一种钢轨电位限制装置的制作方法

本发明属于轨道供电技术领域，具体涉及一种钢轨电位限制装置。

背景技术：

在直流牵引系统中，由于操作电流和短路电流的存在，可能会引起回流回路和大地间产生超过安全许可的接触电压。在此情况下，就需要在回流回路与大地间装设一套钢轨电位限制装置，以限制运行轨电位，避免超出安全许可的接触电压的发生。当发生超出安全许可的接触电压时，此钢轨电位限制装置就将钢轨与大地快速短接，从而保证人员和设施的安全。

钢轨电位限制装置的常规方案为采用常闭型的直流接触器和晶闸管模块并联。正常情况下，直流接触器的触头断开，同时晶闸管也处于截止状态，通过电压继电器或电压测量放大器监测回流轨与大地之间电压。

图1所示为钢轨电位限制装置的常规方案。其中q1为直流接触器，其主触点1和2分别与回流轨、大地相连接；反向并联的晶闸管v1、v2与电流继电器k1线圈(a1,a2)串联；电流继电器与晶闸管串联的回路与直流接触器并联，一起构成钢轨电位限制装置的主回路；电压测量元件u1连接回流轨和大地，测量两者之间的电压并将测量值反馈给监控单元a1；最右侧为直流接触器q1的线圈控制回路，k1(13,14)是电流继电器k1的辅助触点，k2(13,14)是控制开关k2的辅助触点，控制开关k2将传递监控单元a1的命令给直流接触器q1的线圈(a1,a2)。钢轨电位限制装置一般设置三段保护动作，对应设定不同的电压阈值，(例如，设定一段电压阈值为u>，二段电压阈值为u>>，三段电压阈值为u>>>)。当走行钢轨与等电位母线间的电压值达到各阈值时，执行与该阈值相应的保护动作如下：

(1)如果走行钢轨与等电位母线间的电压值(下文简称电压值)小于一段电压阈值u>，在这种情况下直流接触器是开断的，即主触头q1(1,2)断开。

(2)如果测得的走行钢轨与等电位母线间的电压值大于或等于一段电压阈值u>，经过一段设定的延时后，钢轨电位限制装置将回流回路有效短接，即q1(1,2)接通。通过动作的延时确保在短期的允许电压最大值下，不会发生不必要的短路。经过一段延时后，直流接触器q1将再次自动断开。如果此时测得的走行钢轨与等电位母线间的电压值小于u>的阈值，则钢轨电位限制装置经过一段可调整的延时后，再进入正常状态。如果走行钢轨与等电位母线间的电压值又大于u>，则钢轨电位限制装置再次发生短路。此过程一直持续到电压又保持在许可范围内，或短路次数达到预定数值n(n为整数)。一旦达到预设数值n，直流接触器即会闭锁，即接触器将保持在合闸位置。当直流接触器闭锁时，需按复位按钮将其复位。

(3)如果测得的走行钢轨与等电位母线间的电压值大于或等于u>>的阈值，钢轨与大地被无延时短接。直流接触器即会闭锁，需按复位按钮将其手动复位。

(4)如果测得的走行钢轨与等电位母线间的电压值超过u>>>的阈值，例如电压值大于600v(电压值与600v间可以上下相差50v)时，则晶闸管元件立即导通以抵消直流接触器的机械延时，同时直流接触器被激活，而闭锁状态继续保持。闭锁状态需通过按复位按钮将其手动复位。

以上为既有成熟技术的典型应用方案，而随着电力电子技术的快速发展，晶闸管技术参数得到显著提高，晶闸管比直流接触器有非常明显的优势，短时耐受电流更大，导通时间更短。因此，钢轨电位限制装置中接触器完全可以被晶闸管所取代。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种钢轨电位限制装置，使用晶闸管完全取代了传统的钢轨电位限制装置中的接触器。

