CN112505390B - 一种分布式轨电位及杂散电流实时监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种分布式轨电位及杂散电流实时监控方法，包括以下步骤：S1设置直流牵引网络中区间有机车运行时的模拟电路图，并在钢轨上设置测量点，每个测量点均设置有钢轨对地电位；S2根据基尔霍夫第二定律绘制钢轨对地电位分布图；S3分别测量每个钢轨对地电位的电压值，并与钢轨对地电位分布图进行比对，当有测量点的钢轨电压值大于钢轨对地电位分布图上相对应的点值时，则测量点的钢轨上存在着杂散电流，计算任意测量点之间的杂散电流，本发明通过对钢轨回流电流的监测和数据处理可以实现对钢轨杂散电流更为直观的监测，能够发现钢轨泄漏的薄弱环节并定位杂散电流泄漏发生位置，让运营人员及时有效的处理，从而降低杂散电流的隐患和危害。

Description

一种分布式轨电位及杂散电流实时监控方法

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种分布式轨电位及杂散电流实时监控方法。

背景技术

在城市轨道交通牵引供电***中，每条地铁线路直流牵引网络由多座直流牵引变电所、上下行接触网、上下行走行轨等构成，电能从牵引所整流器正极经馈线电缆、接触网输送机车，再从机车经钢轨(回流轨)、回流电缆流回整流器负极。

其中负荷电流绝大部分经走行轨和回流电缆返回牵引变电所的负极，但有一小部分从轨道与地面绝缘不良的位置泄漏到地铁道床及周围土壤介质中，形成杂散电流。杂散电流是指在设计或规定回避以外流动的电流，也被称为“迷流”。杂散电流的危害主要包括以下几个方面：1、对走行轨及其附件的腐蚀；2、对钢筋混凝土结构的破坏；3、对埋地管线的腐蚀；4、对人身安全的威胁；5、影响电气设备的正常工作。通过对钢轨杂散电流的监测，能够发现钢轨泄漏的薄弱环节并定位杂散电流泄漏发生位置，让运营人员及时有效的处理，从而降低杂散电流的隐患和危害。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种分布式轨电位及杂散电流实时监控方法，主要解决背景技术中的问题。

本发明提出一种分布式轨电位及杂散电流实时监控方法，包括以下步骤：

S1、设置直流牵引网络中区间有机车运行时的模拟电路图，所述模拟电路图包括m端供电区和n端供电区、上行接触网、下行接触网和钢轨，并在所述钢轨上设置若干个测量点，每个测量点均设置有钢轨对地电位；

S2、分别确定m端供电区的对地电位Vm,E、机车所在钢轨对地电位为VT,E、m端供电区到机车的钢轨电阻为Rrm和机车到m端供电区的钢轨电流为Irm，并根据基尔霍夫第二定律绘制钢轨对地电位分布图；

S3、分别测量每个测量点钢轨对地电位的电压值Vrm，并分别与所述钢轨对地电位分布图进行比对，当有测量点的钢轨对地电位电压值大于所述钢轨对地电位分布图上相对应的点值时，则所述测量点的钢轨上存在着杂散电流；相反，当测量点的钢轨对地电位电压值落在所述钢轨对地电位分布图上相对应的点值上时，则所述测量点的钢轨上不存在杂散电流。

进一步改进在于，所述步骤S2具体包括：

根据基尔霍夫第二定律可得：

V_T,E-V_m,E＝I_rm·R_rm

整理后可得：

V_T,E＝V_m,E+I_rm·R_rm

结合电阻率公式

可得出每个测量点钢轨对地电位电压值V与距离L成一次线性公式，并在所述钢轨对地电位分布图上绘制出所述一次线性公式。

进一步改进在于，还包括以下步骤：

S4、确定钢轨电阻率ρ、钢轨横截面积S和每个测量点之间的钢轨长度L_ri，根据电阻率公式算出每个测量点间的钢轨电阻R_ri和钢轨电流I_ri；

进一步改进在于，所述步骤S4中钢轨电阻R_ri的计算公式为：

钢轨电流I_ri的计算公式为：

其中，所述V_i和V_i-1分别为测量得到的测量点钢轨对地电位的电压值。

进一步改进在于，还包括以下步骤：

S5、当判定有测量点的钢轨上存在着杂散电流时，测量上行接触网和下行接触网的馈线电流I_cum、I_cdm，计算出m端供电区的总电流I_cm并根据基尔霍夫第二定律，计算出所述测量点钢轨上的杂散电流I_Si。

