城市轨道交通屏蔽门与走行轨动态连接电路及控制方法

1.本发明属于轨道交通技术领域，具体是一种城市轨道交通屏蔽门与走行轨动态连接电路及控制方法。


背景技术：

2.城市轨道交通普遍采用直流牵引供电系统为列车提供动力，走行轨作为列车牵引电流的回流通道，在牵引电流回流过程中，走行轨与地之间会存在电位差，称作钢轨电位；同时部分回流电流会从走行轨中泄漏到周边介质中，形成杂散电流。目前，钢轨电位及杂散电流已经对城市轨道交通安全运行造成了严重的危害。
3.屏蔽门作为轨旁设备，其安装在站台的边缘，且与列车车体之间的距离很近，在乘客上下车过程中，极有可能同时接触到列车车体外壳和屏蔽门门体。由于列车车体与走行轨等电位，其外壳可能存在较高电位，使得车体与屏蔽门间可能会出现电位差，为乘客人身安全带来了严重的安全隐患。为此，目前全国多数地铁运营线路均采用屏蔽门绝缘设计安装，使屏蔽门结构与站台结构绝缘，同时将屏蔽门与走行轨利用电缆进行等电位连接，以保证乘客上下车时不受钢轨电位的影响，如图1所示，其中，走行轨设置在道床上，且通过绝缘垫与道床绝缘。这种屏蔽门与走行轨采用等电位连接电缆直接相连的方式存在以下问题：一、这种连接方式固定，受施工原因、潮气环境等因素的影响，并随着运营年限的增长，屏蔽门普遍存在绝缘薄弱的现象，并极易出现绝缘失效的情况，一旦屏蔽门绝缘出现薄弱或失效的情况，回流电流将通过屏蔽门位置泄漏，进而屏蔽门会成为线路杂散电流泄漏的集中区域，这将增大线路杂散电流水平，对周边埋地金属设施产生一定的腐蚀效应。二、在长时间的连接过程中，当屏蔽门关闭、乘客接触不到列车电位及走行轨电位时，屏蔽门依然与走行轨等电位连接，其自身相对周边结构存在电位差，此时，屏蔽门对周边结构出现局部绝缘薄弱时，容易对相邻金属部件发生打火放电的现象，进而会对运营的安全和乘客的安全造成不利的影响。目前，国内已有多条轨道交通线路发生过屏蔽门打火放电及对周边杂散电流泄漏问题。三、屏蔽门与地网的连接状态不可控，无法充分保证乘客候车时的人身安全。四、当等电位连接电缆断开时，若走行轨与屏蔽门存在一定的电位差，将对上下车乘客产生一定的危害。
4.现有技术的上述缺点导致屏蔽门与走行轨的连接方式已无法有效保障轨道系统的安全运行，同时，具有较大的副作用。因此，如何设计一种合理的屏蔽门、走行轨及地的连接控制电路成为城市轨道交通乘客人身安全及杂散电流防护的关键。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种城市轨道交通屏蔽门与走行轨动态连接电路及控制方法，该电路能便于实现走行轨、屏蔽门、地网的连接状态得到合理动态的控制，可避免屏蔽门与走行轨直接等电位连接或者不连接状态对乘客人身安全及线路杂散电流与钢轨电位防护带来的危害；该方法控制过程简单、可靠性高，能有效确保城市轨道
交通的安全运行。
6.为了实现上述目的，本发明提供一种城市轨道交通屏蔽门与走行轨动态连接电路，包括功率电阻r1、绝缘栅双极晶体管v1、绝缘栅双极晶体管v2、反向二极管d1、反向二极管d2、功率电阻r2、绝缘栅双极晶体管v3、绝缘栅双极晶体管v4、反向二极管d3、反向二极管d4、电流测量模块si和电压测量模块su；
