一种适用于轨道交通“轮-轨”电弧的车载在线监控系统

1.本发明属于高速轨道交通接地技术领域，尤其涉及一种适用于轨道交通“轮-轨”电弧的车载在线监控系统。


背景技术：

2.中国的电气化高速铁路成为国民公共交通的主命脉，对各地区的民生、经济发展起到了重要的战略支撑作用。牵引供电系统是高铁能量供给的核心，其稳定可靠的性能是保障列车正常运行的关键。但是随着列车运行速度及牵引功率的不断提升，对弓网系统及“车-轨”移动接地回流系统提出了更高的要求。
3.动车组的接地系统在“车-轨”移动接地回流系统中承担着连接钢轨和车体的重要作用。接地系统从电气功能上分为工作接地和保护接地。在正常运行工况下，接地系统通过工作接地为牵引系统主回路提供回流通道，通过保护接地确保车体与轨道等电势，以防止众多以车体为参考的弱电设备受到干扰；在部分特殊工况下，如在升降弓、操作断路器等恶劣电磁暂态工况下，动车组车体上将出现的高频暂态过电压，保护接地作为车体唯一的对地泄流通道，车体上的高频暂态电压最终要通过各保护接地泄入钢轨和大地。与此同时，钢轨作为“车-轨”移动回流的重要通道，同时兼顾强、弱电传输功能。通常高铁线路均采用无砟轨道与无缝钢轨技术，但是站场内钢轨通常采用绝缘节实现电气分离，又通过扼流变压器将相邻钢轨段电气连通。这样既为牵引电流回馈至牵引变电所提供了有效途径；同时也承载列车占位型号的传输功能，能够有效的向调度中心输送有效占位信号。
4.在列车实际运行过程中，当列车经过绝缘节时，接地轮对过绝缘节时出现了“车-轨”回流截断，造成轮轨电弧，同时电弧导致绝缘节碳化烧蚀，引起轨道电路串接、串码等故障，致使线路运行控制出现误判，误提供列车的占位信号，严重威胁行车安全。轮轨电弧除了列车行驶过绝缘节时会频发，正常行驶中轮轨之间也会出现电接触不良现象，使得轮轨之间出现熔焊现象，即钢轨表面和车轮踏面间出现高温电弧，造成车轮和钢轨表面的腐蚀，通常这一现象和轮对之间的接触面在微观上呈现为点接触有关。轮轨接触面一般认为是不能完全接触的，存在一些接触斑，所以实际接触有效接触面积远小于宏观接触面积。同时由于接触斑的存在，轮轨之间存在收缩电阻，收缩电阻会阻碍接地轮对的电流泄流到钢轨上，形成轮轨电接触不良，此时轮轨接触斑点上的电压比没有发生接触的部分高出许多，一旦电压值达到电弧阈值就很可能出现轮轨电弧。与此同时当钢轨上出现细沙、水渍等微小污染物时会使得轮轨之间的有效接触面积更小，收缩电阻更大，轮轨电弧几率将会大大上升。
5.目前针对轮轨电弧的主要研究重点在于抑制列车过绝缘节时的轮轨电弧，缺乏对轮轨电弧进行长时间和有效的监控，少有的轮轨电弧监控也只是通过站场旁设置高速摄像机记录电弧的。同时轮轨电弧的时间地点的不确定性给轮对和钢轨的日常维护带来了极大不便，人力物力成本较高。
6.因此有必要提出一种适用于轨道交通“轮-轨”电弧的车载在线监控系统，以精准的预测轮轨电弧的准确位置和电弧强度以及预测电弧对钢轨和轮对的蚀损程度，达到长期
有效监控轮轨电弧的目的，继而方便维护人员对轮轨进行精准维护。


技术实现要素：

7.对高速列车行驶过程中频发出现的轮轨电弧而缺乏有效监控的问题，本发明提供了一种适用于轨道交通“轮-轨”电弧的车载在线监控系统。
