地铁杂散电流排流装置.pdf

本发明所述的地铁杂散电流排流装置，包括排流进线端子、汇流母线、控制电路、排流电路，控制电路包括信号采集电路、微控制器、IGBT驱动电路。使用时，实时采集排流网结构钢筋电位与参比电极电位，通过微控制器取该两电位的差值，并将该差值与参考电压进行比较，当该比较值大于0.5V时，根据该比较值与0.5V相差的大小关系，由微控制器内的程序计算出所需变化的IGBT的占空比，并发出变化的控制信号，通过IGBT驱动电路改变IGBT的占空比，从而自动改变限流电阻的阻值，使地铁电流排流装置能够及时、有效地排流，将

1、  一种地铁杂散电流排流装置，包括排流进线端子(PLW)、汇流母线(2)，其特征为：所述地铁杂散电流排流装置包括控制电路、与控制电路相连的排流电路，
所述控制电路包括参比电极(1)、与参比电极(1)相连的信号采集电路(I/O)、与信号采集电路(I/O)输出端相连的微控制器(CPU)、与微控制器(CPU)相连的IGBT驱动电路(DRV)，所述信号采集电路(I/O)包括电压信号采集电路；
所述排流电路包括含有可调限流电阻且连接于排流进线端子(PLW)与汇流母线(2)之间的排流支路，所述可调限流电阻由绝缘栅双极型晶体管(IGBT)与斩波电阻(R2)并联组成，其中：排流进线端子(PLW)与信号采集电路(I/O)中电压信号采集电路的输入端相连；绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的栅极与IGBT驱动电路(DRV)相连。

2、  根据权利要求1所述的地铁杂散电流排流装置，其特征为：所述排流支路两端还并联有第一电压传感器(SV1)；所述信号采集电路还包括电压电流信号程控放大器，其中：第一电压传感器(SV1)的输出端与信号采集电路(I/O)中电压电流信号程控放大器的输入端相连。

3、  根据权利要求2所述的地铁杂散电流排流装置，其特征为：还包括与汇流母线(2)相连的接地支路，所述接地支路是由第二整流二极管(VD2)和第三整流二极管(VD3)并联组成的整流器与第五电阻(R5)和第三电容(C3)串联组成的阻容吸收电路并联后与第三固定电阻(R3)、第二电流传感器(SC2)、第二直流快速容断器(FU2)串联之后再与第二电压传感器(SV2)、第二压敏电阻(RV2)并联组成的电路，其中：第二电流传感器(SC2)的输出端、第二电压传感器(SV2)的输出端、第二直流快速容断器(FU2)的输出端与信号采集电路(I/O)中电压电流信号程控放大器的输入端相连。

4、  根据权利要求2或3所述的地铁杂散电流排流装置，其特征为：它还包括排流电路保护装置，所述排流电路保护装置包括串联在排流支路上的第一整流二极管(VD1)、第一固定电阻(R1)、第一电流传感器(SC1)、第一直流快速容断器(FU1)，其中：第一整流二极管(VD1)的两端并联有由第四固定电阻(R4)和第一电容(C1)串联组成的阻容吸收电路；排流电路保护装置还包括与第一电压传感器(SV1)并联的第一压敏电阻(RV1)；排流电路保护装置还包括并联在斩波电阻(R2)两端的第二电容(C2)；排流电路保护装置还包括串联在汇流母线(2)上的第三电流传感器(SC3)，其中：第一电流传感器(SC1)、第三电流传感器(SC3)、第一直流快速容断器(FU1)的输出端与信号采集处理电路(I/O)中电压电流信号程控放大器的输入端相连。

地铁杂散电流排流装置
技术领域
本发明涉及地铁杂散电流排流装置。
背景技术
