一种基于扼流变压器的钢轨牵引回流监测装置及方法

技术领域

本申请属于铁路信号设备监测技术领域，具体涉及一种基于扼流变压器的钢轨牵引回流监测装置及方法。

背景技术

在电气化轨道区段，牵引电流回流一部分经回流线流向牵引变电所，一部分经钢轨在变电所附近地线处流向变电所，还有少量经道床流向大地或迷失。钢轨和大地是牵引电流回流路径的组成部分，流经其中的电流数值达到数百安培。牵引回流对铁路信号设备的影响体现在三个方面：烧损信号设备、烧损钢轨及绝缘节、轨道电路电压波动。

目前已投入使用的牵引回流监测设备主要包括：固定式牵引回流监测系统、各类便携式牵引回流监测设备以及各类钳形电流表。固定式牵引回流监测系统由室外和室内设备组成，室外设备主要是牵引回流采集机，一般采用水泥包封的方式固定在扼流变压器近旁。上述设备监测实时性等技术指标较为理想，但系统庞大，占用较为紧张的轨旁设备安装空间，且存在施工作业、维护不便等问题。各类便携式牵引回流监测设备带有两个卡钳传感器，可同时测量两根钢轨的牵引电流。此类设备具备数据记录能力，部分设备具备远程回传数据的能力。但便携式设备普遍采用电池供电，自持力有限，需要在发现现场出现问题苗头后布设在相关区段。属于事后测量，而且由于需要频繁更换电池，操作维护较为不便。各类钳形电流表为现场最常见的牵引回流监测设备是各类钳形电流表。由于单台钳形表仅能测量单根钢轨电流；采用双台钳形表测量时，由于两台设备本身技术状态差异，人工读数的反应时间等因素，误差较大；仅能测量钢轨里电流总量，不能将轨道电路信号电流分量滤除；不具备数据记录功能，人工记录的数据点有限。

发明内容

基于以上技术问题，本申请提出一种基于扼流变压器的钢轨牵引回流监测装置及方法，在扼流变压器内安装钢轨牵引回流监测装置，解决了牵引回流监测装置占用轨旁设备安装空间以及安装维护不便的问题。

第一方面，本申请提出一种基于扼流变压器的钢轨牵引回流监测装置，包括：第一采样端子板、第二采样端子板以及钢轨牵引回流监测装置主体；

所述第一采样端子板的第一接口与扼流变压器内部第一端子连接；所述第二采样端子板的第一接口与扼流变压器内部第二端子连接；所述第一采样端子板的第二接口与扼流变压器的铁芯线圈引接线的第一端连接；所述第二采样端子板的第二接口与扼流变压器的铁芯线圈引接线的第二端连接；所述第一采样端子板的第三接口与钢轨牵引回流监测装置主体的第一接线端连接，所述第二采样端子板的第三接口与钢轨牵引回流监测装置主体的第二接线端连接；所述钢轨牵引回流监测装置主体安装于扼流变压器的铁芯线圈保护罩上；

所述第一采样端子板用于将扼流变压器中的第一钢轨牵引回流信号传输到钢轨牵引回流监测装置主体中；

所述第二采样端子板用于将扼流变压器中的第二钢轨牵引回流信号传输到钢轨牵引回流监测装置主体中；

所述钢轨牵引回流监测装置主体用于分别对所述第一采样端子板、第二采样端子板传回的第一钢轨牵引回流信号、第二钢轨牵引回流信号进行监测，并输出对应的钢轨牵引回流值。

所述钢轨牵引回流监测装置主体，包括：第一信号调理电路、第二信号调理电路、第一模数转换电路、第二模数转换电路、数字信号处理电路、电力载波模组；

所述第一信号调理电路的信号输入接口与所述第一采样端子板的第三接口连接，所述第一信号调理电路的信号输出接口与第一模数转换电路的信号输入接口连接，所述第二信号调理电路的信号输入接口与所述第二采样端子板的第三接口连接，所述第二信号调理电路的信号输出接口与第二模数转换电路的信号输入接口连接，所述第二模数转换电路的信号输出接口与数字信号处理电路的第一端口连接，所述电力载波模组的第一端口与数字信号处理电路的第二端口连接；