8.本发明的一种适用于轨道交通“轮-轨”电弧的车载在线监控系统，在车体上集成设置轮轨电弧信号采集处理模块、轮轨电弧位置定位模块和系统信号处理单元；轮轨电弧信号采集处理模块由设置在车体转向架上的轮轨电弧红外监控设备、设置在工作/保护接地轴端和转向架轴端的电流传感器、a/d模数转换模块以及dsp信号处理单元组成；轮轨电弧位置定位模块由车载北斗定位系统、接收扼流变压器的轨道信号电路和轮对计轴器的应答器信号的查询器组成；系统信号处理单元由系统主控中心来完成，同时需要列车控制中心的辅助。
9.轮轨电弧信号采集处理模块中：安装在转向架轴端的电流传感器和工作/保护接地轴端的电流传感器获取轮轨电弧时的电流信号；轮轨电弧红外监控设备获取轮轨电弧时的图像信号以及电弧时的弧光温度；图像、温度以及电信号经过a/d模数转换模块传输进dsp信号处理单元，对信号进行特征提取后输入系统主控中心。
10.轮轨电弧位置定位模块中：车载北斗定位系统、接收扼流变压器的轨道信号电路和轮对计轴器的应答器信号的查询器分别确定列车电弧轮对、轮对和轨道的相对位置。
11.信号处理单元的系统主控中心根据dsp信号处理单元所解析的信号，与列车控制中心经通讯总线传输的轮轨电弧基准信号判断轮轨是否电弧；当系统主控中心判断轮轨电弧后，系统主控中心会根据电流信号以及温度信号异常来源来判断电弧轮对和列车车厢的相对位置，轮轨电弧位置定位模块中的车载系统会定位列车具体位置，确定列车所处的轨段。
12.系统主控中心对轮轨电弧对钢轨、绝缘节、工作/保护接地轴以及转向架轴所造成的损伤进行预测，分析轨面不同异物分布密度和电弧之间的关联程度。
13.考虑到列车运行环境相对较为恶劣，系统主控中心电磁环境较为复杂，系统主控中心采用fpga或soc。
14.轮轨电弧红外监控设备可以固定在转向架构架的横轴下端。
15.本发明的有益技术效果为：
16.1、相较于以往站场设置高速摄像头监控轮轨电弧的不持续性、轮轨电弧位置无法精准定位等劣势，本发明中的轮轨电弧车载监控系统可以做到实时监控轮轨电弧，并能够精准定位轮轨电弧发生的位置和被烧蚀钢轨所处的轨段，这将能够有效地解决以往轮轨电弧造成地钢轨和轮对电腐蚀难以发现、线路维护成本大、时间人力成本耗费高等问题，使得人力物力成本得到使用率最大化。
17.2、本发明的轮轨电弧车载监控系统除了能够精准定位轮轨电弧发生的位置，还能够对轮轨电弧时列车接地轴和转向架轴的电流信号、轮对温度信号以及电弧的图像信号进行处理，得到电弧的有效参考数据，同时根据列车所处位置校正不同轨段下的电弧基准信号，并以此预测电弧对轮对和钢轨造成的碳化程度、分析轨面异物分布和电弧之间关联程度并进行预警；同时还可以根据轮轨电弧时接地轴电流转向架轴电流的幅值和流向预测接
地轴和转向架轴的电腐蚀程度。
18.3、相较于单独的监控轮轨电弧时的图像、温度以及电流信号等电弧的基本特征，本发明的轮轨电弧车载监控系统还能够预测电弧对轮对、接地轴、转向架轴以及钢轨的损伤程度并向列车控制中心发出预警，这使得系统能够集监控、预测、预警于一体，充分利用系统主控中心的计算处理能力，使得轮轨电弧车载监控系统呈现多功能性。
附图说明
19.图1为绝缘节电弧示意图。
20.图2为轮轨电接触不良电弧示意图。
21.图3为本发明的轮轨电弧监控程序流程图。
22.图4为本发明的轮轨电弧监控程序框图。
23.图5为本发明的轮轨电弧监控硬件流程图。
24.图6为本发明的监控设备放置示意图。