7.所述功率电阻r1的第一端作为第一接入端，并通过第一连接线缆与走行轨连接，所述绝缘栅双极晶体管v1的发射极和绝缘栅双极晶体管v2的集电极均与功率电阻r1的第一端连接，所述反向二极管d1的负极与绝缘栅双极晶体管v1的集电极连接，反向二极管d2的正极与功率电阻r1的第二端连接，所述反向二极管d2的正极与绝缘栅双极晶体管v2的发射极连接，反向二极管d2的负极与功率电阻r1的第二端连接；
8.所述功率电阻r2的第一端与地网连接，功率电阻r2的第二端作为第二接入端，并通过第二连接线缆与屏蔽门连接，所述绝缘栅双极晶体管v3的发射极和绝缘栅双极晶体管v4的集电极均与功率电阻r2的第一端连接，所述反向二极管d3的负极与绝缘栅双极晶体管v3的集电极连接，反向二极管d3的正极与功率电阻r2的第二端连接，所述反向二极管d4的正极与绝缘栅双极晶体管v4的发射极连接，反向二极管d4的负极与功率电阻r2的第二端连接；
9.所述电流测量模块si的一端与功率电阻r1的第二端连接，电流测量模块si的另一端与功率电阻r2的第二端连接；
10.所述电压测量模块su的一端与功率电阻r1的第一端连接，电压测量模块su的另一端与功率电阻r1的第二端连接。
11.进一步，为了便于实现自动化控制过程，还包括控制器，所述控制器的第一输出端与绝缘栅双极晶体管v1的栅极连接，控制器的第二输出端与绝缘栅双极晶体管v2的栅极连接，控制器的第三输出端与绝缘栅双极晶体管v3的栅极连接，控制器的第四输出端与绝缘栅双极晶体管v4的栅极连接。
12.进一步，为了有效保护绝缘栅双极晶体管，所述绝缘栅双极晶体管v1的集电极和发射极之间、绝缘栅双极晶体管v2的集电极和发射极之间、绝缘栅双极晶体管v3的集电极和发射极之间、绝缘栅双极晶体管v4的集电极和发射极之间均各自连接有续流二极管。
13.作为一种优选，还包括绝缘壳体，所述功率电阻r1、绝缘栅双极晶体管v1、绝缘栅双极晶体管v2、反向二极管d1、反向二极管d2、功率电阻r2、绝缘栅双极晶体管v3、绝缘栅双极晶体管v4、反向二极管d3、反向二极管d4、电流测量模块si、电压测量模块su和控制器均装配在绝缘壳体中，且第一连接线缆通过绝缘壳体上的第一出线孔穿出，第二连接线缆通过绝缘壳体上的第二出线孔穿出。
14.作为一种优选，所述控制器为plc控制器。
15.本发明中，在走行轨与屏蔽门之间连接有绝缘栅双极晶体管v1、绝缘栅双极晶体管v2、功率电阻r1、反向二极管d1、反向二极管d2、电压测量模块su和电流测量模块si，这样可以方便的根据走行轨与屏蔽门之间电位差状态，利用绝缘栅双极晶体管v1和v2来实现连接状态的双向动态控制。在屏蔽门与地网之间连接有绝缘栅双极晶体管v3、绝缘栅双极晶体管v4、功率电阻r2、反向二极管d3和反向二极管d4，这样可以方便的根据屏蔽门的状态，利用绝缘栅双极晶体管v3和v4来实现与地网连接状态的动态控制。该电路可以方便的实现
屏蔽门与走行轨之间、屏蔽门与地网之间的动态连接控制，避免了屏蔽门与走行轨长时间连接带来的杂散电流、钢轨电位问题的产生，避免了屏蔽门与走行轨不连接带来的人身安全问题，同时，该电路可方便的实现屏蔽门绝缘状态的检测。
16.本发明还提供了一种城市轨道交通屏蔽门与走行轨动态控制方法，包括一种城市轨道交通屏蔽门与走行轨动态连接电路，还包括以下步骤：
