一种直流母线残压释放系统的制作方法

1.本实用新型属于轨道牵引供电系统技术领域，尤其是涉及一种直流母线残压释放系统。


背景技术：

2.城市轨道牵引供电系统停电检修时，因供电系统存在容性负载，故直流母线停电后仍会残存较高电压(以下简称残压)，该残压将危害检修作业人员以及检修设备的安全。目前轨道行业主要采用自然释放的方式将直流母线残压释放至安全作业电压以内，该释放残压方式易受到线路负载、环境温湿度等因素影响，导致放电时间不可控，进而增加检修时长的不确定性；另外，目前市场上没有一款通用、安全可靠的放电装置进行残压释放；故此，本专利申请设计了一种直流母线残压释放系统。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本实用新型旨在提出一种直流母线残压释放系统，以解决直流母线停电后仍残存较高电压，危害检修作业人员以及检修设备安全的问题。
4.为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：
5.一种直流母线残压释放系统，包括连接在接触网与走行轨之间的残压释放装置、转换单元、控制单元和具有冗余结构的监测单元，残压释放装置通过继电单元连接转换单元、监测单元和电源模块，监测单元、转换单元连接控制单元，控制单元控制继电单元动作，使残压释放装置工作，以完成直流母线残存电压释放。
6.进一步的，所述残压释放装置包括信号处理模块、以及设置在接触网与走行轨之间的残压释放回路，残压释放回路包括信号驱动模块、继电器模块和放电电阻模块，信号驱动模块连接信号处理模块，信号驱动模块经继电器模块连接放电电阻模块，信号驱动模块与走行轨连接，放电电阻与接触网连接，电源转换模块通电后，继电器模块导通，信号处理模块驱动信号驱动模块动作，以使残压释放回路导通，释放直流母线残存电压；
7.还包括电源转换模块，电源转换模块的输入端通过继电单元连接控制器、电源模块、电压变送器和双验电器，电源转换模块的输出端分别连接信号处理模块、信号驱动模块和继电器模块，用以提供电源供应。
8.进一步的，电源转换模块包括电源转换单元一和电源转换单元二，电源转换单元一的输入端连接控制端，电源转换单元一的输出端连接电源转换单元二，电源转换单元一的输出端连接信号驱动模块和继电器模块，电源转换单元二的输出端与信号处理模块连接；
9.电源转换单元一用以将dc24v电源转换为dc12v电源，电源转换单元二用以将dc12v电源转换为dc5v电源。
10.进一步的，信号处理模块包括反相器u2，反相器u2的a管脚分别连接电阻r12、二极管d6和电容c12，电阻r12的另一端连接电阻r5，二极管d6的阴极端也连接电阻r5，电容c12
通过电阻r13连接二极管d6的阴极端；
11.反相器u2的vcc管脚连接+5v_h电源端，反相器u2的vcc管脚还通过电容c11连接gnd_h端；
12.反相器u2的y管脚通过电阻r3连接信号驱动模块。
13.进一步的，信号驱动模块包括芯片u3，芯片u3的in+管脚连接+12v_h电源端，芯片u3的in+管脚通过电容c13连接gnd_h端，芯片u3的vdd管脚通过电容c8连接gnd_h端，芯片u3的in-管脚连接电阻r3，芯片u3的outh管脚通过电阻r4连接mos开关管的栅极端，芯片u3的outl管脚通过电阻r6连接mos开关管的栅极端，mos开关管的栅极端还并联连接有二极管v1和电阻r8，二极管v1和电阻r8的另一端通过电阻r7接地，mos开关管的源极端与电阻r7连接，mos开关管的源极端通过依次串联连接的二极管d9、二极管d8、二极管d5和二极管d7连接漏极端，mos开关管的源极端还通过依次串联连接的电阻r11、电阻r10和电阻r9连接漏极端；
14.mos开关管的源极端还连接有连接端子p2，连接端子p2通过连接线缆连接走行轨；
15.mos开关管的漏极端与继电器模块相连。
16.进一步的，继电器模块包括多个串联连接的继电器，位于首端的继电器连接mos开关管的漏极端，位于末端的继电器连接放电电阻模块，每个继电器的a1管脚连接+12v_h电源端，每个继电器的a2管脚连接gnd_h端。
17.进一步的，放电电阻模块包括电阻rt1、电阻rt2和连接端子p1，连接端子p1的2管脚连接位于末端的继电器，连接端子p1的3管脚连接电阻rt2，电阻rt2的另一端连接位于末端的继电器，连接端子p1的4管脚连接电阻rt1，电阻rt1的另一端连接电阻rt2；
