轨道交通钢轨过渡电阻检测系统及方法与流程

本发明实施例涉及轨道交通领域，更具体地，涉及一种轨道交通钢轨过渡电阻检测系统及方法。

背景技术：

城市轨道交通直流牵引系统杂散电流可能导致道床钢筋、结构钢筋和地下金属管线等发生不同程度的腐蚀。地铁钢轨作为列车牵引回流的一部分，钢轨对地的过渡电阻偏低是产生杂散电流的主要原因。现行的相关行业标准中，对钢轨过渡电阻有明确值可以衡量钢轨对地绝缘安装的施工质量和运营线路钢轨对地的绝缘工况。但是，钢轨对地绝缘因检测方法不明确、缺少专用设备、具体方案实施困难等一系列问题，未真正意义上精确地实施这方面的测量。

过渡电阻的测试区间长达数公里，区间内不同位置处采集到的数据需要同步，电压、电流信号能否高精度采集是直接影响测试结果的关键因素。现有技术中，钢轨过渡电阻的测量方法是建立在假设均匀地网模型基础上的利用部分测量信息的理论推导计算值，其值的真实性存疑。其他的测量方法是根据标准iec62128中规定的测试方法在被测区段钢轨与线路全线钢轨电气导通的基础上测量，该方法需要通过被测区段端头处的钢轨电阻值和纵向电压从而换算出流出被测区段的电流值，其诟病是钢轨电阻值不均匀、测试信号较多、误差较大，导致不能准确测量被测区间内的泄露电流从而直接影响钢轨的过渡电阻值。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种克服上述问题的轨道交通钢轨过渡电阻检测系统及方法。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种轨道交通钢轨过渡电阻检测系统，该系统包括：钢轨绝缘节、电源、采集模块和服务器；钢轨绝缘节设置于钢轨回流处，两个钢轨绝缘节之间的钢轨为被测区段，被测区段的一端通过带有第一电动隔离开关的第一回流线连接至第一牵引变电所的负极，被测区段的另一端通过带有第二电动隔离开关的第二回流线连接至第二牵引变电所的负极；电源分别与被测区段及排流网连接，采集模块分别与被测区段及排流网连接，服务器与采集模块通信连接；电源用于在第一电动隔离开关及第二电动隔离开关断开后，向被测区段与排流网之间注入电流，以使被测区段上产生电信号；采集模块用于对被测区段中的电信号进行采集，并将电信号发送至服务器；服务器用于根据电信号计算获得钢轨的过渡电阻。

根据本发明实施例第二方面，提供了一种地铁钢轨过渡电阻检测方法，该方法包括：断开第一电动隔离开关和第二电动隔离开关；其中，钢轨绝缘节设置于钢轨回流处，两个钢轨绝缘节之间的钢轨为被测区段，被测区段的一端通过带有第一电动隔离开关的第一回流线连接至第一牵引变电所的负极，被测区段的另一端通过带有第二电动隔离开关的第二回流线连接至第二牵引变电所的负极；向被测区段与排流网之间注入电流，以使被测区段上产生电信号；采集被测区段中的电信号，并根据电信号计算获得钢轨的过渡电阻。

本发明实施例提供的轨道交通钢轨过渡电阻检测系统及方法，通过设置钢轨绝缘节和电动隔离开关能够实现被测区段的电气隔离，由于在被测区段处于电气隔离的状态下，流出被测区段的电流值为零，从而无需如现有技术一般通过被测区段端头处的钢轨电阻值和纵向电压换算出流出被测区段的电流值，从而避免了现有技术中存在的钢轨电阻值不均匀、测试信号较多及误差较大的缺陷，保证了检测获得的过渡电阻值的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的轨道交通钢轨过渡电阻检测系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的轨道交通钢轨过渡电阻检测系统原理示意图；

图3为本发明实施例提供的过渡电阻计算原理示意图；

图4为本发明实施例提供的电压采集模块的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的电流采集模块的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的物联网网络结构示意图；

图7为本发明实施例提供的轨道交通钢轨过渡电阻检测方法流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对现有技术中存在的问题，本发明实施例提供一种轨道交通钢轨过渡电阻检测系统，该检测系统可以应用在轨道交通领域，包括但不限于：地铁、轻轨、有轨电车和城际铁路，上述轨道交通均通过走行轨作为机车牵引回流路径并对钢轨绝缘有要求的交通领域，过渡电阻的测量对工程上检测钢轨对地绝缘性能从源头上防止杂散电流的产生具有重要的意义。