25.图中标号释义：1-列车，2-受电弓，3-接触网，4-真空断路器，5-车顶高压母线，6-牵引变压器，7-工作接地，8-二次侧负载(牵引变流器和牵引电机)，9-钢轨，10-绝缘节，11-轮对，12-绝缘节电弧，13-扼流变压器，14-信号电路，15-回流线，16-牵引变电所，17-轮轨电接触不良电弧，18-轮轨接触斑，19-轮轨接触面，20-电流传感器，21-工作/保护接地轴，22-转向架轴，23-轮轨电弧红外监控设备，24-a/d模数转换模块，25-dsp信号处理单元，26-轮对计轴器，27-应答器，28-查询器，29-车载北斗定位系统，30-系统主控中心，31-列车控制中心。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明。
27.列车正常工作时，高速列车1在行驶过程中通过受电弓2从接触网3经真空断路器4汲取驱动列车运行的25kv工频高压交流电。如图1，牵引电流从接触网3由受电弓2受流进入牵引变压器一次侧，一次侧绕组末端连接工作接地7，牵引电流穿过工作接地轴端电流传感器20经工作接地7泄入钢轨9，车体电流穿过保护接地轴端电流传感器20经保护接地泄入钢轨，泄入钢轨9的电流会经回流线15返回牵引变电所16。列车1二次侧负载(牵引变流器和牵引电机)8从牵引变压器6二次侧获取电能。当列车1经过绝缘节10时，由于牵引电流的切断，轮对11和绝缘节10之间出现绝缘节电弧12。如图2，当轨道踏面出现细小异物使得轮轨接触斑18收缩电阻增大，轮轨间因电接触不良17出现电弧。
28.列车1的各个轮对11在行驶过程中，轮对11和钢轨9接触相当于移动阳极和固定阴极移动接触，同时接触位置也不能完全接触，以轮轨接触斑18形式接触。当轨面出现细小异物，如水渍和细沙时会使得轮轨接触斑18的收缩电阻急剧上升，阳极和阴极之间的接触电压增大，当达到电弧阈值时，电弧概率大大增加；当轮对11跨过绝缘节10时，由于泄放到钢轨9上的电流被截断，当截流过电压超过电弧阈值，轮轨间产电弧概率大大增加。针对该问题，在钢轨9沿线架设固定间隔架设高速摄像机观测轮轨电弧具有不可持续性，很多时候只能观测到轮对过绝缘节10时的电弧，且不能精准预测电弧位置、电弧强度以及钢轨9损伤。这在实际列车1运营过程中给维护人员的轮轨检修工作带来极大的不便，基于这种情况需
要一种能够随时监控轮轨和轨面情况的车载监控系统，能够保证轮轨电弧时监控的实时性和电弧损伤程度的预测准确性，进而大大提高轮轨检修的效率和节约维护过程的时间、人力和经济成本。
29.本发明的一种适用于轨道交通“轮-轨”电弧的车载在线监控系统如图5所示，在车体上集成设置轮轨电弧信号采集处理模块、轮轨电弧位置定位模块和系统信号处理单元；轮轨电弧信号采集处理模块由设置在车体转向架上的轮轨电弧红外监控设备23(轮轨电弧红外监控设备23可以固定在转向架构架的横轴下端，如图6所示)、设置在工作/保护接地轴21端和转向架轴22端的电流传感器20、a/d模数转换模块24以及dsp信号处理单元25组成；轮轨电弧位置定位模块由车载北斗定位系统29、接收扼流变压器13的轨道信号电路14和轮对计轴器26的应答器27信号的查询器28组成；系统信号处理单元由系统主控中心30来完成，同时需要列车控制中心31的辅助。