18.连接端子p1通过连接线缆连接接触网。
19.相对于现有技术，本实用新型所述的一种直流母线残压释放系统具有以下有益效果：
20.(1)本实用新型所述的一种直流母线残压释放系统通过采用双验电器与电压变送器组合的方式进行接触网直流母线电压监测，控制器接收验电器与电压变送器发送的电压信号，控制残压释放装置动作，驱动继电器模块中的继电器和信号驱动模块中的mos开关管闭合，将放电电阻模块接入残压放电回路，实现释放直流母线残存电压的目的。
21.(2)本实用新型所述的一种直流母线残压释放系统可运用于目前不同电压等级的城市轨道牵引供电系统残压释放，该电路安全性能高，具有确保低压供电设备以及作业人员安全的特性。
附图说明
22.构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
23.图1为本实用新型实施例所述的一种直流母线残压释放系统逻辑控制原理图；
24.图2为本实用新型实施例所述的一种直流母线残压释放装置原理图；
25.图3为本实用新型实施例所述的一种直流母线残压释放装置部分电路图；
26.图4为本实用新型实施例所述的电源转换单元一电路图；
27.图5为本实用新型实施例所述的放电电阻模块电路图。
具体实施方式
28.需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
29.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
30.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
31.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
32.城市轨道牵引供电系统停电检修时，因供电系统存在容性负载，故直流母线停电后仍会残存一定电压，设定两个电压阀值u1、u2(u2》u1)，通过验电器或电压变送器监测到的电压值u∈[u1，u2]，则u即为残压，u≤u1，为安全电压；u≥u2，则为正常工作电压；该残压将危害检修作业人员以及检修设备的安全。
[0033]
请参阅图1所示，实施例一，本实施例提供了一种直流母线残压释放方法，所述方法包括：
[0034]
设定残存电压u的阈值[u1，u2]，监测单元监测到母线电压值超过设定电压值u1，将监测到的电压信号传输至控制器，控制器记录并存储该电压信号；
[0035]
转换单元检测到母线电压值低于设定电压值u2，将该电压信号传输至控制器，控制器判定符合残压释放条件，控制器发出控制指令控制残压释放装置工作，完成残压释放。
[0036]
本技术方案的监测单元为验电器，转换单元为电压变送器，采用两个验电器，两个验电器互为冗余，残压u范围为u1≤u≤u2，双验电器监测电压均设定为u1，至少一个验电器常开触点闭合后，控制器认定此时直流母线电压值大于等于u1；此时，若电压变送器检测到的直流母线电压值小于等于u2，控制器判定符合残压释放条件，发出控制继电器常开触点闭合指令，残压释放装置工作，进行残压释放；
[0037]
验电器监测电压值均设定为u1，若两个验电器的常开触点同时打开，说明测试母线电压处于安全电压；
[0038]
若至少一个验电器常开触点闭合，且电压变送器检测到的直流母线电压值大于u2，说明此时母线处于正常工作状态，不可进行放电操作。
[0039]
残压释放条件为：残存电压u的范围满足u1≤u≤u2。
[0040]
实施例二，本实施例提供了一种应用如上述实施例所述的一种直流母线残压释放方法的直流母线残压释放系统，包括连接在接触网与走行轨之间的残压释放装置、转换单元、控制单元和具有冗余结构的监测单元，残压释放装置通过继电单元连接转换单元、监测单元和电源模块，监测单元、转换单元连接控制单元，控制单元控制继电单元动作，以使残压释放装置工作。
[0041]
本专利申请中的转换单元为电压变送器，所述电压变送器为测量接触网与行走轨之间电压的设备，实时检测被测电压并将其转换成控制器可以接受的小电压或小电流信号，如4～20ma或0～
±
5v；监测单元为验电器，验电器用于监测接触网与行走轨之间电压的设备，可通过设备上的旋钮设定监测电压值，被监测电压超过电压时，验电器将向控制器输出无源常开节点闭合信号；
