制方法功能流程如图3所示，具体工作方式如图5所示，当列车即将进入相应工况区间前，会通过车顶天线系统25接收来自rbc无线闭塞天线传输26的工况区间长度、距离等信息，此时车载atp设备24开始实时监测车辆的位置信息并根据速度传感器28获取行驶速度信息，当地面信号接收器29接收到来自接地方式切换预准备地面应答器34的信号后将判断出列车的前方工况的种类并计算出切换列车接地方式的最佳时间；再列车接收到来自接地方式切换地面应答器35的信号后，将根据预准备阶段计算出的最佳切换时间由车载plc控制系统30向dac0832数模转换模块32发出片选控制牵引电流的继电器驱动电路的模拟量控制信号，dac0832数模转换模块32会根据plc发出的片选信号，从与相应区域的继电器开关驱动电路相连的dac0832数模转换芯片发出转换出的模拟量电流信号，继电器开关驱动电路31接收到控制信号后，当输入高
电平时npn三极管饱和导通，继电器线圈通电，触点吸合开关闭合，此时牵引电流泄放通道于前后车连通，工作接地牵引电流幅值减小。在列车接收到来自接地方式切换地面应答器35的信号的同时，在延迟一段时间后plc会以同样的方式控制与变压器末端相连的控制避雷器33通断的继电器开关驱动电路31导通，由于接地方式切换而导致的电路中电感电容等储能原件发生的高频振荡而产生的过电流变能通过该装置进行泄放，牵引电流泄放如图6所示，从而减小对于牵引变压器的影响，在继电器驱动避雷器通路导通后会向plc控制系统30发送分闸允许信号。列车在通过相应工况区间后，经过地面信号接收器29接收到来自于地面分闸信号发生器组成36的信号，在接收到分闸允许信号的前提下，列车开始通过上述步骤进行分闸操作以恢复列车的正常接地泄流方式。同时列车开始接收来自变压器末端电流互感器17所反馈的过电流信号，当过电流信号消失后，列车将会通过plc控制系统30控制变压器末端的避雷器33通路断开，同时列车恢复正常运行。