CN101934745B - 一种电气化铁路车辆位置传感器 - Google Patents

Abstract

一种电气化车辆位置传感器，由电流互感器和三个支路组成。电流互感器采用穿芯式结构，绕组的两个引出端接三个支路，第一支路为n个二极管按阴极、阳极的顺序串联，第二支路为n个二极管按阴极、阳极的顺序串联，第二支路与第一支路的二极管反并联，第三支路为一个电阻与一个光纤发射头串联。当机车驶过时，接触网中流过电流，传感器监测到这个电流后，对外发出光信号，经光纤传至地面自动过分相装置的控制器中，在控制器中再转换为电信号，这个信号就是机车的位置信号。解决了现有电气化车辆位置传感器存在检测精度低、不适宜多种机车混跑的线路、不适宜高速和极低速、不适宜交流供电的电气化铁路的问题，并能准确定位机车受电弓的位置。

Description

一种电气化铁路车辆位置传感器

技术领域

本发明属于传感器检测技术领域，尤其涉及一种对电力机车的位置进行监测的传感器设备。

背景技术

电气化铁路中，对电力机车采用单相供电。为了减少铁路单相负荷对三相电力***的不平衡影响，牵引网采用分段分相供电的方法，在整个牵引网中，采取A-B-C-A-B-C三相轮换供电的模式。相邻两相之间有一段供电死区，叫做电分相区，也叫做中性区，一般每25km~30km就有一个分相区。

当电力机车通过分相区时，根据地面“断”标识的提示，司机进行手动退级、关闭辅助机组、断开机车主断路器的操作；机车经过分相区后，根据地面“合”标识的提示，司机逐项恢复上述操作。这是一种断电过分相，在中性区，机车断电后依靠惯性继续滑行，由于没有牵引力，列车在风阻和轮轨摩擦阻力的影响下，速度会降低，在高速列车和重载列车中影响恶劣。另一方面，这种操作增加了司机的劳动强度，一旦司机未能及时断闸，则会发生受电弓带载闯分相，会造成烧毁受电弓、烧毁接触网的故障，严重的甚至发生牵引所跳闸，供电中断等行车事故。因此，自动过分相成为电气化铁路过分相的发展趋势。

自动过分相不需要司机的手动操作。目前应用较多的自动过分相为车载自动过分相，它依靠机车控制器的自动操作代替司机的手动操作。当机车进入分相区时，车辆位置传感器给出位置信号，列车控制器检测到位置信号后自动进行退级、关闭辅助机组、断开机车主断路器的操作；机车驶出分相区后，车辆位置传感器给出位置信号，列车控制器检测到位置信号后逐项恢复上述操作。这种方式可以降低司机操作疲劳，增加***可靠性。然而，车载自动过分相也是一种断电过分相，在分相区内，机车断电滑行，牵引力和列车速度仍然会受到影响。

随着中国高速铁路和重载铁路的发展，要求列车在分相区内也能带电运行，这样才能为机车提供持续的牵引力，不会影响车辆速度。这种过分相的方式叫做机车带电过分相，它是依靠地面自动过分相装置来实现的。地面自动过分相装置的主执行机构是两组开关，这两组开关将中性区分别和两侧供电臂连接起来。没有机车经过时，开关断开，中性区无供电；当机车进入分相区时，通过先后闭合两组开关，两侧供电臂分时向中性区供电，使电力机车在中性区运行过程中不断开主断路器，断电时间很短，不会失去牵引力。

要实现地面自动过分相装置的开关闭合、切换、断开等操作，***的第一要求是有准确无误的机车位置信号。如果没有准确的机车位置信息，开关动作时序就会紊乱，造成中性区不能正常供电、机车受电弓带载闯分相、严重的甚至造成牵引网相间短路故障，影响到牵引***的安全和行车秩序。

现有的机车位置检测方式主要是采用磁钢传感器信号或列车控制器的ATP应答信号。磁传感器存在的问题是失磁，长时间的应用会影响检测精度；磁传感器只能适应5~250km/h范围内的车速，不能用于极低车速和高速铁路。ATP应答器信号来自车载的列车控制器，而地面自动过分相装置是非车载的***，列控***与非列控***交换信号的情况不适合多种机车混跑的线路。

在专利号为92234278.4，名称为架线电机车位置传感器的专利中公开了一种由电磁体、霍尔元件和放大电路组成的电机车位置传感器，该发明适用于250V或550V直流电的情况，不能适用于27.5kV交流供电的电气化铁路。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有电气化车辆位置传感器存在检测精度低、不适宜多种机车混跑的线路、不适宜高速和极低速车辆、不适宜交流供电的电气化铁路。本发明提供一种电气化车辆位置传感器，准确的定位机车受电弓的位置，并且能很好的解决上述问题。