[0042]
本技术方案采用的控制单元可为本领域技术人员熟知的plc控制器，利用plc控制器远程控制该装置进行残压释放，规避检修操作人员去现场操作带来的安全隐患；
[0043]
本技术方案中的监测单元采用冗余结构的双验电器，双验电器可以保证任何一条验电回路中的验电器出现故障或是回路接线端子松动造成回路断开从而导致检测电压不准时，可以以另外一个验电器的输出作为残压放电的逻辑判断条件；
[0044]
残压释放装置所在连接线路、验电器所在连接线路和电压变送器所在线路均连接有熔断器，保护各线路安全；
[0045]
接触网与走行轨之间的连接线路上还连接有接地开关，此处的接地开关相当于挂地线，接触网上没有电压时，可远程控制电机控制接地开关的通断，保证检修人员的人身安全和设备本身的正常运行。
[0046]
如图2所示，所述残压释放装置包括信号处理模块、以及设置在接触网与走行轨之间的残压释放回路，残压释放回路包括信号驱动模块、继电器模块和放电电阻模块，信号驱动模块连接信号处理模块，信号驱动模块经继电器模块连接放电电阻模块，信号驱动模块与走行轨连接，放电电阻与接触网连接，电源转换模块通电后，继电器模块导通，信号处理模块驱动信号驱动模块动作，以使残压释放回路导通，释放直流母线残存电压；
[0047]
还包括电源转换模块，电源转换模块的输入端通过继电单元(继电器)连接控制器、电源模块、电压变送器和双验电器，电源转换模块的输出端分别连接信号处理模块、信号驱动模块和继电器模块，用以提供电源供应。
[0048]
直流母线上(dc750v/1500v-走行轨之间)存在残压，可采用本装置进行释放残压；本专利申请采用的控制端能够利用现有的技术解决，如plc控制器进行远程控制，规避检修操作人员去现场操作带来的安全隐患，并用于为所述电路提供dc24v电源和控制电源，所述电路上电后，dc24v电源通过高隔离电源模块u1转换成dc12v电源，该电源负责给继电器模块和信号处理模块供电，继电器模块得到dc12v供电后，继电器线圈闭合，常开触点闭合；信号处理模块得到dc12v供电后，经过上电延时处理后向信号驱动模块发出驱动信号，该驱动信号经过驱动芯片u3放大后驱动mos开关管闭合；至此继电器模块、mos开关管均闭合，将放电电阻模块接入残压放电回路释放直流母线残存电压；
[0049]
需要停止释放母线残压时，控制端接收控制指令切断装置dc24v电源供给，信号处理模块控制信号驱动模块实现1毫秒以内断开mos开关管，继电器因受到机械特性限制，从失去dc12v供电到完全断开需要10毫秒以上，至此残压释放回路断开，放电电阻模块被切
除。
[0050]
如图3和图4所示，电源转换模块包括电源转换单元一和电源转换单元二，电源转换单元一的输入端连接控制端，电源转换单元一的输出端连接电源转换单元二，电源转换单元一的输出端连接信号驱动模块和继电器模块，电源转换单元二的输出端与信号处理模块连接；
[0051]
电源转换单元一用以将dc24v电源转换为dc12v电源，电源转换单元二用以将dc12v电源转换为dc5v电源；
[0052]
该模块实现为整个装置供电功能，因装置高压端子直接挂接在轨道牵引供电系统直流母线上，直流母线上电压为dc1500v或dc750v，故须将装置低压侧供电电源与装置高压侧工作电源进行隔离，避免直流母线高压电对低压侧人身以及供电设备造成损伤；本专利申请选用隔离强度高达12.5kvac的集成电源模块u1，芯片u1采用rhv2-2412s/r20型号芯片，同时，芯片u4采用rs3236-5.0型号的芯片，保证低压侧人身以及供电设备的绝对安全。
[0053]
信号处理模块包括反相器u2，反相器u2采用74hc1g04型号反相器，反相器u2的a管脚分别连接电阻r12、二极管d6和电容c12，电阻r12的另一端连接电阻r5，二极管d6的阴极端也连接电阻r5，电容c12通过电阻r13连接二极管d6的阴极端；
[0054]
反相器u2的vcc管脚连接+5v_h电源端，反相器u2的vcc管脚还通过电容c11连接gnd_h端；
[0055]
反相器u2的y管脚通过电阻r3连接信号驱动模块；
[0056]