具体地说，本发明提供了一种钢轨电位限制装置，包括：

电压测量模块，测量回流轨和地之间的电压，将测量结果输送给plc控制模块；

所述plc控制模块，将所述回流轨和地之间的电压与设定值进行比对，控制触发晶闸管组件的导通或截止；

所述晶闸管组件，包括两组正反并联的晶闸管，在所述测量结果高于第一指定值时第一组晶闸管导通，在所述测量结果高于第二指定值时第一组晶闸管导通；在所述测量结果高于第三指定值时第一组和第二组晶闸管导通；在所述测量结果低于设定值时截止；

导通组件，接收plc指令，触发第一组晶闸管导通和/或直接触发第一、第二组晶闸管导通；以及

截止组件，接收plc指令，触发第一组和/或第二组晶闸管截止。

进一步地，所述导通组件包括：

第一导通模块：包括第一接触器、用于触发第二晶闸管的第一触发模块和第二触发模块、用于触发第四晶闸管的第三触发模块，第一接触器的触点一侧与第一触发模块负极相连，另一侧与第二触发模块负极相连后与第二晶闸管阳极相连，第一触发模块正极与第二触发模块正极相连后与第二晶闸管门极相连；第三触发模块负极与第四晶闸管阳极相连，第三触发模块正极与第四晶闸管门极相连；和

第二导通模块：包括第二接触器、用于触发第一晶闸管的第四触发模块和第五触发模块、用于触发第三晶闸管的第六触发模块，第二接触器的触点一侧与第四触发模块负极相连，另一侧与第五触发模块负极相连后与第一晶闸管阳极相连，第四触发模块正极与第五触发模块正极相连后与第一晶闸管门极相连；第六触发模块负极与第三晶闸管阳极相连，第六触发模块正极与第三晶闸管门极相连。

进一步地，所述第一指定值、第二指定值预存在plc中。

进一步地，所述第三指定值固化在第一导通模块和第二导通模块中。

进一步地，所述第三指定值固化在第一导通模块的第二触发模块和第三触发模块以及第二导通模块的第五触发模块和第六触发模块中。

进一步地，所述截止组件包括：

第三接触器；

第四接触器；

第一截止模块：包括第五晶闸管、与辅助电源相连的第一电容储能释放装置，第三接触器的触点连接第五晶闸管的阳极和门极，第一电容储能释放装置输出正极与第五晶闸管相连，负极与回流轨相连；和

第二截止模块：包括第六晶闸管、与辅助电源相连的第二电容储能释放装置，第四接触器的触点连接第六晶闸管的阳极和门极，第二电容储能释放装置输出正极与第六晶闸管相连，负极与地相连。

进一步地，所述plc在晶闸管导通时计数，当导通次数达到指定值时，所述第一接触器或第二接触器闭锁，使得晶闸管保持在导通状态；经过设定的时间段后，晶闸管导通次数清零。

进一步地，所述第一接触器或第二接触器闭锁后复位时，截止组件触发第一组和/或第二组晶闸管截止。

进一步地，所述钢轨电位限制装置还包括：

与所述第二组晶闸管串联在回流轨与地之间的电流继电器，当第二组晶闸管导通时，所述电流继电器发送用于告警的信号给plc。

本发明的有益效果如下：

本发明的钢轨电位限制装置中通过采用快速晶闸管取代传统接触器，优化了主回路组合方案，不仅能实现传统钢轨电位限制装置的所有功能，而且可以设置多段联续保护定值，满足人体耐受曲线，能够耐受更高的故障电流，并且大大缩短短接时间，为乘客和运营人员安全提供更为可靠的保护。

由于晶闸管的物理特性，本发明的钢轨电位限制装置完全采用晶闸管，相比传统接触器的机械吸合方式，具有更高的电气寿命、更小的柜体结构尺寸设计、更高的短时耐受电流、无噪音或低噪音、寿命周期内无需维护、更换方便。