参见图1和图2，轨道交通钢轨过渡电阻检测系统，包括：钢轨绝缘节、电源、采集模块101和服务器102；钢轨绝缘节设置于钢轨回流处，两个钢轨绝缘节之间的钢轨为被测区段，被测区段的一端通过带有第一电动隔离开关的第一回流线连接至第一牵引变电所的负极，被测区段的另一端通过带有第二电动隔离开关的第二回流线连接至第二牵引变电所的负极；电源分别与被测区段及排流网连接，采集模块101分别与被测区段及排流网连接，服务器102与采集模块101通信连接；电源用于在第一电动隔离开关及第二电动隔离开关断开后，向被测区段与排流网之间注入电流，以使被测区段上产生电信号；采集模块101用于对被测区段中的电信号进行采集，并将电信号发送至服务器102；服务器102用于根据电信号计算获得钢轨的过渡电阻。

其中，参见图2，两个钢轨绝缘节之间的钢轨为被测区段。被测区段的两端均通过回流线连接至牵引变电所的负极。其中，被测区段的一端通过带有第一电动隔离开关s1的第一回流线回流至第一牵引变电所tss1，被测区段的另一端通过带有第二电动隔离开关s2的第二回流线连接至第二牵引变电所tss2的负极。基于此，通过设置的钢轨绝缘节和串联回流电缆中的电动隔离开关相配合(即断开电动隔离开关s1和s2)，能够实现钢轨的被测区段的电气隔离，具体可以在地铁运营的天窗期断开电动隔离开关s1和s2。在断开s1和s2后，被测区段内的钢轨实现电气隔离，此时利用电源可在被测区段与排流网之间注入电流，使被测区段上产生电信号。采集模块101采集被测区段上的电信号后，可通过网络发送至服务器102，服务器102可基于电信号计算获得过渡电阻的值。

并且，服务器102中可以根据用户的意向设定过渡电阻的标准值，当某一区间内的钢轨的过渡电阻较标准值低，服务器102可向用户自动报警，并快速上传绝缘值和被测区间的位置信息，方便快速维护和检修。

应当说明的是，由于本发明实施例是在第一电动隔离开关s1和第二电动隔离开关s2断开之后进行过渡电阻的检测，因此，此时被测区段处于电气隔离状态，流出被测区段的电流值为零。由于被测区段的电流值为零，因此无需如现有技术一般通过被测区段端头处的钢轨电阻值和纵向电压来换算出流出被测区段的电流值，从而无需测量被测区段端头处的钢轨电阻值和纵向电压值，避免了现有技术中存在的钢轨电阻值不均匀、测试信号较多及误差较大的缺陷。另外，上述电气隔离开关在正常运营期间均处于闭合工况，不会改变现有直流迁移供电系统双电供电的供电制式。

本发明实施例提供的系统，通过设置钢轨绝缘节和电动隔离开关能够实现被测区段的电气隔离，由于在被测区段处于电气隔离的状态下，流出被测区段的电流值为零，从而无需如现有技术一般通过被测区段端头处的钢轨电阻值和纵向电压换算出流出被测区段的电流值，从而避免了现有技术中存在的钢轨电阻值不均匀、测试信号较多及误差较大的缺陷，保证了检测获得的过渡电阻值的准确性。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，该系统还包括：第三电动隔离开关s3和第四电动隔离开关s4；钢轨绝缘节包括第一钢轨绝缘节df1和第二钢轨绝缘节df2，第一钢轨绝缘节df1与第二钢轨绝缘节df2之间的钢轨为被测区段；第一钢轨绝缘节df1的一端与第一正常钢轨的一端连接，第一钢轨绝缘节df1的另一端与被测区段连接，第一正常钢轨的一端通过带有第三电动隔离开关s3的回流线连接至第一牵引变电所tss1的负极；第二钢轨绝缘节df2的一端与第二正常钢轨的一端连接，第二钢轨绝缘节df2的另一端与被测区段连接，第二正常钢轨的一端通过带有第四电动隔离开关s4的回流线连接至第二牵引变电所tss2的负极。其中，正常钢轨即为不处于被测区段内的钢轨，例如参见图2，第一正常钢轨为位于第一钢轨绝缘节df1左侧的钢轨，第二正常钢轨为位于第二钢轨绝缘节df2右侧的钢轨。具体地，通过设置第三隔离开关s3和第四隔离开关s4，能够对正常钢轨进行电气隔离的控制。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，该系统还包括：物联网模块，物联网模块分别与采集模块101及服务器102连接；物联网模块用于将采集模块101采集获得的电信号发送至服务器102。