在世界各地的地铁中，普遍采用直流电电作为地铁车辆的电源，且大多数采用走行钢轨作为牵引电流的回流通道。随着地铁使用时间的延长，车辆与钢轨之间摩擦产生的金属粉尘在地下潮湿环境的作用下，使钢轨与大地之间的绝缘电阻不断减小，致使一部分牵引回流电流流向大地形成杂散电流(也称“迷流”)。杂散电流在流经地下金属结构时会产生电化学腐蚀，尤其对地铁沿线的输油管道、煤气管道、自来水管道及沿线建筑物结构钢等危害极大。
目前对杂散电流的防护一般采取“以防为主、以排为辅”的防护措施。“以防为主”，即首先应从源头着手，尽量减少杂散电流泄露，这要求设置合理的牵引供电系统并加强走行轨对地绝缘，在轨道与轨枕之间的绝缘，即在轨道与混凝土之间、扣件与混凝土轨枕之间采取绝缘措施，以减少钢轨的泄漏电流；同时要加强可能被腐蚀的管道、结构钢筋等的腐蚀防护，这样做在地铁运行初期可收到良好的效果。所谓“排”即是排流法，在道床内铺设钢筋网并进行电气连接，使之构成道床钢筋收集网。新建地铁大都将各段道床的结构钢筋焊成一电气整体，称之为道床排流网(主排流网)，把隧道壁的结构钢筋焊结成电气整体，称侧壁排流网(辅助排流网)，并将各段排流网通过电缆相连，使道床和侧壁内形成低电阻杂散电流通道，使该电流通过排流装置回流至牵引变电所整流器负极，避免泄漏到地下造成危害。
排流法分为固定限流电阻排流法和可变限流电阻排流法。固定限流电阻排流即在排流网进线端子与汇流母线之间串联一个固定阻值的电阻，其缺陷是：当列车在运行中负荷电流很大时，在回流点附近的轨道与排流网之间的电位差值很大，因此排流网结构钢筋与水泥基础间的电位差也很高，很容易超过行业标准规定的0.5V，这种排流状态称为“欠排流”，即排流的力度不够，仍导致排流网结构钢筋腐蚀。为此，可减小限流电阻值，或使其为零，这样可使回流点附近的排流网的极化电位小于0.5V或接近零，这种排流状态称为“过排流”，在过排流状态下，杂散电流对排流网结构钢筋的腐蚀危害较小，但地铁负荷端电位将增高，当地铁负荷端对地电位大于92V时，钢轨电位限制装置发生动作导致列车失电而停运。过排流、欠排流都不是理想的排流状态，理想排流状态下限流电阻应该是可变的，并使排流网结构钢筋与水泥基础之间的电位差保持在小于0.5V的范围内。用该电位来控制限流电阻实时改变才可能实现理想排流。
目前，可变限流电阻排流即在排流网进线端子与汇流母线之间串联一个可调限流电阻，其缺陷是：该可调限流电阻阻值的改变是依靠手动进行的，即在地铁运行中，根据杂散电流的泄露程度，手动改变可变限流电阻接入排流网的阻值，使排流达到标准，因该可变限流电阻接入排流网阻值的改变并非自动进行，其排流效果不理想，具有滞后性。
发明内容
本发明为了解决现有的地铁杂散电流排流装置不能及时、有效地排流，从而影响地铁的安全运行以及对地铁沿线各种金属管道、结构钢筋产生腐蚀等问题，提供一种地铁杂散电流排流装置。
本发明是采用如下技术方案实现的：地铁杂散电流排流装置，包括排流进线端子、汇流母线、控制电路、与控制电路相连的排流电路，
所述控制电路包括参比电极、与参比电极相连的信号采集电路、与信号采集电路的输出端相连的微控制器、与微控制器相连的IGBT驱动电路，所述信号采集电路包括电压信号采集电路；
所述排流电路包括含有可调限流电阻且连接于排流进线端子与汇流母线之间的排流支路，所述可调限流电阻由绝缘栅双极型晶体管与斩波电阻并联组成，其中：排流进线端子与信号采集电路中电压信号采集电路的输入端相连；绝缘栅双极型晶体管的栅极与IGBT驱动电路相连。