17.当列车进站、屏蔽门打开时，先控制绝缘栅双极晶体管v3和v4均保持不导通的状态，再通过电压测量模块su检测当前走行轨与屏蔽门的电位差状态；
18.若走行轨对屏蔽门负向电位差较小，并小于设定阈值一，则控制绝缘栅双极晶体管v1不导通；若走行轨对屏蔽门负向电位差较大，并大于设定阈值二，则控制绝缘栅双极晶体管v1导通，使走行轨与屏蔽门负向连通；若走行轨对屏蔽门正向电位差较小，并小于设定阈值三，则控制绝缘栅双极晶体管v2不导通，若走行轨对屏蔽门正向电位差较大，并大于设定阈值四，则控制绝缘栅双极晶体管v2导通，使走行轨与屏蔽门正向连通；
19.当列车不进站、乘客不上下车时，控制绝缘栅双极晶体管v1和v2均保持不导通的状态，并控制绝缘栅双极晶体管v3和v4均保持导通的状态。
20.进一步，为了能够在绝缘值低时及时有效的进行示警，在绝缘栅双极晶体管v1或v2导通时，通过电压测量模块su和电流测量模块si的检测结果，计算屏蔽门的自身绝缘值，并在绝缘值低时控制报警装置发出警示信号。
21.本方法中，当列车进站、屏蔽门打开时，先控制绝缘栅双极晶体管v3和v4均保持不导通的状态，可以使屏蔽门与大地断开连接，这样能方便后续进行走行轨与屏蔽门的等电位控制；当列车不进站、乘客不上下车时，控制绝缘栅双极晶体管v1和v2均保持不导通的状态，可以使走行轨与屏蔽门相互独立，确保了屏蔽门自身不会带电，进而能够有效保证走行轨电流不会通过屏蔽门泄漏；同时，控制绝缘栅双极晶体管v3和v4均保持导通的状态，可以使屏蔽门与大地保持连接，从而有效保障了屏蔽门系统自身的接地与安全；该方法不仅能够根据走行轨与屏蔽门之间电位差状态实现连接状态的动态控制，还可以确保走行轨电流不会通过屏蔽门泄漏，其控制过程简单、可靠性高，有效确保了城市轨道交通的安全运行。
附图说明
22.图1是现有技术中屏蔽门与走行轨连接状态示意图；
23.图2是本发明所提出的动态连接电路的电路图。
具体实施方式
24.下面结合附图对本发明作进一步说明。
25.如图1和图2所示，本发明提供一种城市轨道交通屏蔽门与走行轨动态连接电路，包括功率电阻r1、绝缘栅双极晶体管v1、绝缘栅双极晶体管v2、反向二极管d1、反向二极管d2、功率电阻r2、绝缘栅双极晶体管v3、绝缘栅双极晶体管v4、反向二极管d3、反向二极管d4、电流测量模块si和电压测量模块su；
26.所述功率电阻r1的第一端作为第一接入端，并通过第一连接线缆与走行轨连接，所述绝缘栅双极晶体管v1的发射极和绝缘栅双极晶体管v2的集电极均与功率电阻r1的第一端连接，所述反向二极管d1的负极与绝缘栅双极晶体管v1的集电极连接，反向二极管d2
的正极与功率电阻r1的第二端连接，所述反向二极管d2的正极与绝缘栅双极晶体管v2的发射极连接，反向二极管d2的负极与功率电阻r1的第二端连接；
27.所述功率电阻r2的第一端与地网连接，功率电阻r2的第二端作为第二接入端，并通过第二连接线缆与屏蔽门连接，所述绝缘栅双极晶体管v3的发射极和绝缘栅双极晶体管v4的集电极均与功率电阻r2的第一端连接，所述反向二极管d3的负极与绝缘栅双极晶体管v3的集电极连接，反向二极管d3的正极与功率电阻r2的第二端连接，所述反向二极管d4的正极与绝缘栅双极晶体管v4的发射极连接，反向二极管d4的负极与功率电阻r2的第二端连接；
