一种基于钢轨回流的地铁轨地绝缘破损检测系统及方法与流程

1.本发明属于电气化轨道交通领域，具体涉及一种基于钢轨回流的地铁轨地绝缘破损检测系统及方法。


背景技术：

2.随着地铁建设规模、运营里程和行车密度的不断增加，关于地铁牵引电流由于轨地绝缘不良而泄漏到大地形成的杂散电流造成的危害也日益凸显。地铁的杂散电流是一种有害的电流，会对地铁中的电气设备、隧道、道床的结构钢和附近的金属管线造成不同程度的危害，此外，杂散电流也会通过接地网窜入周边电网系统，影响变电站正常运行。
3.目前我国的地铁列车供电多采用直流牵引供电方式，机车所需电流由牵引变电所提供，通过接触网取流，并经过钢轨回流到牵引变电所整流机组负极。由于钢轨具有电阻并有电流流过，所以在钢轨上存在着对地压降，同时钢轨对地并非完全绝缘，而是存在着一定的过渡电阻，因此，在地铁列车运行过程中，将有电流由钢轨泄露流入大地，形成杂散电流。
4.目前杂散电流的防护一般都坚持以防为主，以排为辅，两者结合，加强监护的原则。防护设计方式大体上可分为三类：一是控制杂散电流产生的源头，减少杂散电流产生的数量；二是通过杂散电流收集以及排流系统，给杂散电流提供返回牵引变电所的路径；三是建立完备的杂散电流监测系统，监视、测量杂散电流的大小，一旦发现杂散电流过高则及时进行处理。然而，随着国家城市化的程度越来越高，轨道交通建设的规模也会随之扩大，在我国轨道交通直流牵引供电系统中，由于采用走行轨做回流导体以及绝缘垫片的老化导致绝缘能力下降等问题，杂散电流将会始终伴随着地铁的运行而存在。