上述IGBT驱动电路用于控制IGBT的通断，电压信号采集电路用于采集和放大参比电极和排流网结构钢的电位，对本领域技术人员来讲，IGBT驱动电路和电压信号采集电路的电路结构是容易实现的。
地铁杂散电流排流装置在使用时，能够根据排流网结构钢与参比电极电位差的大小，由微控制器内的程序计算出所需绝缘栅双极型晶体管的导通占空比，并发出驱动信号，通过IGBT驱动电路改变IGBT的占空比，使用IGBT作为电流控制的执行器件进行高速直流斩波，从而改变限流电阻的阻值。不同的占空比将产生不同的限流电阻值，从而自动对限流电阻进行调节，使排流过程达到理想状态。
本发明所述的地铁杂散电流排流装置，根据排流网结构钢电位，通过微控制器自动改变绝缘栅双极型晶体管的占空比，从而自动改变限流电阻的阻值，使地铁杂散电流排流装置能够及时、有效地泄放，从而使杂散电流的危害降到最低，保障地铁的安全运行以及减小对地铁沿线结构钢筋产生的腐蚀，为地铁的安全运营创造了必要的条件。
附图说明
图1为地铁杂散电流排流装置电气结构图；
图2为地铁杂散电流排流装置内微控制器的主要电路图；
图3为信号采集电路中电压采集电路的主要电路图；
图4为信号采集电路中电压电流信号程控放大器的主要电路图。
附图中：1-参比电极，2-汇流母线，I/O-信号采集电路、CPU-微控制器，DRV-IGBT驱动电路，IGBT-绝缘栅双极型晶体管，PLW-排流进线端子，VD1-第一整流整流二极管，VD2-第二整流整流二极管，VD3-第三整流整流二极管，R1-第一固定电阻，R2-斩波电阻，R3-第三固定电阻，R4-第四固定电阻，R5-第五固定电阻，C1-第一电容，C2-第二电容，C3-第三电容，RV1-第一压敏电阻，RV2-第二压敏电阻，SV1-第一电压传感器，SV2-第二电压传感器，SC1-第一电流传感器，SC2-第二电流传感器，SC3-第三电流传感器，FU1-第一直流快速容断器，FU2-第二直流快速容断器。
具体实施方式
现结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
地铁杂散电流排流装置，包括排流进线端子PLW、汇流母线2、控制电路、与控制电路相连的排流电路，
所述控制电路包括参比电极1、与参比电极1相连的信号采集电路I/O、与信号采集电路I/O输出端相连的微控制器CPU、与微控制器CPU相连的IGBT驱动电路DRV，所述信号采集电路I/O包括电压信号采集电路；
所述排流电路包括含有可调限流电阻且连接于排流进线端子PLW与汇流母线2之间的排流支路，所述可调限流电阻由绝缘栅双极型晶体管IGBT与斩波电阻R2并联组成，其中：排流进线端子PLW与信号采集电路I/O中电压信号采集电路的输入端相连；绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极与IGBT驱动电路DRV相连，斩波电阻R2并联在绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极和集电极上。
如图2所示，所述微控制器CPU包括微处理器芯片U1，微处理器芯片U1通过数据锁存器U2与程序存储器U3相连，微处理器芯片U1还配置有相应的外围电路。
如图1所示，地铁杂散电流排流装置在使用时，排流进线端子PLW与排流网结构钢相连，汇流母线2与牵引变电所内整流器负极相连，参比电极1(具体实施时，参比电极是一个原电池)的负极接地。在地铁供电网夜间停电，机车停止运行时，信号采集电路中的电压信号采集电路采集排流网结构钢即排流进线端子PLW处的电位与参比电极1的电位。