30.本发明的一种适用于轨道交通“轮-轨”电弧的车载在线监控系统监控流程如图3和图4所示，安装在转向架轴22端的电流传感器20、工作/保护接地轴21端的电流传感器20获取轮轨电弧时的电流信号；安装在转向架构架下部的轮轨电弧红外监控设备23获取轮轨电弧时的图像信号以及电弧时的弧光温度；图像、温度以及电信号经过a/d模数转换模块24传输进dsp信号处理单元25，对信号进行特征提取后输入系统主控中心30。系统主控中心30根据数据特征以及列车控制中心31所传输的轮轨电弧基准信号(轮轨电弧时图像、温度以及电信号的初始值)判断轮轨是否电弧，如果数据特征不支持发生电弧，则转向架轴22端电流传感器20、工作/保护接地轴21端的电流传感器20以及轮轨电弧红外监控设备23重新记录数据；如果轮轨发生电弧，系统主控中心30会由车载北斗定位系统29、接收扼流变压器13的轨道信号电路和轮对计轴器26应答器27信号的查询器28组成的轮轨电弧位置定位模块确定列车电弧轮对、轮对和轨道的相对位置并由电流信号确定电弧强度。系统主控中心30根据位置信息和图像、温度以及电信号数据判断是否为轮对11过绝缘节10电弧，当列车1为轮对11过绝缘节10电弧，则系统主控中心30会依据数据特征预测绝缘节10处的钢轨的碳化程度以及电弧对轮对11的电腐蚀程度；当轮轨电弧为轮轨电接触不良电弧17时，则需要分析轨面不同异物(细沙、水渍)分布密度和电弧之间的关联程度。与此同时，系统主控中心30会根据工作/保护接地轴21端和转向架轴22端的电流信号分析轮轨电弧时电流的幅值和方向，当电流超过阈值，则需要预测接地碳刷，工作/保护接地21轴以及转向架22轴的电腐蚀程度。系统监控数据和预测结果需要上传列车控制中心31，同时迭代轮轨电弧的基准信号，并对轮轨电弧损伤程度进行评估。当下次该轨段再出现轮轨电弧时，列车控制中心31能够提供该轨段更准确的电弧信号。
31.本系统的基本原理：(1)轮轨电弧信号采集处理模块：该模块由车体转向架上的轮轨电弧红外监控设备23以及设置在工作/保护接地轴21端以及转向架轴22端的电流传感器20、a/d模数转换模块24和dsp信号处理单元25组成。采集到的图像、温度和电流信号经过a/d模数转换模块24进入dsp信号处理单元25，经过信号的特征提取输入系统主控中心。由图像、温度以及电流信号三种轮轨电弧相关性较高的信号共同作为轮轨电弧的判断依据，提高了系统判断的准确性，降低了误报率。(2)轮轨电弧位置定位模块：该模块由车载北斗定位系统29、接收扼流变压器13的轨道信号电路和轮对计轴器26应答器27信号的查询器28组成。车载北斗定位系统29实时定位列车的位置，列车1上查询器28可以接收到扼流变压器13
的轨道信号电路和轮对计轴器26应答器27轮对过绝缘节10时发出的信号，并将定位信号传输给系统主控中心30。(3)系统主控中心30：功能一：根据dsp信号处理单元25所解析的信号和列车控制中心31所传输的轮轨电弧基准信号判断轮轨是否电弧；功能二：根据轮轨电弧位置定位模块的定位信号进行轮轨电弧精准定位，且对于列车轮轨电接触不良电弧17，系统主控中心30会根据视觉、温度以及电流信号特征特异性定位电弧的轮对相对车体的位置；功能三：对轮轨电弧对钢轨9、绝缘节10、工作/保护接地轴21以及转向架轴22所造成的损伤进行预测，分析轨面不同异物(细沙、水渍)分布密度和电弧之间的关联程度；功能四：与列车控制中心31进行双向通信。

技术特征：