技术实现要素：

5.针对目前地铁运营中存在的问题，需要及时发现轨地间的绝缘破损，并防止钢轨对地绝缘进一步损坏而导致杂散电流增大，本发明提供一种基于钢轨回流的地铁轨地绝缘破损检测系统及方法。
6.本发明的一种基于钢轨回流的地铁轨地绝缘破损检测系统，由轮对位置检测模块、信号发生模块、信号接收模块、信号处理与转换模块以及显示模块五个部分组成。
7.轮对位置检测模块包括布置在检测区段两端的两个地面位置传感器，两个地面传感器与安装在特定轮对的传感器相互配合，当第一个地面位置传感器检测到列车轮对信号时，即表示列车已经进入检测区段，当第二个地面位置传感器检测到列车轮对信号时，即表示列车离开检测区段。
8.信号发生模块包括主控系统和任意波形发生器，用于产生特定频率的正弦交流信号并注入一侧的钢轨；信号接收模块包括布置在另一侧钢轨的电流传感器，用于接收该钢轨上的电流信号。
9.信号处理与转换模块为计算机系统，用于对来自电流传感器的电流信号进行处理与转换。
10.显示模块为一块液晶显示屏，用于显示经计算机处理与运算后的结果与数据。
11.本发明的一种基于钢轨回流的地铁轨地绝缘破损检测方法，采用上述基于钢轨回流的地铁轨地绝缘破损检测系统，具体过程为：
12.当地铁车辆进入检测区段，特定轮对经过第一个地面位置传感器时，第一个地面位置传感器检测到轮对信号后，向主控系统输出信号，主控系统随即向轨旁任意波形发生器输出指令，任意波形发生器立即向此侧钢轨注入频率为f，幅值为a的正弦波，此正弦波信号经钢轨传导，并经地铁轮对传播至对侧钢轨，对侧钢轨的电流传感器捕捉钢轨电流信号后，送往计算机系统进行信号处理与转换。
13.计算机系统在接收到来自电流传感器的电流信号后，首先对电流信号进行快速傅里叶变换处理，分解得到一系列频率各不相同的正弦信号，然后计算机系统从中筛选出频率为f的信号并对其进行实时监测；若检测区段内存在绝缘破损点，则当任意波形发生器输出的正弦电流流经破损点时，会有一部分电流从破损点泄漏，因计算机系统在对这一信号进行实时监测，所以当轮对压过绝缘破损点时，计算机系统测得这一频率为f的正弦信号会出现幅值跌落，且轮对压过一个绝缘破损点，该正弦信号就会出现一次幅值跌落，当出现一次幅值跌落时，计算机系统随即记录产生跌落的时间点t；当第二个地面位置传感器检测到地铁轮对信号时，表明地铁列车已驶离检测区段，此时第二个地面位置传感器向主控系统输出信号，主控系统随即向轨旁任意波形发生器输出指令，任意波形发生器停止输出频率为f的信号，计算机系统也随即停止接收来自电流传感器的信号，转而对已取得的数据进行处理；计算机系统将所记录的一系列时间点t与列车的速度数据结合进行计算，从而得出每个绝缘破损点的大致位置，并将其输出至液晶显示屏上，从而为钢轨的检修工作提供数据支持。
14.本发明与现有技术相比的有益技术效果为：
15.1.本发明相较于传统的检测方法只能利用杂散电流的大小来判断钢轨绝缘破损情况，本发明以钢轨回流为基础，实现了对绝缘破损的实时检测，且不影响地铁列车的运营，可实现全天候或分时段实时检测，只要有列车在该检测区段运行，就可以实现实时检测，提升了绝缘破损检测的效率与便利性。
16.2.本发明可以实现对绝缘破损点的相对精确的定位。传统的检测方法只能通过杂散电流的大小来大致判断某一区段的牵引电流泄露情况从而评估这一区段的绝缘损坏情况，而无法得知钢轨上具体的绝缘损坏点位，并且对杂散电流的检测难度也较大，成本较高。本发明以傅里叶分解为媒介，将地铁轮对作为信号传导路径，利用轮对压过绝缘破损点信号波会出现幅值跌落这一特点，并结合列车速度，实现了对绝缘破损点的相对精确定位，大大提升了对于牵引电流在钢轨上的泄漏点的定位精确性。
17.3.本发明结合现有的地铁牵引供电机制，并不需要设置额外的检测环节，因此大大减小了设计成本，并且在检测进程是在列车经过检测区段这一时间内完成的，并没有对地铁的正常运行产生影响，最大程度的降低了对公共交通秩序的影响。
18.4.本发明相较于已有的技术，其检测时间短，并且是分区段检测，因此可以实现地铁线路的全线检测，也可以选取部分泄漏较严重的区段进行重点检测，可以自由安排检测区段与检测时间，具有检测效率高、成本低、精确度高的特点。
附图说明
19.图1为地铁轨地示意图。
20.图2为牵引电流泄漏示意图。
21.图3为本发明基于钢轨回流的地铁轨地绝缘破损检测系统。
22.图4为本发明基于钢轨回流的地铁轨地绝缘破损检测系统布置截面图。
23.图5为本发明基于钢轨回流的地铁轨地绝缘破损检测方法流程图。
24.附图标号释义：1-受电弓、2-隧道、3-接触网、4-下土壤层、5-排流柜、6-牵引变电所、7-绝缘垫片、8-主排流网、9-辅助排流网、10-道床混凝土、11-道钉、12-弹条、13-轨距挡板、14-套筒、15-钢轨、16-电流传感器、17-计算机系统、18-主控系统、19-任意波形发生器、20-第一个地面传感器、21-第二个地面传感器、22-轮对。
具体实施方式
25.下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步的详细说明。
26.本发明应用的地铁轨地系统示意图如图1所示，包括牵引变电所6、排流柜5、绝缘垫片7、受电弓1、隧道2、主排流网8、辅助排流网9、接触网3、下土壤层4。
27.当轨地绝缘破损时造成钢轨电流泄露入地如图2所示。当钢轨15和混凝土10之间的绝缘层、橡胶垫片7或绝缘零件发生破损时，对钢轨电流的绝缘性降低，钢轨15上流通的电流会从绝缘处泄露入地，造成杂散电流增加，使变压器直流偏磁加剧。
28.本发明主要用于检测某一地铁运行区段内的钢轨对地绝缘损坏情况以及确定钢轨对地绝缘损坏的准确地点，从而为钢轨的维护及修缮措施提供依据，减少杂散电流进而降低杂散电流对埋地金属管道、混凝土结构钢筋以及附近交流电网的影响。
29.本发明的基于钢轨回流的地铁轨地绝缘破损检测系统图如图3、图4所示，包括第一个地面位置传感器20、第二个地面位置传感器(21)、任意波形发生器19、主控系统18、电流传感器16、计算机系统17、检测区段等。将各个装置布置在地铁轨道旁。本发明的基于钢轨回流的地铁轨地绝缘破损检测方法流程如图5所示，当列车驶入检测区段时，首先由第一个地面位置传感器20检测到列车轮对22信号，并立即向主控系统18发送信号；如图4所示，主控系统18接收到来自第一个地面位置传感器20的信号的同时，会对轨旁任意波形发生器19输出指令，并经地铁轮对22传播至对侧钢轨，对侧钢轨的电流传感器16捕捉到钢轨电流信号后，将会把此信号传给计算机系统17，由计算机系统17进行信号处理与转换。
30.计算机系统17在接收到来自电流传感器16的电流信号后，首先对其进行快速傅里叶变换处理，分解得到一系列频率各不相同的正弦信号，然后计算机系统17从中筛选出频率为f的信号并对其进行实时监测。若检测区段内存在绝缘破损点，则当任意波形发生器19输出的正弦电流流经破损点时，会有一部分电流从破损点泄漏，因计算机系统17在对这一信号进行实时监测，所以当轮对压过绝缘破损点时，计算机系统17测得这一频率为f的正弦信号会出现幅值跌落，且轮对压过一个绝缘破损点，该正弦信号就会出现一次幅值跌落，当出现一次幅值跌落时，计算机系统17随即记录产生跌落的时间点t。当第二个地面位置传感器21检测到地铁轮对22信号时，表明地铁列车已驶离检测区段，此时第二个地面位置传感器21向主控系统18输出信号，主控系统随即向轨旁任意波形发生器19输出指令，任意波形发生器19停止输出频率为f的信号，计算机系统17也随即停止接收来自电流传感器16的信
号，转而对已取得的数据进行处理。计算机系统17将所记录的一系列时间点t与列车的速度数据结合进行计算，从而得出每个绝缘破损点的位置，并将其输出至液晶显示屏上，从而为钢轨的检修工作提供数据支持。