该模块实现对继电器和mos开关管(mosfet)导通、断开的时序控制功能；所述电路上电时，继电器模块超前mosfet管320ms导通，电路在上电过程中，也即启动残压释放，直流母线存在较高电压，此时须先闭合继电器模块，这样高电压加在耐压值较高的mosfet管上，降低继电器触点被高电压击穿的风险；电路掉电过程，也即结束残压释放过程，直流母线可能残存电压，此时须mosfet管先断开，继电器模块后断开，电压加在mosfet管上，可避免电压对继电器触点损伤；本技术方案可实现mosfet管先于继电器模块8ms关断；
[0057]
具体电路实现原理如下：所述电路上电，+5v_h通过电阻r5、r12给电容c12充电，电容电压缓慢上升至反相器u2触发电压，随即反相器u2向信号驱动模块u3发出驱动信号，驱动mos开关管导通；在电容充电过程，继电器模块已经导通，即实现继电器先于mosfet管导通功能；
[0058]
所述电路掉电，电容c12通过二极管d6快速放电至反相器u2触发电压以下，反相器u2向mosfet管发送断开mosfet管的驱动信号，由于mosfet管能够在100ns之内断开，而继电器模块断开需要几个ms，所以本技术方案可实现mosfet先于继电器模块8ms断开。
[0059]
信号驱动模块包括芯片u3，本技术方案采用的芯片u3为drdc3105型号芯片，芯片u3的in+管脚连接+12v_h电源端，芯片u3的in+管脚通过电容c13连接gnd_h端，芯片u3的vdd管脚通过电容c8连接gnd_h端，芯片u3的in-管脚连接电阻r3，芯片u3的outh管脚通过电阻r4连接mos开关管的栅极端，芯片u3的outl管脚通过电阻r6连接mos开关管的栅极端，mos开关管的栅极端还并联连接有二极管v1和电阻r8，二极管v1和电阻r8的另一端通过电阻r7接地，mos开关管的源极端与电阻r7连接，mos开关管的源极端通过依次串联连接的二极管d9、二极管d8、二极管d5和二极管d7连接漏极端，mos开关管的源极端还通过依次串联连接的电阻r11、电阻r10和电阻r9连接漏极端；
[0060]
mos开关管的源极端还连接有连接端子p2，连接端子p2通过连接线缆连接走行轨；
[0061]
mos开关管的漏极端与继电器模块相连；
[0062]
该模块采用mosfet作为mos开关管，mos开关管采用stw3n170型号mos开关管，以达到将放电电阻模块接入残压放电回路中；本专利申请选用额定电压为1700v的mos开关管，该电压高于牵引供电系统直流电压1500v，保证装置能够在该电压等级下可靠接入放电电阻进行残压放电；设计3个阻值为1mω的电阻串联后并联于mos开关管两端，确保mos开关管损坏不能导通的情况下，残压仍能通过该3个电阻串联的形式释放；4个二极管1n4007-m7串联后并联于mos开关管两端，可防护mos开关管受到过高电压冲击。
[0063]
继电器模块包括多个串联连接的继电器，位于首端的继电器连接mos开关管的漏极端，位于末端的继电器连接放电电阻模块，每个继电器的a1管脚连接+12v_h电源端，每个继电器的a2管脚连接gnd_h端；
[0064]
该模块通过控制继电器节点闭合建立完整放电回路，达到释放直流母线残压的目的；本专利申请以三只继电器串联为例，每只继电器触点之间隔离电压可达1kvac，因3只继电器常开触点同时上电闭合、掉电断开，进而提高继电器模块接入或断开高电压等级的能力。
[0065]
如图5所示，放电电阻模块包括电阻rt1、电阻rt2和连接端子p1，连接端子p1的2管脚连接位于末端的继电器，连接端子p1的3管脚连接电阻rt2，电阻rt2的另一端连接位于末端的继电器，连接端子p1的4管脚连接电阻rt1，电阻rt1的另一端连接电阻rt2；
[0066]
连接端子p1通过连接线缆连接接触网；
[0067]
该模块实现消耗轨道牵引供电系统直流母线上残余电能的功能；当继电器和mos开关管导通后，断电后的供电系统直流母线通过放电电阻rt1、rt2接通到走行轨，进行母线残压释放；本专利申请选用额定工作电压为dc2000v、初始阻值为2kω的热敏电阻作为放电电阻，该热敏电阻阻值会随着电阻自身温度的升高而变大，从而避免采用固定阻值电阻因放电电流大、放电时间长出现烧毁现象；另外，短接端子p1上不同的端子位，可实现接入不同阻值放电电阻，以适应不同场合的放电要求。
[0068]
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。