如图3所示，电压信号采集电路采用隔离运算放大器U4、运算放大器U6来实现电位信号采集放大功能。排流进线端子PLW处的电位信号从电压信号采集电路中的隔离运算放大器U4的输入端JG4输入；参比电极1的电位从电压信号采集电路中的隔离运算放大器U4的输入端CAN4输入。隔离运算放大器U4可将输入端的信号进行电磁隔离，避免给控制器引入电磁干扰，增强了排流装置控制器的电磁兼容性。在夜间停车时，电压信号采集电路将采集到该两处电位放大信号传输给微控制器CPU，经由微控制器CPU内程序取它们的差值，该差值称排流网结构钢的第一极化电位，并将该第一极化电位记录在微控制器CPU内，该第一极化电位作为调节IGBT占空比的参考电位。当列车正常运行时，电压信号采集电路采集排流网结构钢即排流进线端子PLW处的电位与参比电极1的电位，并将该两处电位信号传输给微控制器CPU，经由微控制器CPU内程序取它们的差值，该差值称排流网结构钢的第二极化电位，并将该第二极化电位记录在微控制器CPU内。
当微控制器CPU取得第一极化电位和第二极化电位值后，经微控制器CPU内相关程序运算，取第二极化电位与第一极化电位的差值，当该差值大于0.5V时(此处的0.5V为国标规定造成腐蚀的上限值)，微控制器CPU将发出控制脉冲，通过IGBT驱动电路DRV使IGBT导通，并根据该差值与0.5V相差大小关系，经微控制器CPU内预先设定的程序自动计算出所需绝缘栅双极型晶体管IGBT的占空比，并根据微控制器CPU内的脉冲生成程序发出控制信号，通过IGBT驱动电路DRV改变绝缘栅双极型晶体管IGBT的占空比，并用绝缘栅双极型晶体管IGBT作为电流控制的执行器件进行高速直流斩波，从而改变限流电阻的阻值。
在地铁运行过程中，排流网结构钢的极化电位1和排流网结构钢的极化电位2不断变化，电压信号采集电路通过实时采集排流网结构钢第一极化电位和第二极化电位，并将该动态的第一极化电位和第二极化电位值送入微控制器CPU内。经微控制器CPU内相关程序运算，取第二极化电位与第一极化电位之间的动态差值，微控制器CPU根据预先设定的程序以该动态差值与0.5V之间的大小关系，自动计算出所需绝缘栅双极型晶体管IGBT的占空比，并根据微控制器CPU内的脉冲生成程序发出控制信号，通过IGBT驱动电路DRV自动改变绝缘栅双极型晶体管IGBT的占空比，并使用绝缘栅双极型晶体管IGBT作为电流控制的执行器件进行高速直流斩波，动态的绝缘栅双极型晶体管IGBT的占空比将产生不同的限流电阻值，从而根据排流网结构钢上不断变化的电压，自动改变限流电阻的阻值，从而自动对限流电阻进行调节，使排流过程达到理想状态。
因地铁的长时间运行，参比电极1的电位不稳定，随着其使用时间的增加，其电位逐渐衰减。当参比电极1电位逐渐衰减到一定程度后，其作为排流网结构钢电位的对比电位的精确性降低，微控制器CPU计算出变化的绝缘栅双极型晶体管IGBT的占空比的精确性下降，从而导致改变的限流电阻的阻值也不精确，导致排流效果不理想。