本发明的技术方案是：采用一个电流互感器对接触网中的交流电流进行监测，当接触网中流过电流时，电流互感器二次侧输出电流信号，通过串联二极管的反并联电路箝位得到电压信号，再通过光纤发射头将电压信号转换为光信号，这个光信号就是机车位置信号，通过光缆传输到地面自动过分相装置的控制器中。

电流互感器二次侧绕组（W）的两个引出端与第一、第二、第三支路连接。

第一支路串联的二极管数量和第二支路串联的二极管数量均为n，n≥2，所有二极管选用同一型号。

第一支路为第一一二极管、第一二二极管……第一N-1二极管、第一N二极管的串联支路。

第一一二极管的阴极与第一二二极管的阳极连接，第一二二极管的阴极……与第一N-1二极管的阳极连接，第一N-1二极管的阴极与第一N二极管的阳极连接。

第二支路为第二一二极管、第二二二极管……第二N-1二极管、第二N二极管的串联支路。

第二一二极管的阳极与第二二二极管的阴极连接，第二二二极管的阳极……与第二N-1二极管的阴极连接，第二N-1二极管的阳极与第二N二极管的阴极连接。

第三支路为电阻的一端与光纤发射头的一端连接形成的支路。

电流互感器的绕组的一端与第一支路的第一一二极管的阳极、第二支路的第二一二极管的阴极和电阻的另一端连接。

电流互感器的绕组的另一端与第一支路第一N二极管的阴极、第二支路的第二N二极管的阳极和光纤发射头的另一端连接。

本发明和已有技术相比所具有的有益效果：

     1）由于采集的是电流的变化，而不是采集的电流的数值，因此允许电流互感器的铁芯工作在饱和状态，通过光纤输出的信号为占空比小于50%的脉冲信号。这样做的好处是不需要大体积的铁芯，电流互感器设备体积小、成本低。

2）利用二极管箝位的特性，避免电流互感器二次侧负载的波动，被监测的电流在0.5A到1000A变化时，二极管箝位的端电压波动范围仅为0.5V。因此电气化车辆位置传感器可以监测所有现行运行的机车位置。

3）抗干扰能力强。电流互感器二次侧信号为电流源信号，信号传输路径为光纤传输，二者均不会受到电磁干扰的影响。

4）使用HFBR对接触网的高压和控制器的低压进行隔离，无需对电流互感器做特殊绝缘处理，隔离效果好。

附图说明

图1是地面自动过分相装置工作的***示意图。

图2是电气化车辆位置传感器的电路原理图。

图中，第一支路1；第二支路2；第三支路3；电流互感器4。

具体实施方式

参照附图进一步说明本发明的实施方式。

本发明是通过电流互感器工作原理、二极管箝位特性来监测接触网电流，准确的定位机车受电弓的位置。

图1为地面自动过分相装置工作的***示意图， N1和N2分别是中性区与供电臂的分界，N1与N2之间为中性区（无电区），亦即接触网中完全无电的区段，左承力索5、左吊弦6、左接触线7构成中性区左侧供电臂的接触网。右承力索8、右吊弦9、右接触线10构成中性区右侧供电臂的接触网。中承力索11、中吊弦12、中接触线13构成中性区的接触网。

左地面自动过分相装置的开关14，右地面自动过分相装置的开关15。左地面自动过分相装置的开关14的一端通过高压电缆16与左接触网5连接；右地面自动过分相装置的开关15的一端通过高压电缆17与右接触网8连接。高压电缆18用于连接中性区接触网11、13与左右地面自动过分相装置的开关14、15的另一端。电力机车是19，受电弓是20，铁轨是21。CG1、CG2为本发明的位置传感器，图2是电气化车辆位置传感器的电路图。

电流互感器4采用穿芯式结构，铁芯MC采用开启式或闭合式的结构，铁芯MC的材料为硅钢、微晶或坡莫合金。

电流互感器4的二次侧绕组W的两个引出端与第一、第二、第三支路（1、2、3）连接。

第一支路1为第一一二极管D11、第一二二极管D12……第一N-1二极管D1（n-1）、第一N二极管D1n的串联支路。

第一一二极管D11的阴极与第一二二极管D12的阳极连接，第一二二极管D12的阴极……与第一N-1二极管D1（n-1）的阳极连接，第一N-1二极管D1（n-1）的阴极与第一N二极管D1n的阳极连接。

第二支路2为第二一二极管D21、第二二二极管D22……第二N-1二极管D2（n-1）、第二N二极管D2n的串联支路。

第二一二极管D21的阳极与第二二二极管D22的阴极连接，第二二二极管D22的阳极……与第二N-1二极管D2（n-1）的阴极连接，第二N-1二极管D2（n-1）的阳极与第二N二极管D2n的阴极连接。