进一步改进在于，所述步骤S5中m端供电区的总电流的计算公式为：

I_cm＝I_cum+I_cdm

杂散电流I_Si的计算公式为：

I_si＝I_cum+I_cdm-I_ri。

进一步改进在于，所述钢轨对地电位分布图中的各个点均为同一时间的不同数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过对钢轨回流电流的监测和数据处理可以实现对钢轨杂散电流更为直观的监测，能够发现钢轨泄漏的薄弱环节并定位杂散电流泄漏发生位置，让运营人员及时有效的处理，从而降低杂散电流的隐患和危害。通过同步监测多段轨电位参数，结合钢轨电阻计算出钢轨上回流电流分布情况，利用本发明中的算法可评估出杂散电流的分布情况，为现场检修人员快速定位钢轨电流泄漏点提供依据。

附图说明

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

图1为本发明一实施方式的区间有机车运行时等效原理图；

图2为本发明一实施方式的轨电位分布示意图；

图中Icm是m端供电区的总电流，Icum是m端供电区的上行接触网馈线电流，Icdm是m端供电区的下行接触网馈线电流，Icn是n端供电区的总电流，Icun是n端供电区的上行接触网馈线电流，Icdn是n端供电区的下行接触网馈线电流，Vi-1是i-1点钢轨对地的电位，Vi是i点钢轨对地的电位。UTSM、UTSN为m、n两端供电区对钢轨的电压,Rri是i点到i-1点的钢轨电阻，Isi是i点到i-1点的杂散电流，Irm是机车到m端供电区的钢轨电流，Irn是机车到n端供电区的钢轨电流。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“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，也可以是通过中间媒介间接连接，可以说两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

参照图1、图2，一种分布式轨电位及杂散电流实时监控方法，包括以下步骤：

S1、设置直流牵引网络中区间有机车运行时的模拟电路图，所述模拟电路图包括m端供电区和n端供电区、上行接触网、下行接触网和钢轨，并在所述钢轨上设置若干个测量点，每个测量点均设置有钢轨对地电位；

S2、分别确定m端供电区的对地电位Vm,E、机车所在钢轨对地电位为VT,E、m端供电区到机车的钢轨电阻为Rrm和机车到m端供电区的钢轨电流为Irm，并根据基尔霍夫第二定律绘制钢轨对地电位分布图；

S3、分别测量每个测量点钢轨对地电位的电压值Vrm，并分别与所述钢轨对地电位分布图进行比对，当有测量点的钢轨对地电位电压值大于所述钢轨对地电位分布图上相对应的点值时，则所述测量点的钢轨上存在着杂散电流；相反，当测量点的钢轨对地电位电压值落在所述钢轨对地电位分布图上相对应的点值上时，则所述测量点的钢轨上不存在杂散电流。

S4、确定钢轨电阻率ρ、钢轨横截面积S和每个测量点之间的钢轨长度L_ri，根据电阻率公式算出每个测量点间的钢轨电阻R_ri和钢轨电流I_ri；

S5、当判定有测量点的钢轨上存在着杂散电流时，测量上行接触网和下行接触网的馈线电流I_cum、I_cdm，计算出m端供电区的总电流I_cm并根据基尔霍夫第二定律，计算出所述测量点钢轨上的杂散电流I_Si。

可以理解，在本发明实施例中，直流线网由多直流电源经接触网和回流轨并联连接，***接线复杂，不利于对轨道线路的各种工作状况进行定量分析，无法直接体现线路中各个电气参数的相互关系。本发明设计为实现通过轨电位对杂散电流进行实时监视的目的，提出将钢轨分为多段分析计算的线网等效电路模型，如图1。图中Icm是m端供电区的总电流，Icum是m端供电区的上行接触网馈线电流，Icdm是m端供电区的下行接触网馈线电流，Icn是n端供电区的总电流，Icun是n端供电区的上行接触网馈线电流，Icdn是n端供电区的下行接触网馈线电流，Vi-1是i-1点钢轨对地的电位，Vi是i点钢轨对地的电位。UTSM、UTSN为m、n两端供电区对钢轨的电压,Rri是i点到i-1点的钢轨电阻，Isi是i点到i-1点的杂散电流，Irm是机车到m端供电区的钢轨电流，Irn是机车到n端供电区的钢轨电流。