28.所述电流测量模块si的一端与功率电阻r1的第二端连接，电流测量模块si的另一端与功率电阻r2的第二端连接；
29.所述电压测量模块su的一端与功率电阻r1的第一端连接，电压测量模块su的另一端与功率电阻r1的第二端连接。
30.为了便于实现自动化控制过程，还包括控制器，所述控制器的第一输出端与绝缘栅双极晶体管v1的栅极连接，控制器的第二输出端与绝缘栅双极晶体管v2的栅极连接，控制器的第三输出端与绝缘栅双极晶体管v3的栅极连接，控制器的第四输出端与绝缘栅双极晶体管v4的栅极连接。
31.为了有效保护绝缘栅双极晶体管，所述绝缘栅双极晶体管v1的集电极和发射极之间、绝缘栅双极晶体管v2的集电极和发射极之间、绝缘栅双极晶体管v3的集电极和发射极之间、绝缘栅双极晶体管v4的集电极和发射极之间均各自连接有续流二极管。
32.作为一种优选，还包括绝缘壳体，所述功率电阻r1、绝缘栅双极晶体管v1、绝缘栅双极晶体管v2、反向二极管d1、反向二极管d2、功率电阻r2、绝缘栅双极晶体管v3、绝缘栅双极晶体管v4、反向二极管d3、反向二极管d4、电流测量模块si、电压测量模块su和控制器均装配在绝缘壳体中，且第一连接线缆通过绝缘壳体上的第一出线孔穿出，第二连接线缆通过绝缘壳体上的第二出线孔穿出。
33.作为一种优选，所述控制器为plc控制器。
34.本发明中，在走行轨与屏蔽门之间连接有绝缘栅双极晶体管v1、绝缘栅双极晶体管v2、功率电阻r1、反向二极管d1、反向二极管d2、电压测量模块su和电流测量模块si，这样可以方便的根据走行轨与屏蔽门之间电位差状态，利用绝缘栅双极晶体管v1和v2来实现连接状态的双向动态控制。在屏蔽门与地网之间连接有绝缘栅双极晶体管v3、绝缘栅双极晶体管v4、功率电阻r2、反向二极管d3和反向二极管d4，这样可以方便的根据屏蔽门的状态，利用绝缘栅双极晶体管v3和v4来实现与地网连接状态的动态控制。该电路可以方便的实现屏蔽门与走行轨之间、屏蔽门与地网之间的动态连接控制，避免了屏蔽门与走行轨长时间连接带来的杂散电流、钢轨电位问题的产生，避免了屏蔽门与走行轨不连接带来的人身安全问题，同时，该电路可方便的实现屏蔽门绝缘状态的检测。
35.本发明还提供了一种城市轨道交通屏蔽门与走行轨动态控制方法，包括一种城市轨道交通屏蔽门与走行轨动态连接电路，还包括以下步骤：
36.当列车进站、屏蔽门打开时，先控制绝缘栅双极晶体管v3和v4均保持不导通的状态，使屏蔽门与大地断开连接，以便进行走行轨与屏蔽门的等电位控制；再通过电压测量模块su检测当前走行轨与屏蔽门的电位差状态；
37.若走行轨对屏蔽门负向电位差较小，并小于设定阈值一(该阈值可设)，则控制绝缘栅双极晶体管v1不导通；若走行轨对屏蔽门负向电位差较大，并大于设定阈值二(该阈值可设)，则控制绝缘栅双极晶体管v1导通，使走行轨与屏蔽门负向连通；若走行轨对屏蔽门正向电位差较小，并小于设定阈值三(该阈值可设)，则控制绝缘栅双极晶体管v2不导通，若走行轨对屏蔽门正向电位差较大，并大于设定阈值四(该阈值可设)，则控制绝缘栅双极晶体管v2导通，使走行轨与屏蔽门正向连通；
38.当列车不进站、乘客不上下车时，控制绝缘栅双极晶体管v1和v2均保持不导通的状态，使走行轨与屏蔽门相互独立，屏蔽门自身不带电，确保走行轨电流也不会通过屏蔽门泄漏，并控制绝缘栅双极晶体管v3和v4均保持导通的状态，使屏蔽门与大地保持连接，以保障屏蔽门系统自身的接地与安全。