所述第一信号调理电路用于对第一钢轨牵引回流信号进行隔离与运算放大，得到第一调理后牵引回流信号；

所述第二信号调理电路用于对第二钢轨牵引回流信号进行隔离与运算放大，得到第二调理后牵引回流信号；

所述第一模数转换电路用于对第一调理后牵引回流信号进行模数转换，得到第一数字牵引回流信号；

所述第二模数转换电路用于对第二调理后牵引回流信号进行模数转换，得到第二数字牵引回流信号；

所述数字信号处理电路用于根据所述第一数字牵引回流信号、第二数字牵引回流信号计算对应的钢轨牵引回流值，并将所述钢轨牵引回流值输出到所述电力载波模组；

所述电力载波模组用于将接收到的所述钢轨牵引回流值发送到服务器。

所述数字信号处理电路还用于根据所述第一数字牵引回流信号、第二数字牵引回流信号计算不平衡电流值以及牵引回流不平衡率，并将计算得到的不平衡电流值以及牵引回流不平衡率发送到所述电力载波模组。

所述电力载波模组还用于接收服务器发送的控制指令，并将所述控制指令发送到所述数字信号处理电路。

所述控制指令包括：校准指令；所述数字信号处理电路还用于接收所述电力载波模组传递过来的校准指令，接收到校准指令后，所述数字信号处理电路处于校准模式，在所述校准模式下接收用户输入的修订系数，并在接收到所述修订系数后结束校准模式，将对应的钢轨牵引回流值与修订系数的求和结果作为最终的钢轨牵引回流值。

第二方面，本申请提出一种基于扼流变压器的钢轨牵引回流监测方法，包括：

采集第一钢轨牵引回流信号、第二钢轨牵引回流信号，并根据所述第一钢轨牵引回流信号、第二钢轨牵引回流信号计算并输出对应的钢轨牵引回流值。

所述根据所述第一钢轨牵引回流信号、第二钢轨牵引回流信号计算并输出对应的钢轨牵引回流值，包括：

对第一钢轨牵引回流信号进行隔离与运算放大，得到第一调理后牵引回流信号；

对第二钢轨牵引回流信号进行隔离与运算放大，得到第二调理后牵引回流信号；

对第一调理后牵引回流信号进行模数转换，得到第一数字牵引回流信号；

对第二调理后牵引回流信号进行模数转换，得到第二数字牵引回流信号；

根据所述第一数字牵引回流信号、第二数字牵引回流信号计算对应的钢轨牵引回流值，并将所述钢轨牵引回流值发送到服务器。

第三方面，本申请提出一种计算机程序产品，包括：计算机程序/指令，所述计算机程序/指令被处理器执行时实现所述的基于扼流变压器的钢轨牵引回流监测方法的步骤。

第四方面，本申请提出一种电子设备，包括：一个或多个处理器，以及存储器，所述存储器存储指令，当所述指令被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行所述的基于扼流变压器的钢轨牵引回流监测方法。

第五方面，本申请提出一种计算机可读存储介质，其存储有可执行指令，所述指令当被执行时使得处理器执行所述的基于扼流变压器的钢轨牵引回流监测方法。

有益效果：

本申请提出一种基于扼流变压器的钢轨牵引回流监测装置及方法，在扼流变压器内安装钢轨牵引回流监测装置，解决了牵引回流监测装置占用轨旁设备安装空间以及安装维护不便的问题，本申请具有如下优点：灵活性大、易安装、成本低，工作效率高、不影响既有线行车。