可以理解，在本发明实施例中，当轨电位的测量值明显偏离在分布图中的特征线时，根据欧姆定律判断该区段存在杂散电流；相反，轨电位的测量值接近特征线则不存在杂散电流或杂散电流较小。关于轨电位的测量如图2，其中是i-1点钢轨对地的电位，是i点钢轨对地的电位。应注意：1.密集的轨电位测量点，更能具体地显示杂散电流的分布；2.轨电位分布图的各个点均为同一时间的数据，因此要保证测量数据的高精度时间同步。

作为本发明一优选实施方案，所述步骤S2具体包括：

根据基尔霍夫第二定律可得：

V_T,E-V_m,E＝I_rm·R_rm

整理后可得：

V_T,E＝V_m,E+I_rm·R_rm

结合电阻率公式

可得出每个测量点钢轨对地电位电压值V与距离L成一次线性公式，并在所述钢轨对地电位分布图上绘制出所述一次线性公式。

作为本发明一优选实施方案，所述步骤S4中钢轨电阻R_ri的计算公式为：

钢轨电流I_ri的计算公式为：

其中，所述V_i和V_i-1分别为测量得到的测量点钢轨对地电位的电压值。

作为本发明一优选实施方案，所述步骤S5中m端供电区的总电流的计算公式为：

I_cm＝I_cum+I_cdm

杂散电流I_Si的计算公式为：

I_si＝I_cum+I_cdm-I_ri。

作为本发明一优选实施方案，所述钢轨对地电位分布图中的各个点均为同一时间的不同数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过对钢轨回流电流的监测和数据处理可以实现对钢轨杂散电流更为直观的监测，能够发现钢轨泄漏的薄弱环节并定位杂散电流泄漏发生位置，让运营人员及时有效的处理，从而降低杂散电流的隐患和危害。通过同步监测多段轨电位参数，结合钢轨电阻计算出钢轨上回流电流分布情况，利用本发明中的算法可评估出杂散电流的分布情况，为现场检修人员快速定位钢轨电流泄漏点提供依据。

图中，描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种分布式轨电位及杂散电流实时监控方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、设置直流牵引网络中区间有机车运行时的模拟电路图，所述模拟电路图包括m端供电区和n端供电区、上行接触网、下行接触网和钢轨，并在所述钢轨上设置若干个测量点，每个测量点均设置有钢轨对地电位；

S2、分别确定m端供电区的对地电位Vm,E、机车所在钢轨对地电位为VT,E、m端供电区到机车的钢轨电阻为Rrm和机车到m端供电区的钢轨电流为Irm，并根据基尔霍夫第二定律绘制钢轨对地电位分布图；

S3、分别测量每个测量点钢轨对地电位的电压值Vrm，并分别与所述钢轨对地电位分布图进行比对，当有测量点的钢轨对地电位电压值大于所述钢轨对地电位分布图上相对应的点值时，则所述测量点的钢轨上存在着杂散电流；相反，当测量点的钢轨对地电位电压值落在所述钢轨对地电位分布图上相对应的点值上时，则所述测量点的钢轨上不存在杂散电流；

所述步骤S2具体包括：

根据基尔霍夫第二定律可得：

V_T,E-V_m,E＝I_rm·R_rm

整理后可得：

V_T,E＝V_m,E+I_rm·R_rm

结合电阻率公式

可得出每个测量点钢轨对地电位电压值V与距离L成一次线性公式，并在所述钢轨对地电位分布图上绘制出所述一次线性公式；

还包括以下步骤：

S4、确定钢轨电阻率ρ、钢轨横截面积S和每个测量点之间的钢轨长度L_ri，根据电阻率公式算出每个测量点间的钢轨电阻R_ri和钢轨电流I_ri；

所述步骤S4中钢轨电阻R_ri的计算公式为：

钢轨电流I_ri的计算公式为：

其中，所述V_i和V_i-1分别为测量得到的测量点钢轨对地电位的电压值；

还包括以下步骤：

S5、当判定有测量点的钢轨上存在着杂散电流时，测量上行接触网和下行接触网的馈线电流I_cum、I_cdm，计算出m端供电区的总电流I_cm并根据基尔霍夫第二定律，计算出所述测量点钢轨上的杂散电流I_Si；

所述步骤S5中m端供电区的总电流的计算公式为：

I_cm＝I_cum+I_cdm

杂散电流I_Si的计算公式为：

I_si＝I_cum+I_cdm-I_ri。

2.根据权利要求1所述的一种分布式轨电位及杂散电流实时监控方法，其特征在于，所述钢轨对地电位分布图中的各个点均为同一时间的不同数据。

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