附图说明

图1是钢轨电位限制装置的常规方案电路原理图。

图2是本发明实施例的电路原理图。

图3是本发明实施例的晶闸管导通组件内部结构示意图。

图4是本发明实施例的晶闸管截止组件内部结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步详细描述。

实施例：

本发明的一个实施例，为一种钢轨电位限制装置。如图2所示，钢轨电位限制装置包括plc控制模块(下文简称plc)、晶闸管组件、电流继电器、导通组件、截止组件、电压测量模块u及其他辅助元件。u1是电压测量放大器，u1的高压侧正极输入与回流轨相连，负极输入与地相连；u1的低压侧与plc模拟量输入模块相连。plc数字量输出信号给截止组件中的截止模块j1、j2以及导通组件中的导通模块c1、c2。截止模块j1的输出负极与回流轨相连，正极与地相连；截止模块j2的输出负极与地相连，正极与回流轨相连。晶闸管v1的阳极与晶闸管v2的阴极相连后与回流轨相连；晶闸管v1的阴极与晶闸管v2的阳极相连后与地相连；晶闸管v3的阳极与晶闸管v4的阴极相连后与回流轨相连；晶闸管v3的阴极与晶闸管v4的阳极相连后与地相连。

导通组件内部电路如图3所示。导通模块c1内部包含晶闸管触发集成电路vt1、vt2和vt3，分别连接于晶闸管v2、v4的阳极和门极之间，满足一定条件时发出电流触发信号。导通模块c2内部包含晶闸管触发集成电路vt4、vt5和vt6，分别连接于晶闸管v1、v3的阳极和门极之间，满足一定条件时发出电流触发信号。其中，vt2、vt3、vt5和vt6中固设有在指定电压时被触发导通的电压阈值，例如三段电压阈值u>>>。plc的数字量输出端与接触器ka1、ka2的正极相连，ka1触点一侧与触发模块vt1负极相连，另一侧与触发模块vt2负极相连后与晶闸管v2阳极相连，触发模块vt1正极与触发模块vt2正极相连后与晶闸管v2门极相连。触发模块vt3负极与晶闸管v4阳极相连，触发模块vt3正极与晶闸管v4门极相连。ka2触点一侧与触发模块vt4负极相连，另一侧与触发模块vt5负极相连后与晶闸管v1阳极相连，触发模块vt4正极与触发模块vt5正极相连后与晶闸管v1门极相连。触发模块vt6负极与晶闸管v3阳极相连，触发模块vt6正极与晶闸管v3门极相连。

截止组件内部电路如图4所示。plc数字量输出端与接触器ka3、ka4正极相连，ka3触点连接j1截止模块晶闸管v01的阳极和门极，ka4触点连接j2截止模块晶闸管v02的阳极和门极；j1截止模块内的电容储能释放装置c01输入正极与辅助电源正极相连，负极与辅助电源负极相连，输出正极与晶闸管v01相连，负极与回流轨相连；j1截止模块内的电容储能释放装置c01正极与辅助电源正极相连，负极与辅助电源负极相连，输出正极与晶闸管v02相连，负极与地相连。

u1实时监测回流轨对地电压，并将该电压值传送至plc。plc根据得到的电压值与设定值进行比对，控制触发晶闸管的导通或截止。设置钢轨电位限制装置的三段保护动作。设定一段电压阈值为u>，二段电压阈值为u>>，三段电压阈值为u>>>；一段电压阈值u>和二段电压阈值u>>的具体数值可根据具体要求在plc中预先设置，三段电压阈值u>>>则根据要求预先进行在导通模块中进行固化，例如预设u>为90v，u>>为150v；u>>>为600v。