附图说明

图1为本申请实施例的基于扼流变压器的钢轨牵引回流监测装置示意图；

图2为本申请实施例的第一采样端子板示意图；

图3为本申请实施例的钢轨牵引回流监测装置安装于扼流变压器的示意图；

图4为本申请实施例的钢轨牵引回流监测装置安装于扼流变压器的侧视图；

图5为本申请实施例的基于扼流变压器的钢轨牵引回流监测装置主体内部原理图；

图6为本申请实施例的基于扼流变压器的钢轨牵引回流监测方法流程图；

其中，1第一采样端子板，2第二采样端子板，3钢轨牵引回流监测装置主体，1-1第一采样端子板的第一接口，1-2第一采样端子板的第二接口，1-3第一采样端子板的第三接口，2-1第二采样端子板的第一接口，2-2第二采样端子板的第二接口，2-3第二采样端子板的第三接口，4扼流变压器内部第一端子，5扼流变压器内部第二端子，6扼流变压器的铁芯线圈引接线的第一端，7扼流变压器的铁芯线圈引接线的第二端，8扼流变压器。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本公开作进一步说明。

铁路电气化作为当今铁路的一个重要部分，为其运量大、能效高、污染小、节能环保等优势提供了条件和支撑。电气化铁路也给现场维护维修提出了更高的要求，在高速、重载、大坡度等线路中，随着速度的增加，列车牵引电流也相应增大。

在电气化轨道区段，牵引电流回流一部分经回流线流向牵引变电所，一部分经钢轨在变电所附近地线处流向变电所，另有少量经道床流向大地或迷失。钢轨和大地是牵引电流回流路径的组成部分，流经其中的电流数值达到数百安培。牵引回流对铁路信号设备的影响体现在三个方面：烧损信号设备、烧损钢轨及绝缘节、轨道电路电压波动。

铁路中信号控制系统通常采用微电子技术,对电磁干扰更加敏感,轨道电路是铁路运输的基础设施,保证调度指挥和控制列车运行，其电磁环境则趋于复杂和恶劣。无论是重载线路烧损信号电缆还是高速铁路烧毁绝缘节,二者主要都是由回流不平衡引起的。回流不平衡会导致设备故障,可能带来信号设备错误动作，从而影响行车效率，影响行车效率,甚至威胁到运输安全。

目前已投入使用的牵引回流监测设备主要包括以下三类：

1、固定式牵引回流监测系统

此类设备由室外和室内设备组成，室外设备主要是牵引回流采集机，一般采用水泥包封的方式固定在扼流变压器近旁。系统电源设在室内，通过信号电缆将电源引致室外，为监测分机供电。监测分机通过卡钳采集两钢轨双股引接线的牵引电流，计算关键双钢轨牵引回流值、电流差值等关键参数，通过电力载波传回室内。上述设备监测实时性等技术指标较为理想，但系统庞大，占用较为紧张的轨旁设备安装空间，且存在施工作业、维护不便等问题。

2、各类便携式牵引回流监测设备

此类设备带有两个卡钳传感器，可同时测量两根钢轨的牵引电流。此类设备具备数据记录能力，部分设备具备远程回传数据的能力。但便携式设备普遍采用电池供电，自持力有限，需要在发现现场出现问题苗头后布设在相关区段。属于事后测量，而且由于需要频繁更换电池，操作维护较为不便。

3、各类钳形电流表

现场最常见的牵引回流监测设备是各类钳形电流表。由于单台钳形表仅能测量单根钢轨电流；采用双台钳形表测量时，由于两台设备本身技术状态差异，人工读数的反应时间等因素，误差较大；仅能测量钢轨里电流总量，不能将轨道电路信号电流分量滤除；不具备数据记录功能，人工记录的数据点有限。

基于以上技术问题，本申请提出一种基于扼流变压器的钢轨牵引回流监测装置及方法，在扼流变压器内安装钢轨牵引回流监测装置，无需庞大的监测设备，并且能够准确测量钢轨牵引回流值，解决了牵引回流监测装置占用轨旁设备安装空间以及安装维护不便的问题。