39.作为一种优选，可以对功率电阻r1和r2的阻值进行调节，具体地，可以通过igbt脉宽调节以实现igbt与功率电阻r1和r2的等效电阻变化。
40.为了能够在绝缘值低时及时有效的进行示警，在绝缘栅双极晶体管v1或v2导通时，通过电压测量模块su和电流测量模块si的检测结果，计算屏蔽门的自身绝缘值，并在绝缘值低时控制报警装置发出警示信号。
41.本方法中，当列车进站、屏蔽门打开时，先控制绝缘栅双极晶体管v3和v4均保持不导通的状态，可以使屏蔽门与大地断开连接，这样能方便后续进行走行轨与屏蔽门的等电位控制；当列车不进站、乘客不上下车时，控制绝缘栅双极晶体管v1和v2均保持不导通的状态，可以使走行轨与屏蔽门相互独立，确保了屏蔽门自身不会带电，进而能够有效保证走行轨电流不会通过屏蔽门泄漏；同时，控制绝缘栅双极晶体管v3和v4均保持导通的状态，可以使屏蔽门与大地保持连接，从而有效保障了屏蔽门系统自身的接地与安全；该方法不仅能够根据走行轨与屏蔽门之间电位差状态实现连接状态的动态控制，还可以确保走行轨电流不会通过屏蔽门泄漏，其控制过程简单、可靠性高，有效确保了城市轨道交通的安全运行。

技术特征：
1.一种城市轨道交通屏蔽门与走行轨动态连接电路，其特征在于，包括功率电阻r1、绝缘栅双极晶体管v1、绝缘栅双极晶体管v2、反向二极管d1、反向二极管d2、功率电阻r2、绝缘栅双极晶体管v3、绝缘栅双极晶体管v4、反向二极管d3、反向二极管d4、电流测量模块si和电压测量模块su；所述功率电阻r1的第一端作为第一接入端，并通过第一连接线缆与走行轨连接，所述绝缘栅双极晶体管v1的发射极和绝缘栅双极晶体管v2的集电极均与功率电阻r1的第一端连接，所述反向二极管d1的负极与绝缘栅双极晶体管v1的集电极连接，反向二极管d2的正极与功率电阻r1的第二端连接，所述反向二极管d2的正极与绝缘栅双极晶体管v2的发射极连接，反向二极管d2的负极与功率电阻r1的第二端连接；所述功率电阻r2的第一端与地网连接，功率电阻r2的第二端作为第二接入端，并通过第二连接线缆与屏蔽门连接，所述绝缘栅双极晶体管v3的发射极和绝缘栅双极晶体管v4的集电极均与功率电阻r2的第一端连接，所述反向二极管d3的负极与绝缘栅双极晶体管v3的集电极连接，反向二极管d3的正极与功率电阻r2的第二端连接，所述反向二极管d4的正极与绝缘栅双极晶体管v4的发射极连接，反向二极管d4的负极与功率电阻r2的第二端连接；所述电流测量模块si的一端与功率电阻r1的第二端连接，电流测量模块si的另一端与功率电阻r2的第二端连接；所述电压测量模块su的一端与功率电阻r1的第一端连接，电压测量模块su的另一端与功率电阻r1的第二端连接。2.根据权利要求1所述的一种城市轨道交通屏蔽门与走行轨动态连接电路，其特征在于，还包括控制器，所述控制器的第一输出端与绝缘栅双极晶体管v1的栅极连接，控制器的第二输出端与绝缘栅双极晶体管v2的栅极连接，控制器的第三输出端与绝缘栅双极晶体管v3的栅极连接，控制器的第四输出端与绝缘栅双极晶体管v4的栅极连接。3.