为解决上述问题，在本装置上设计另一种参比电极信号采集方式即排流网结构钢与整流器负极电位运行方式，该方式在排流支路两端还并联有第一电压传感器SV 1所述信号采集电路还包括电压电流信号程控放大器，其中：第一电压传感器SV1的输出端与信号采集电路I/O中电压电流信号程控放大器的输入端相连。第一电压传感器SV1实时采集排流网结构钢即排流进线端子PLW与整流器负极即回流母线2之间的电压值，该电压信号从信号采集电路I/O中电压电流信号程控放大器的输入端V1CPU输入。所述的电压电流信号程控放大器的作用是对输入的电压电流信号进行放大处理，其电路结构是本领域技术人员容易实现的。在本具体实施方式中，如图4所示，信号采集电路中的电压电流信号程控放大器由多路转换开关U9、U10及精密运算放大器U11组成，通过程序控制选通不同信号采集通道和不同的信号放大倍数，可将微小电压信号进行放大后再进行A/D转换，采用程控放大电路进行信号采集，可以大大提高信号采集的精度。该电压信号经电压电流信号程控放大器放大后传输给微控制器CPU，微控制器CPU将此电压与预先设定在程序中的参考电压(该参考电压通常设定为5V)进行比较，微控制器CPU根据该电压值与预先设定参考电压5V之间的大小关系，自动计算出所需绝缘栅双极型晶体管IGBT的占空比，并根据微控制器CPU内的脉冲生成程序发出控制信号，通过IGBT驱动电路DRV改变绝缘栅双极型晶体管IGBT的占空比，并使用绝缘栅双极型晶体管IGBT作为电流控制的执行器件进行高速直流斩波，从而改变限流电阻的阻值。其中，上述参考电压5V的大小可通过微控制器CPU内的程序进行修改。
根据运行经验，该运行方式中的参考电压差与国标规定的“结构钢极化电位大于0.5V即造成腐蚀”存在约10倍的关系，即当排流网与整流器负极电压差大于5伏时即造成腐蚀。
运行中，当参比电极1电位逐渐衰减，以致很严重地影响微控制器CPU由此计算出所需的绝缘栅双极型晶体管IGBT占空比的精确性时，可由微控制器CPU进行设置，选用该种运行方式。该运行方式是在参比电极损坏或自然寿命结束后的一种后备运行方式。这样，使杂散电流排流装置能够采用排流网结构钢极化电位和排流网结构钢与整流器负极电位两种控制方式互备运行，使排流装置的使用更可靠。
为完善杂散电流排流装置的功能，地铁杂散电流排流装置还包括与汇流母线2相连的接地支路，所述接地支路是由第二整流二极管VD2和第三整流二极管VD3并联组成的整流器与第五电阻R5和第三电容C3串联组成的阻容吸收电路并联后与第三固定电阻R3、第二电流传感器SC2、第二直流快速容断器FU2串联之后再与第二电压传感器SV2、第二压敏电阻RV2并联组成的电路，其中：第二电流传感器SC2的输出端、第二电压传感器SV2的输出端、第二直流快速容断器FU2的输出端与信号采集电路I/O中电压电流信号程控放大器的输入端相连。
在使用时，第二整流整流二极管VD2、第三整流整流二极管VD3的正极与牵引变电所内的直流接地网相连，当该牵引变电所内的设备短路时产生故障电流，因故障电流较大，故接地支路上的第二整流整流二极管VD2、第三整流整流二极管VD3的容量相对排流支路上的第一整流整流二极管VD1的容量要大，其上的第二电流传感器SC2、第二直流快速容断器FU2的容量也相应地较大，接地支路上的电流与排流网上的杂散电流在汇流母线2上汇合，之后流向牵引变电所内整流器的负极。
微控制器CPU内的软件可以设置接地支路电流的上限值和维持时间，第二电流传感器SC2将检测到实际流过该支路的电流经过信号采集电路I/O中电压电流信号程控放大器的输入端I1CPU输入，经该电压电流信号程控放大器放大后传输给微控制器CPU，经微控制器CPU内程序的判断，当实际流过该支路的电流超过该设定电流值并超过设定的维持时间时，微控制器CPU发出报警信号。当接地支路上出现过电压时，第二压敏电阻RV2对支路进行保护。第二电压传感器SV2实时将其检测的电压通过信号采集电路I/O中电压电流信号程控放大器的输入端V1CPU输入，该电压电流信号程控放大器将第二电压传感器SV2输出的电流信号进行I/U变换放大后传输给微控制器CPU，从而微控制器CPU能够实时显示接地支路上的电压。