钢轨电位限制装置的工作方式如下。

当回流轨对地电压高于设定值时，钢轨电位限制装置内部进行如下处理：

1，测量放大器u1对回流轨和地之间的电压进行测量。

2，测量放大器u1将测量结果转变为模拟量信号，输送给plc。

3，plc将测量放大器u1传送过来的模拟量信号转化为实际电压值后，与plc中保存的一段电压阈值、二段电压阈值、三段电压阈值进行比较，并进行如下处理。

3-1)如图3所示，当判定回流轨对地电压大于或等于一段电压阈值u>(例如90v)时，plc经过一段时延后，输出脉冲信号(触发信号)使导通模块c2内触发回路的接触器ka2接通，触发回路接通，触发模块vt4触发晶闸管v1导通。此时晶闸管v1导通次数(下称短路次数)n置为1。接触器ka2在晶闸管v1导通时恢复断开状态。

晶闸管v1导通并经过一段时延后，当plc监测到回流轨对地电压低于设定值(如小于30v)或者满足其他主回路断开条件(例如电源故障、元器件故障)时，输出脉冲信号(触发信号)给ka3的线圈，使其触点闭合并使截止模块j1内的晶闸管v01导通；电容储能释放装置将能量释放出去，给已导通的晶闸管v1两端施加反向电压，使晶闸管v1截止，主回路再次断开。主回路断开后，回流轨对地电压可能会上升，如果此时回流轨对地电压小于一段电压阈值u>(例如90v)，则钢轨电位限制装置经过一段可调整的时延后再进入正常状态；如果回流轨对地电压大于u>，则晶闸管v1再次导通，短路次数n加1。

重复上述过程，直到回流轨对地电压保持在许可范围内，或晶闸管v1导通次数达到预设值。一旦短路次数n达到预设值，接触器ka2将闭锁，晶闸管v1保持在导通状态。当接触器ka2闭锁时，在回流轨对地电压低于设定值(如小于30v)时，需按复位按钮将接触器ka2复位，plc收到复位信号后，将输出脉冲信号(触发信号)给ka3的线圈，使其触点闭合，使截止模块j1输出反向电压短时脉冲，使晶闸管v1截止，主回路断开。

3-2)当判定回流轨对地电压大于或等于二段电压阈值u>>(例如150v)时，plc将立即输出闭锁信号使接触器ka2闭锁，晶闸管v1保持导通状态。当接触器ka2闭锁时，在回流轨对地电压低于设定值(如30v)时，需按复位按钮将接触器ka2复位。

晶闸管v1导通并经过一段时延后，当plc监测到回流轨对地电压低于设定值(如小于30v)且满足外部主回路断开条件(例如预设了接触器ka2闭锁后需手动将ka2复位，现已手动复位ka2)时，或者存在其他主回路断开条件(例如电源故障、元器件故障)时，截止模块j1输出反向电压短时脉冲，使晶闸管v1截止，主回路断开。

3-3)当判定回流轨对地电压大于或等于三段电压阈值u>>>(例如600v)时，plc将立即输出闭锁信号使接触器ka2闭锁。导通模块c2内的触发模块vt5和vt6将同时触发晶闸管v1和v3导通。采用导通模块c2直接触发晶闸管v1和v3导通这种方式，使得在回流轨对地电压较高时可以更快地将经晶闸管导通，消除高电压的影响。当接触器ka2闭锁时，在回流轨对地电压低于设定值(如30v)时，需按复位按钮将接触器ka2复位。

晶闸管v1导通并经过一段时延后，当plc监测到回流轨对地电压低于设定值(如小于30v)且满足外部主回路断开条件(例如预设了接触器ka2闭锁后需手动将ka2复位，现已手动复位ka2)时，或者存在其他主回路断开条件(例如电源故障、元器件故障)时，截止模块j1输出反向电压短时脉冲，使晶闸管v1和v3截止，主回路断开。