实施例1：

同一时刻线路的两条钢轨中牵引电流存在差值是造成轨道电路干扰的根本原因，对两钢轨中牵引回流进行实时检测、记录并计算两者间的差值，也就是最为直接的检测手段。

在电气化轨道区段有扼流变压器等设备的存在，若流经两钢轨的电流值相等，由牵引回流产生的电势相互抵消，沿线信号设备不受影响。然而，在钢轨阻抗、接续线阻抗、对地漏泄、扼流变压器线圈技术状态等因素的作用下，会导致牵引回流出现不平衡问题，即在同一时刻，线路的两条钢轨中牵引电流存在差值，当牵引电流不平衡时，扼流变压器的一次侧磁通不能相互抵消，在次级产生感应电压，侵入轨道电路的回路，导致红光带，甚至继电器误动作。

本实施例提出一种基于扼流变压器的钢轨牵引回流监测装置，用于两条监测钢轨牵引回流值，如图1、图2、图3、图4所示，包括：第一采样端子板1、第二采样端子板2以及钢轨牵引回流监测装置主体3；

所述第一采样端子板1的第一接口1-1与扼流变压器8内部第一端子4连接；所述第二采样端子板2的第一接口2-1与扼流变压器8内部第二端子5连接；所述第一采样端子板1的第二接口1-2与扼流变压器8的铁芯线圈引接线的第一端6连接；所述第二采样端子板2的第二接口2-2与扼流变压器8的铁芯线圈引接线的第二端7连接；所述第一采样端子板1的第三接口1-3与钢轨牵引回流监测装置主体3的第一接线端连接，所述第二采样端子板2的第三接口2-3与钢轨牵引回流监测装置主体3的第二接线端连接；所述钢轨牵引回流监测装置主体安装于扼流变压器8的铁芯线圈保护罩上；

所述第一采样端子板1用于将扼流变压器8中的第一钢轨牵引回流信号传输到钢轨牵引回流监测装置主体3中；

所述第二采样端子板2用于将扼流变压器8中的第二钢轨牵引回流信号传输到钢轨牵引回流监测装置主体3中；

所述钢轨牵引回流监测装置主体3用于分别对所述第一采样端子板1、第二采样端子板2传回的第一钢轨牵引回流信号、第二钢轨牵引回流信号进行监测，并输出对应的钢轨牵引回流值。

所述钢轨牵引回流监测装置主体3，如图5所示，包括：第一信号调理电路、第二信号调理电路、第一模数转换电路、第二模数转换电路、数字信号处理电路、电力载波模组；

所述第一信号调理电路的信号输入接口与所述第一采样端子板的第三接口连接，所述第一信号调理电路的信号输出接口与第一模数转换电路的信号输入接口连接，所述第二信号调理电路的信号输入接口与所述第二采样端子板的第三接口连接，所述第二信号调理电路的信号输出接口与第二模数转换电路的信号输入接口连接，所述第二模数转换电路的信号输出接口与数字信号处理电路的第一端口连接，所述电力载波模组的第一端口与数字信号处理电路的第二端口连接；

所述第一信号调理电路用于对第一钢轨牵引回流信号进行隔离与运算放大，得到第一调理后牵引回流信号；

所述第二信号调理电路用于对第二钢轨牵引回流信号进行隔离与运算放大，得到第二调理后牵引回流信号；

所述第一模数转换电路用于对第一调理后牵引回流信号进行模数转换，得到第一数字牵引回流信号；

所述第二模数转换电路用于对第二调理后牵引回流信号进行模数转换，得到第二数字牵引回流信号；

所述数字信号处理电路用于根据所述第一数字牵引回流信号、第二数字牵引回流信号计算对应的钢轨牵引回流值，并将所述钢轨牵引回流值输出到所述电力载波模组；

所述电力载波模组用于将接收到的所述钢轨牵引回流值发送到服务器。

本实施例中，第一采样端子板1、第二采样端子板2互为镜像，每个采样端子板均包括2个黄铜端子(即采样端子板的第一接口与第二接口)以及一个取样端子(即采样端子板的第三接口)，2个黄铜端子均与扼流变压器中的内部连接，一个取样端子与钢轨牵引回流监测装置主体3连接。取样端子通过螺丝连接钢轨牵引回流监测装置主体3的信号调理电路。