1.一种适用于轨道交通“轮-轨”电弧的车载在线监控系统，其特征在于，在车体上集成设置轮轨电弧信号采集处理模块、轮轨电弧位置定位模块和系统信号处理单元；轮轨电弧信号采集处理模块由设置在车体转向架上的轮轨电弧红外监控设备(23)、设置在工作/保护接地轴(21)端和转向架轴(22)端的电流传感器(20)、a/d模数转换模块(24)以及dsp信号处理单元(25)组成；轮轨电弧位置定位模块由车载北斗定位系统(29)、接收扼流变压器(13)的轨道信号电路(14)和轮对计轴器(26)的应答器(27)信号的查询器(28)组成；系统信号处理单元由系统主控中心(30)来完成，同时需要列车控制中心(31)的辅助；所述轮轨电弧信号采集处理模块中：安装在转向架轴(22)端的电流传感器(20)和工作/保护接地轴(21)端的电流传感器(20)获取轮轨电弧时的电流信号；轮轨电弧红外监控设备(23)获取轮轨电弧时的图像信号以及电弧时的弧光温度；图像、温度以及电信号经过a/d模数转换模块(24)传输进dsp信号处理单元(25)，对信号进行特征提取后输入系统主控中心(30)；所述轮轨电弧位置定位模块中：车载北斗定位系统(29)、接收扼流变压器(13)的轨道信号电路(14)和轮对计轴器(26)的应答器(27)信号的查询器(28)分别确定列车电弧轮对、轮对和轨道的相对位置；所述信号处理单元的系统主控中心(30)根据dsp信号处理单元(25)所解析的信号，与列车控制中心(31)经通讯总线传输的轮轨电弧基准信号判断轮轨是否电弧；当系统主控中心(30)判断轮轨电弧后，系统主控中心(30)会根据电流信号以及温度信号异常来源来判断电弧轮对和列车车厢的相对位置，轮轨电弧位置定位模块中的车载系统会定位列车具体位置，确定列车所处的轨段。2.根据权利要求1所述的一种适用于轨道交通“轮-轨”电弧的车载在线监控系统，其特征在于，所述系统主控中心(30)对轮轨电弧对钢轨(9)、绝缘节(10)、工作/保护接地轴(21)以及转向架轴(22)所造成的损伤进行预测，分析轨面不同异物分布密度和电弧之间的关联程度。3.根据权利要求1所述的一种适用于轨道交通“轮-轨”电弧的车载在线监控系统，其特征在于，所述系统主控中心(30)采用fpga或soc。4.根据权利要求1所述的一种适用于轨道交通“轮-轨”电弧的车载在线监控系统，其特征在于，所述轮轨电弧红外监控设备(23)固定在转向架构架的横轴下端。

技术总结
本发明公开了一种适用于轨道交通“轮-轨”电弧的车载在线监控系统，具体为：在车体上集成设置轮轨电弧信号采集处理模块：该模块由设置在车体转向架上的轮轨电弧红外监控设备、设置在工作/保护接地轴端和转向架轴端的电流传感器、A/D模数转换模块以及DSP信号处理单元组成；轮轨电弧位置定位模块：该模块由车载北斗定位系统、接收扼流变压器的轨道信号电路和轮对计轴器的应答器信号的查询器组成；系统信号处理单元：由系统主控中心来完成，同时需要列车控制中心的辅助。本发明能够实时监控轮轨间的电弧，并通过定位模块确定轮轨间电弧的种类强度以及电弧的精准位置，这有效地解决了轮轨间电弧不易实时监控的问题。间电弧不易实时监控的问题。间电弧不易实时监控的问题。


技术研发人员：肖嵩 朱涛 颜靖东 吴广宁 张血琴 郭裕钧 高国强 陈争 高海洋 刘建城 段君璋 刘骁 吴雨苏 郭海川 黄梁文韬 张彬雨
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：2022.11.23
技术公布日：2023/6/14