第三支路3为电阻R的一端与光纤发射头HFBR的一端连接形成的支路。

电流互感器4的绕组W的一端与第一支路1的第一一二极管D11阳极、第二支路2的第二一二极管D421的阴极和电阻R的另一端连接。

电流互感器4的绕组W的另一端与第一支路1的第一n二极管D1n的阴极、第二支路2的第二n二极管D2n的阳极和光纤发射头HFBR的另一端连接。

第一支路1的二极管和第二支路2的二极管均选用同一型号。两路二极管的数量均为n，n≥2，从原理上说二极管的数量没有上限限制，一般n=3或4即满足使用要求，n=1没有意义。

本发明的工作原理是：当机车驶过时，该处接触网中有电流流过，载流承力索中也会流过电流，这个电流是交流电流，穿过于载流承力索的电流互感器4监测到电流后，二次侧绕组W中流过一个小电流，正、负半周的电流分别流过第一支路1和第二支路2，二极管两端产生箝位电压，这个电压加在第三支路3上，通过电阻R限流， 光纤发射头HFBR流过电流，从而输出光信号。经过光缆传输至控制器，在控制器上经过光电转换后获知机车位置的电信号。

当机车受电弓位于本发明的传感器CG1和N1之间时，CG1输出位置信号高电平，否则输出低电平；当机车受电弓位于CG2和N2之间时，CG2输出位置信号，否则输出低电平。

当机车在CG1和CG2两端的外侧时，CG1和CG2都输出低电平，左、右地面自动过分相装置的开关14和15都断开，这是地面自动过分相装置的初始状态。以机车在图1中从左往右运行为例，当受电弓经过CG1时，CG1输出高电平，控制器接收到位置信号后，发出指令闭合左地面自动过分相装置的开关14，中性区由左侧供电臂供电。机车向前行驶经过N1进入中性区后，CG1的位置信号消失，控制器发出指令断开左、右地面自动过分相装置的开关14，3.3~20ms（具体时间数值需要根据左、右两相的电压相位确定）后闭合左、右地面自动过分相装置的开关15，中性区改由右侧供电臂供电。机车向前行驶，驶出中性区，进入N2与CG2之间，则CG2输出高电平位置信号，当机车驶到CG2右侧时，CG2输出低电平，控制器接收到CG2信号从低到高再到低的过程后，发出指令断开开关15，***回到初始状态。

Claims (2)

1.一种电气化铁路车辆位置传感器，其特征在于：

电流互感器(4)的二次侧绕组(W)两个引出端分别与第一、第二、第三支路(1、2、3)连接；

第一支路(1)的二极管数量和第二支路(2)的二极管数量均为n，n＝3或4；

当n＝3时，第一支路(1)为第一一二极管(D11)、第一二二极管(D12)、第一三二极管(D13)的串联支路，第一一二极管(D11)的阴极与第一二二极管(D12)的阳极连接，第一二二极管(D12)的阴极与第一三二极管(D13)的阳极连接；

当n＝4时，第一支路(1)为第一一二极管(D11)、第一二二极管(D12)、第一三二极管(D13)、第一四二极管(D14)的串联支路，第一一二极管(D11)的阴极与第一二二极管(D12)的阳极连接，第一二二极管(D12)的阴极与第一三二极管(D13)的阳极连接，第一三二极管(D13)的阴极与第一四二极管(D14))的阳极连接；

当n＝3时，第二支路(2)为第二一二极管(D21)、第二二二极管(D22)、第二三二极管(D23)的串联支路，第二一二极管(D21)的阳极与第二二二极管(D22)的阴极连接，第二二二极管(D22)的阳极与第二三二极管(D23)的阴极连接；

当n＝4时，第二支路(2)为第二一二极管(D21)、第二二二极管(D22)、第二三二极管(D23)、第二四二极管(D24)的串联支路，第二一二极管(D21)的阳极与第二二二极管(D22)的阴极连接，第二二二极管(D22)的阳极与第二三二极管(D23)的阴极连接，第二三二极管(D23)的阳极与第二四二极管(D24))的阴极连接；

第三支路(3)为电阻(R)的一端与光纤发射头(HFBR)的一端连接形成的支路；

电流互感器(4)的二次侧绕组(W)的一端与第一支路(1)的第一一二极管(D11)的阳极、第二支路(2)的第二一二极管(D21)的阴极和电阻(R)的另一端连接；

当n＝3时，电流互感器(4)的二次侧绕组(W)的另一端与第一支路(1)的第一三二极管(D13)的阴极、第二支路(2)的第二三二极管(D23)的阳极和光纤发射头(HFBR)的另一端连接；

当n＝4时，电流互感器(4)的二次侧绕组(W)的另一端与第一支路(1)的第一四二极管(D14)的阴极、第二支路(2)的第二四二极管(D24)的阳极和光纤发射头(HFBR)的另一端连接。

2.根据权利要求1所述的电气化铁路车辆位置传感器，其特征在于：所述的电流互感器(4)采用穿芯式结构，铁芯的材料为硅钢、微晶或坡莫合金。

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