当轨牵引回流监测装置工作时，以50ms为间隔，牵引回流信号经扼流变压器内部端子柱流入第一采集端子板1第一接口1-1以及第二采集端子板2第一接口2-1，随后钢轨牵引回流监测装置主体的信号调理电路流向连接有扼流变压器铁芯线圈引接线的第一采集端子板1第二接口1-2以及第二采集端子板2第二接口2-2，实现牵引回流导流；同时将牵引回流信号通过第一采集端子板1第三接口1-3以及第二采集端子板2第三接口2-3送至装置信号调理电路。

所述钢轨牵引回流监测装置主体3中的第一信号调理电路、第二信号调理电路、第一模数转换电路、第二模数转换电路、数字信号处理电路、电力载波模组均在防护外壳体内部，考虑到钢轨牵引回流监测装置安装在扼流变压器内部，防护外壳的防护等级采用IP62防护壳体，钢轨牵引回流监测装置主体外表面共有2个电缆接口，用于供电/数据电缆的接入，2个电缆接口中一个常用，一个备用。

第一信号调理电路、第二信号调理电路用于牵引回流信号的隔离以及信号调理，包括电磁耦合式隔离电路和运算放大器构成前级调理电路共两套，分别实现左右轨信号输入保护及调理，调理电路具体实现过程属于现有技术，本申请不再赘述。

第一模数转换电路、第二模数转换电路，通过采样保持电路将调理后牵引回流信号进行模数转换，具体实现过程属于现有技术，本申请不再赘述。

数字信号处理电路用于根据所述第一数字牵引回流信号、第二数字牵引回流信号计算对应的钢轨牵引回流值，根据所述第一数字牵引回流信号、第二数字牵引回流信号计算不平衡电流值以及牵引回流不平衡率，并将计算得到的钢轨牵引回流值、不平衡电流值以及牵引回流不平衡率发送到所述电力载波模组，数字信号处理电路以DSP芯片为核心，第一模数转换电路、第二模数转换电路输入数据进行处理，得出监测信息并输出，并且响应来自服务器的控制命令。通过电力载波模组接收服务器发送的控制指令，并将所述控制指令发送到所述数字信号处理电路。

其中，控制指令包括：校准指令；所述数字信号处理电路还用于接收所述电力载波模组传递过来的校准指令，接收到校准指令后，所述数字信号处理电路处于校准模式，在所述校准模式下接收用户输入的修订系数，并在接收到所述修订系数后结束校准模式，将对应的钢轨牵引回流值与修订系数的求和结果作为最终的钢轨牵引回流值。其中，修订系数采用比对法得到，采用大电流发生器产生校准信号，用钢轨牵引回流监测装置和万用表同时测量两条钢轨的牵引回流信号，以万用表与钢轨牵引回流监测装置之间的差值生成修订系数并由用户输入该修订系数。

数字信号处理电路还包括数字滤波器，可以滤除ZPW2000、UM71、国产18信息移频等国内常见的轨道电路信号。

此外，电力载波模组还具有电源接口，能够为外部提供电源。与电力载波模组相连接的还有稳压电路，稳压电路实现电压转换，并为钢轨牵引回流监测装置各级电路供电；此外，钢轨牵引回流监测装置还包括防雷单元用于防止雷击损坏设备，以及保险用于防止因设备异常导致大电流信号侵入。

本实施例提出一种基于扼流变压器的钢轨牵引回流监测装置，通过安装于扼流变压器中的第一采样端子板、第二采样端子板以及钢轨牵引回流监测装置主体，实现了实时对两条钢轨中的牵引回流监测值进行监测，不需要庞大的设备也能够准确监测牵引回流监测值，解决了牵引回流监测装置占用轨旁设备安装空间以及安装维护不便的问题，具有灵活性大、易安装、成本低，工作效率高、不影响既有线行车的优点。