其中，近年来，物联网技术已经在远程医疗、安全生产、智能家居、智能交通、农业、食品安全等方面得到广泛应用，因此，进行基于物联网平台、高效的智能管理系统开发一种过渡电阻离线检测系统具有重要意义。具体地，本发明实施例提供的检测系统是基于物联网技术构建的。其中，物联网模块即iot设备，能够支持3g/4g或其他的通信方式。物联网模块能将多个采集模块101采集获得的电信号汇总后发送至服务器102进行统一处理。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，采集模块101包括：电压采集模块和电流采集模块，相应地，电信号包括电压信号和电流信号；电压采集模块用于采集电压信号，电压信号包括，电流注入点钢轨对排流网的电压以及被测区段的末端钢轨对排流网的电压；电流采集模块用于采集电流信号，电流信号包括，电源注入电流。

具体地，参见图3，服务器102具体可通过如下公式基于电信号计算获得钢轨的过渡电阻：

式中，

rrt为单位长度的钢轨的过渡电阻，单位ω*km；

i为电流源注入电流，单位a；

urt为电流注入点钢轨对排流网的电压，单位v；

urtl和urtb为被测区段的末端钢轨对排流网的电压，单位v；

l为被测区段的长度，单位km。

其中，参见图2，电压采集模块为高精度电压采集模块(hpvsm)，电流采集模块为高精度电流采集模块(hpcsm)。为了使高精度电压采集模块能够采集获得上述电压信号，可将多个电压采集模块分别设置于图2中的a、b、e处，分别用于采集urt、urta和urtb的信号。将电流采集模块设置于图2中的e处，用于采集电源注入电流i。

基于上述计算方式可知，在电流的测量上只需电流源注入电流，而无需测量其他的电流参数。从而避免了现有技术中需要通过被测区段端头处的钢轨电阻值和纵向电压从而换算出流出被测区段的电流值。

另外，电压采集模块在采集电压信号时时，可分别测量电路断开和闭合时的电压值，并通过u＝uon-uoff消除噪声的干扰。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，电压采集模块包括：直流运算放大器、模拟数字转换器、处理器、存储器及第一以太网通信模块；直流运算放大器用于接收从被测区段采集的电压信号，对电压信号进行运算处理，并将放大后的电压信号输入至模拟数字转换器；模拟数字转换器用于将放大后的电压信号转换成二进制补码，并将二进制补码输入至处理器；处理器用于将二进制补码存储至存储器，通过第一以太网通信模块将二进制补码进行编译，获得物联网数据，并将物联网数据发送至第一以太网通信模块；第一以太网通信模块用于将物联网数据发送至物联网模块。

作为一种可选实施例，处理器为现场可编程门阵列(fpga)。

具体地，电压采集模块具有多个输入通道，可以实现v和mv不同直流电压等级的高精度快速采集。参见图4，以电压采集模块为8通道的高精度电压采集模块为例进行说明。其中4路电压信号u1、u2、u3、u4为毫伏级信号，4路电压信号u5、u6、u7、u8为伏特级信号。8路电压信号电信号由面板输入，经过直流运算放大器(dcoa)输入至16bit高精度模拟数字转换器(adc)，adc将输入的模拟信号转换成二进制补码数据输入至现场可编程门阵列(fpga)内部；fpga内部的fifo和sram控制器将采集的二进制数据存入fpga外围的存储器(例如静态随机存取存储器sram)中。sram将采集到的电压信号通过第一以太网通信模块将数据进行重新编译变成物联网数据，后通过物联网设备上传至服务器102。

另外，电压采集模块还可以通过内部时钟信号将与电压信号对应的时间数据和位置信息等通过物联网模块均上传至服务器102(server)。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，电流采集模块包括：直流霍尔元件和第二以太网通信模块；直流霍尔元件用于采集的电流信号，并将电流信号转换成数字信号后通过第二以太网通信模块发送至物联网模块。具体地，参见图5，高精度电流采集模块(hpcsm)包括直流霍尔元件和第二以太网通信模块。直流霍尔元件采集图1中e处的注入电流i，并通过第二以太网通信模块将电流数据转变成数字信号上传到服务器102。另外，高精度电流采集模块可以采集-350a—350a范围的直流电流信号，采集精度可以达到0.1％。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，该系统还包括：客户端设备，客户端设备与服务器102连接；客户端设备用于访问服务器102以获取电信号和/或过渡电阻。具体地，参见图6，地铁钢轨过渡电阻检测中的所需要的dc电压、电流数据(即电压信号和电流信号)需要同时、精密采集。高精度电压、电流采集模块分别采集过渡电阻测试过程中的直流电压、电流信息，然后将采集到的数据根据物联网通信规则进行重新编译，得到有效的物联网数据，后通过支持3g/4g通信的物联网服务接口设备(即物联网模块)发送数据至服务器102的数据库进行数据存储和在线分析处理。客户端设备(client)可以随时随地通过互联网访问服务器102获取当前的各个不同位置的电压、电流检测信息，可以实时动态查看当前测试区段的钢轨过渡电阻值。