为完善地铁杂散电流排流装置的功能，地铁杂散电流排流装置还包括排流电路保护装置，所述排流电路保护装置包括串联在排流支路上的第一整流二极管VD1、第一固定电阻R1、第一电流传感器SC1、第一直流快速容断器FU1，其中：第一整流二极管VD1的两端并联有由第四固定电阻R4和第一电容C1串联组成的阻容吸收电路；排流电路保护装置还包括与第一电压传感器SV1并联的第一压敏电阻RV1；排流电路保护装置还包括并联在斩波电阻R2两端的第二电容C2；排流电路保护装置还包括串联在汇流母线2上的第三电流传感器SC3，其中：第一电流传感器SC1、第三电流传感器SC3、第一直流快速容断器FU1的输出端与信号采集处理电路I/O中电压电流信号程控放大器的输入端相连。
在排流支路上串接第一固定电阻R1，可以有效防止可调限流电阻值调为零，从而避免回流点附近的排流网的极化电位小于0.5V或接近零，不会造成“过排流”问题。在排流支路上串接第一整流二极管VD1，能够保证杂散电流始终从排流进线端子PLW流向汇流母线2。当第一整流二极管VD1两端电压过高时，R4C1阻容吸收电路可以有效保护该第一整流二极管VD1；当IGBT两端电压过高时，C2可以有效保护IGBT。
在使用过程中，微控制器CPU内的软件可以设置该排流支路电流的上限值，第一电流传感器SC 1将检测到实际流过该支路的电流经过信号采集电路I/O中电压电流信号程控放大器放大后传输给微控制器CPU，经微控制器CPU内程序的判断，当实际流过该支路的电流超过该设定电流值并超过设定的维持时间时，微控制器CPU发出报警信号。当排流支路上出现过电压时，第一压敏电阻RV1对支路进行保护；微控制器CPU通过取自电压传感器SV1、第一电流传感器SC1的信号，综合第一直流快速容断器FU1信号，当第一直流快速容断器FU1未容断，经过相关程序判断，当检测到电流小于或等于零时，则可判断该支路的第一整流二极管VD1损坏。第一电压传感器SV1实时将其检测排流支路上的电压经过信号采集电路I/O中的电压电流信号程控放大器放大后传输给微控制器CPU，从而微控制器CPU能够实时显示排流支路上的电压。第三电流传感器SC3实时将其检测的汇流母线2上的总电流经过信号采集电路I/O中的电压电流信号程控放大器放大后传输到微控制器CPU，从而微控制器CPU能够实时显示汇流母线2上的总电流值。
上述电压传感器、电流传感器均是目前市场上的成熟产品，电压传感器输出端均与信号采集电路I/O中的电压电流信号程控放大器的电压输入端相连；电流传感器的输出端均与信号采集电路I/O中的电压电流信号程控放大器的电流输入端相连。
该装置还通过微控制器CPU中的通信程序，利用RS-485通讯电路可将各支路电流、电压、排流支路绝缘栅双极型晶体管IGBT触发脉冲的占空比、汇流母线2上的总电流、快容容断信息等各类数据信号实时传输给上级系统，如杂散电流监测装置或电力监控系统，其之间的具体连接是本领域技术人员容易实现的。
地铁杂散电流排流装置可以设置四条上述电气结构和控制原理完全相同的排流支路，分别满足地铁上行道床、下行道床、上行侧壁、下行侧壁四组排流网收集的杂散电流的回流。从而使地铁电流排流装置能够更及时、有效地泄放，使整个地铁系统的排流达到理想状态，从而使杂散电流的危害降到最低，保障地铁的安全运行以及减小对地铁沿线结构钢筋产生的腐蚀，为地铁的安全运营创造了更好的条件。