实施例2：

本实施例提出一种基于扼流变压器的钢轨牵引回流监测方法，如图6所示，包括：

步骤S1：采集第一钢轨牵引回流信号、第二钢轨牵引回流信号；

步骤S2：根据所述第一钢轨牵引回流信号、第二钢轨牵引回流信号计算并输出对应的钢轨牵引回流值。

所述根据所述第一钢轨牵引回流信号、第二钢轨牵引回流信号计算并输出对应的钢轨牵引回流值，包括：

对第一钢轨牵引回流信号进行隔离与运算放大，得到第一调理后牵引回流信号；

对第二钢轨牵引回流信号进行隔离与运算放大，得到第二调理后牵引回流信号；

对第一调理后牵引回流信号进行模数转换，得到第一数字牵引回流信号；

对第二调理后牵引回流信号进行模数转换，得到第二数字牵引回流信号；

根据所述第一数字牵引回流信号、第二数字牵引回流信号计算对应的钢轨牵引回流值，并将所述钢轨牵引回流值发送到服务器。

本实施例提出一种基于扼流变压器的钢轨牵引回流监测方法，包括：分别采集双钢轨牵引回流信号，对钢轨牵引回流信号进行隔离与运算放大，进一步进行模数转换，最后计算对应的钢轨牵引回流值，并将所述钢轨牵引回流值发送到服务器。本实施例提出的方法能够准确地监测双钢轨牵引回流值。

实施例3：

本实施例提出一种计算机程序产品，包括：计算机程序/指令，所述计算机程序/指令被处理器执行时实现所述的基于扼流变压器的钢轨牵引回流监测方法的步骤。

实施例4：

本实施例提出一种电子设备，包括：一个或多个处理器，以及存储器，所述存储器存储指令，当所述指令被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行所述的基于扼流变压器的钢轨牵引回流监测方法。

该电子设备可以是手机、电脑或平板电脑等，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如实施例中所述的基于扼流变压器的钢轨牵引回流监测方法。可以理解，电子设备还可以包括，输入/输出(I/O)接口，以及通信组件。

其中，处理器用于执行如上述实施例中的所述的基于扼流变压器的钢轨牵引回流监测方法中的全部或部分步骤。存储器用于存储各种类型的数据，这些数据例如可以包括电子设备中的任何应用程序或方法的指令，以及应用程序相关的数据。

所述处理器可以是专用集成电路(Application Specific Integrated Cricuit，简称ASIC)、数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称DSP)、可编程逻辑器件(Programmable Logic Device，简称PLD)、现场可编程门阵列(Field Programmable GateArray，简称FPGA)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现，用于执行上述实施例中所述的基于扼流变压器的钢轨牵引回流监测方法。

实施例5：

本实施例提出一种计算机可读存储介质，其存储有可执行指令，所述指令当被执行时使得处理器执行所述的基于扼流变压器的钢轨牵引回流监测方法。

在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述的基于扼流变压器的钢轨牵引回流监测方法的全部或部分步骤。

而前述的存储介质包括：闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器(例如，SD(SecureDigital Memory Card安全数字存储卡)或DX(为Memory Data Register,MDR的缩写，内存资料寄存器)存储器等)、随机访问存储器(RAM)、静态随机访问存储器(SRAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)、磁性存储器、磁盘、光盘、服务器、APP(Application，应用软件的缩写)应用商城等各种可以存储程序校验码的介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时可以实现上述所述的基于扼流变压器的钢轨牵引回流监测方法的各个步骤。

本公开中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

本公开的保护范围不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本公开进行各种改动和变形而不脱离本公开的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本公开权利要求及其等同技术的范围，则本公开的意图也包含这些改动和变形在内。