当大地对回流轨电压高于设定值时，钢轨电位限制装置内部进行如下处理：

1，测量放大器u1对大地与回流轨之间的电压进行测量；

2，测量放大器u1将测量结果转变为模拟量信号输送给plc；

3，plc将测量放大器u1传送过来的模拟量信号转化为实际电压值后，与plc中保存的一段电压阈值、二段电压阈值、三段电压阈值进行比较，并进行如下处理。

3-1)如图3所示，当判定大地对回流轨电压大于或等于一段电压阈值u>(例如90v)时，plc经过一段时延后，将输出脉冲信号(触发信号)使导通模块c1内触发回路的接触器ka1接通，触发回路接通，触发模块vt1将触发晶闸管v2导通。此时晶闸管v2导通次数(下称短路次数)n置为1。接触器ka1在晶闸管v2导通时将恢复断开状态。

晶闸管v2导通并经过一段时延后，当plc监测到大地对回流轨电压低于设定值(如小于30v)或者满足其他主回路断开条件(例如电源故障、元器件故障)时，输出脉冲信号(触发信号)给ka4的线圈，使其触点闭合并使截止模块j2内的晶闸管v02导通；电容储能释放装置将能量释放出去，给已导通的晶闸管v2两端施加反向电压，使晶闸管v2截止，主回路将再次断开。主回路断开后，大地对回流轨地电压可能会上升，如果此时大地对回流轨电压小于一段电压阈值u>(例如90v)，则钢轨电位限制装置经过一段可调整的时延后再进入正常状态；如果大地对回流轨电压又大于u>，则晶闸管v2再次导通，短路次数n加1。

重复上述过程，直到大地对回流轨电压保持在许可范围内，或晶闸管v2导通次数达到预设值。一旦短路次数n达到预设值，接触器ka1将闭锁，晶闸管v2保持在接通状态。当接触器ka1闭锁时，在大地对回流轨电压低于设定值(如小于30v)时，需按复位按钮将接触器ka1复位，plc收到复位信号后，将输出脉冲信号(触发信号)给ka4的线圈，使其触点闭合，使截止模块j2将输出反向电压短时脉冲，使晶闸管v2截止，主回路断开。

3-2)当判定大地对回流轨电压大于或等于二段电压阈值u>>(例如150v)时，plc将立即输出闭锁信号使接触器ka1闭锁，晶闸管v2保持导通状态。当接触器ka1闭锁时，在大地对回流轨电压低于设定值(如30v)时，需按复位按钮将接触器ka1复位。

晶闸管v2导通并经过一段时延后，当plc监测到大地对回流轨电压低于设定值(如小于30v)且满足外部主回路断开条件(例如预设了接触器ka1闭锁后需手动将ka1复位，现已手动复位ka1)时，或者存在其他主回路断开条件(例如电源故障、元器件故障)时，截止模块j2输出反向电压短时脉冲，使晶闸管v2截止，主回路断开。

3-3)当判定大地对回流轨电压大于或等于三段电压阈值(例如600v)时，plc将立即输出闭锁信号使接触器ka1闭锁，导通模块c1内的触发模块vt2和vt3将同时触发晶闸管v2和v4导通。采用导通模块c1直接触发晶闸管v2和v4导通这种方式，使得在大地对回流轨的电压较高时可以更快地将经晶闸管导通，消除高电压的影响。当接触器ka1闭锁时，在大地对回流轨电压低于设定值时(如30v)时，需按复位按钮将接触器ka1复位。

晶闸管v2导通并经过一段时延后，当plc监测到大地对回流轨电压低于设定值(如小于30v)且满足外部主回路断开条件(例如预设了接触器ka1闭锁后需手动将ka1复位，现已手动复位ka1)时，或者存在其他主回路断开条件(例如电源故障、元器件故障)时，截止模块j2输出反向电压短时脉冲，使晶闸管v2和v4截止，主回路断开。

如图2所示，在晶闸管v3或v4截止时，因为电流继电器k1上没有电流通过，线圈不会吸合。当晶闸管v3或v4被导通模块触发导通时，电流继电器回路接通，线圈吸合，同时电流继电器k1的辅助触点吸合，并发送信号给plc，plc在收到该信号后，向后台报警。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。