本发明实施例提供的系统，一方面提出了一种新型的轨道交通正线钢轨的回流方式，即将地铁的钢轨通过设置钢轨绝缘节和串联回流电缆中的电动隔离开关在地铁运营的天窗期实现被测区间内钢轨的电气隔离；运营期间所有电动隔离开关均处于闭合工况，不改变既有直流牵引供电系统双电供电的供电制式。另一方面，地铁钢轨过渡电阻检测中的所需要的dc电压、电流数据是计算被测区间钢轨绝缘电阻的关键，需要同时、精密采集。高精度电压、电流采集模块分别采集钢轨绝缘电阻测试过程中的直流电压、电流信息，高精度电压、电流采集模块将采集到的数据根据物联网通信规则进行重新编译，得到有效的物联网数据，后通过支持3g/4g通信的物联网服务接口设备发送数据至服务器102的数据库进行数据存储和在线分析处理。至此快捷、精确地对钢轨过渡电阻完成自动化测量和大数据的自动化分析和存储，从而在钢轨绝缘维护和杂散电流治理方面有重要意义。

本发明实施例还提供一种地铁钢轨过渡电阻检测方法，该方法可应用上述实施例提供的地铁钢轨过渡电阻检测系统对钢轨过渡电阻进行检测，但该方法的应用范围不局限于上述检测系统。参见图7，该方法包括：701、断开第一电动隔离开关和第二电动隔离开关；其中，钢轨绝缘节设置于钢轨回流处，两个钢轨绝缘节之间的钢轨为被测区段，被测区段的一端通过带有第一电动隔离开关的第一回流线连接至第一牵引变电所的负极，被测区段的另一端通过带有第二电动隔离开关的第二回流线连接至第二牵引变电所的负极；702、向被测区段与排流网之间注入电流，以使被测区段上产生电信号；703、采集被测区段中的电信号，并根据电信号计算获得钢轨的过渡电阻。

具体地，参见图2，两个钢轨绝缘节之间的钢轨为被测区段。被测区段的两端均通过回流线连接至牵引变电所的负极。其中，被测区段的一端通过带有第一电动隔离开关s1的第一回流线回流至第一牵引变电所tss1，被测区段的另一端通过带有第二电动隔离开关s2的第二回流线连接至第二牵引变电所tss2的负极。基于此，通过设置的钢轨绝缘节和串联回流电缆中的电动隔离开关相配合(即断开电动隔离开关s1和s2)，能够实现钢轨的被测区段的电气隔离，具体可以在地铁运营的天窗期断开电动隔离开关s1和s2。在断开s1和s2后，被测区段内的钢轨实现电气隔离，此时可在被测区段与排流网之间注入电流，使被测区段上产生电信号。采集被测区段上的电信号后，可基于电信号计算获得过渡电阻的值。

并且，可以根据用户的意向设定过渡电阻的标准值，当某一区间内的钢轨的过渡电阻较标准值低，可向用户自动报警，并快速上传绝缘值和被测区间的位置信息，方便快速维护和检修。

应当说明的是，由于本发明实施例是在第一电动隔离开关s1和第二电动隔离开关s2断开之后进行过渡电阻的检测，因此，此时被测区段为电气隔离状态，流出被测区段的电流值为零。由于被测区段的电流值为零，因此无需如现有技术一般通过被测区段端头处的钢轨电阻值和纵向电压来换算出流出被测区段的电流值，从而避免了现有技术中存在的钢轨电阻值不均匀、测试信号较多及误差较大的缺陷。另外，上述电气隔离开关在正常运营期间均处于闭合工况，不会改变现有直流迁移供电系统双电供电的供电制式。

本发明实施例提供的方法，通过设置钢轨绝缘节和电动隔离开关能够实现被测区段的电气隔离，由于在被测区段处于电气隔离的状态下，流出被测区段的电流值为零，从而无需如现有技术一般通过被测区段端头处的钢轨电阻值和纵向电压换算出流出被测区段的电流值，从而避免了现有技术中存在的钢轨电阻值不均匀、测试信号较多及误差较大的缺陷，保证了检测获得的过渡电阻值的准确性。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，电信号包括电压信号和电流信号；电压信号包括，电流注入点钢轨对排流网的电压以及被测区段的末端钢轨对排流网的电压；电流信号包括，电源注入电流；

相应地，根据电信号计算获得钢轨的过渡电阻，包括：

式中，rrt为单位长度的钢轨的过渡电阻，i为电源注入电流，urt为电流注入点钢轨对排流网的电压，urtl和urtb为被测区段的末端钢轨对排流网的电压，l为被测区段的长度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。