根据权利要求1或2所述的一种城市轨道交通屏蔽门与走行轨动态连接电路，其特征在于，所述绝缘栅双极晶体管v1的集电极和发射极之间、绝缘栅双极晶体管v2的集电极和发射极之间、绝缘栅双极晶体管v3的集电极和发射极之间、绝缘栅双极晶体管v4的集电极和发射极之间均各自连接有续流二极管。4.根据权利要求3所述的一种城市轨道交通屏蔽门与走行轨动态连接电路，其特征在于，还包括绝缘壳体，所述功率电阻r1、绝缘栅双极晶体管v1、绝缘栅双极晶体管v2、反向二极管d1、反向二极管d2、功率电阻r2、绝缘栅双极晶体管v3、绝缘栅双极晶体管v4、反向二极管d3、反向二极管d4、电流测量模块si、电压测量模块su和控制器均装配在绝缘壳体中，且第一连接线缆通过绝缘壳体上的第一出线孔穿出，第二连接线缆通过绝缘壳体上的第二出线孔穿出。5.根据权利要求2所述的一种城市轨道交通屏蔽门与走行轨动态连接电路，其特征在于，所述控制器为plc控制器。6.一种城市轨道交通屏蔽门与走行轨动态控制方法，包括如权利要求1至5任一项所述的一种城市轨道交通屏蔽门与走行轨动态连接电路，其特征在于，还包括以下步骤：当列车进站、屏蔽门打开时，先控制绝缘栅双极晶体管v3和v4均保持不导通的状态，再通过电压测量模块su检测当前走行轨与屏蔽门的电位差状态；若走行轨对屏蔽门负向电位差较小，并小于设定阈值一，则控制绝缘栅双极晶体管v1
不导通；若走行轨对屏蔽门负向电位差较大，并大于设定阈值二，则控制绝缘栅双极晶体管v1导通，使走行轨与屏蔽门负向连通；若走行轨对屏蔽门正向电位差较小，并小于设定阈值三，则控制绝缘栅双极晶体管v2不导通，若走行轨对屏蔽门正向电位差较大，并大于设定阈值四，则控制绝缘栅双极晶体管v2导通，使走行轨与屏蔽门正向连通；当列车不进站、乘客不上下车时，控制绝缘栅双极晶体管v1和v2均保持不导通的状态，并控制绝缘栅双极晶体管v3和v4均保持导通的状态。7.根据权利要求6所述的一种城市轨道交通屏蔽门与走行轨动态控制方法，其特征在于，在绝缘栅双极晶体管v1或v2导通时，通过电压测量模块su和电流测量模块si的检测结果，计算屏蔽门的自身绝缘值，并在绝缘值低时控制报警装置发出警示信号。

技术总结
一种城市轨道交通屏蔽门与走行轨动态连接电路及控制方法，电阻R1的第一端连接走行轨，其第二端通过电流测量模块连接电阻R2的第二端和屏蔽门，电阻R2的第一端接地；晶体管V1和二极管D1连接的支路、晶体管V2和二极管D2连接的支路均与R1并联；晶体管V3和二极管D3连接的支路、晶体管V4和二极管D4连接的支路均与R2并联；列车进站、屏蔽门打开时，先控制V3和V4均打开，再检测走行轨与屏蔽门的电位差；若负向电位差较小，则控制V1不导通；若负向电位差较大，则控制V1导通；若正向电位差较小，则控制V2不导通，若正向电位差较大，则控制V2导通；列车不进站、乘客不上下车时，控制V1和V2均不导通，并控制V3和V4均打开。本发明可确保轨道交通的安全运行。安全运行。


技术研发人员：鲍鸣 刘帅 于海鹏 丁亮明 张栋梁 杜贵府 王浩先 牛瑞 王中堂 杨少勇 杨波 孙绿叶 吕梦樊 毛泽晨 沈渊 张天一 孙建佳 吴成杰
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2023.02.27
技术公布日：2023/4/18