开关状态检测电路、过分相装置、检测方法及控制方法与流程

本发明涉及电气化铁路牵引供电技术领域，尤其涉及一种开关状态检测电路、过分相装置、检测方法及控制方法。

背景技术：

由于铁路系统牵引供电模式、列车运行模式的特殊性，每隔30～60km通常就存在约200～900m的作为不同电气相位之间分隔作用的中性隔离区，即“电分相”区或“中性区”，电力牵引列车或动车组通过这一区域的方式即为“过分相”。为了防止司机手动误操作，带电闯分相引起拉弧造成接触网损毁事故，目前主要包括车载断电自动过分相、地面自动过分相两种方式，而其中车载过分相方案由于列车动力丢失明显，不能最大限度地压缩运行时间，且高速列车的维护工作量大、维护停运时间长，已无法满足高速铁路的运行需求；地面自动过分相方式是通过使用地面自动过分相装置，在列车过分相时，控制跨接在中性段与供电臂之间的地面开关切换给中性段供电，中性段无电时间短，列车无速度损失，且可以压缩运行时间，同时降低高速列车的维护工作量等。

目前使用地面自动过分相装置控制过分相时，列车即使以350km/h的高速行驶也需要至少2～8s的时间，而电力牵引列车在持续的中断供电时间≥0.3s就会判定为供电中断无电，而自动切断其内部电源负荷进入断电自保护状态，此时列车进入无动力的惰行状态，因而过分相会影响列车的运行速度和乘车人员的舒适度，为降低该影响，就要求地面自动过分相装置中能够尽可能的实现快速地换相。

传统的地面自动过分相装置如图1所示，包括晶闸管scr_v1、scr_v2两个换相开关，由传感器cg1～cg4检测列车行驶位置，当机车负载在进入传感器cg1位置后，开关scr_v1开通，当机车负载进入传感器cg2位置后，开关scr_v1关闭，之后开关scr_v2迅速开通，保证列车无感换向；当列车到达传感器cg4位置后，关闭电子开关scr_v2，换相过程完成；若列车反方向行驶时，依次控制开关开关scr_v2、scr_v1通断，与上述原理一致。如晶闸管等电子开关，完全关断有延时性，在上述过分相过程中，控制两个换相开关切换时，通常都是在前一个开关断开后，延时一定时间后导通后一个开关，如上述，当开关scr_v1关闭后，再延时关闭scr_v2，但是如果前一个开关还没有完全关断时，此时开通另一个开关会导致产生短路电流。

为了避免短路电流的产生，需保证当前一个开关完全关断后，才能导通后一个开关，因而理论上两个开关之间关断、导通间隔的断电时间越长越好，以确保后一个开关导通时前一个开关已完全关断，而断电时间过长又会对列车运行造成影响，若能够实现准确、快速的检测到开关关断状态，则可以避免暂态冲击的产生，同时又能够实现开关关断状态的快速检测，减少断电时间。因此亟需提供一种换相开关状态检测方法，使得可以实现准确、快速的检测到开关关断状态，避免冲击电流的产生，同时减少换相时间。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种开关状态检测电路及检测方法，能够同时检测换相开关中晶闸管正反向电压状态，从而实现晶闸管关断状态的快速、精确的检测，避免暂态冲击的产生，同时减少过分相过程中的换相时间，以及提供一种换相时间短、可避免暂态冲击的过分相装置、控制方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种用于过分相控制的换相开关状态检测电路，所述换相开关包括两个以上依次连接的晶闸管阀组，所述检测电路包括两个以上的电压检测模块，每个所述电压检测模块对应连接在一个所述晶闸管阀组的两端，用于检测对应晶闸管阀组的电压状态，其中至少一个所述电压检测模块配置为用于检测对应晶闸管阀组的正向电压状态、至少一个所述电压检测模块配置为用于检测对应晶闸管阀组的反向电压状态。

作为本发明电路的进一步改进：所述电压检测模块包括依次连接的电压采集单元、比较单元以及脉冲产生单元，所述电压采集单元的输入端与待检测晶闸管阀组连接，所述电压采集单元采集待检测晶闸管阀组的电压信号，输出给所述比较单元，所述比较单元将接收到的电压信号与参考电压进行比较后，触发所述脉冲产生单元产生脉冲信号输出。

作为本发明电路的进一步改进：所述电压采集单元包括第一电阻、第二电阻以及稳压二极管，所述第二电阻与所述稳压二极管串联连接后与所述第一电阻并联连接，所述稳压二极管的阴极通过所述第二电阻连接待检测晶闸管阀组，阳极接地，所述比较单元的一个输入端连接至所述稳压二极管与所述第二电阻之间。

作为本发明电路的进一步改进：所述脉冲产生单元具体为定时电路，当所述比较单元输出有效电压信号时，所述定时电路产生指定宽度的脉冲信号输出。

作为本发明电路的进一步改进：还包括与所述脉冲产生单元连接的光纤发射单元，当所述脉冲产生单元输出脉冲信号时，驱动所述光纤发射单元产生光信号发送给用于过分相控制的控制系统。

作为本发明电路的进一步改进：用于检测晶闸管阀组的正向电压信号状态的第一电压检测模块、与用于检测晶闸管阀组的反向电压信号状态的第二电压检测模块的连接方向相反。

作为本发明电路的进一步改进：所述换相开关具体包括2n个依次串联连接的晶闸管阀组，所述检测电路包括2n个所述电压检测模块，每个所述电压检测模块与一个所述晶闸管阀组对应连接，其中前n个晶闸管阀组配置为所述第一电压检测模块，后n个晶闸管阀组配置为所述第二电压检测模块。

作为本发明电路的进一步改进：所述检测电路还包括用于检测所述换相开关的电流状态的电流检测模块。

作为本发明电路的进一步改进：所述电流检测模块包括依次连接的电流检测单元、过零点提取单元，所述电流检测单元检测所述换相开关的电流信号，输出给所述过零点提取单元，经所述过零点提取单元提取出过零信号后输出给用于过分相控制的控制系统。

作为本发明电路的进一步改进：所述过零点提取单元包括依次连接的电流转换子单元、比较子单元，所述电流转换子单元接收所述电流检测单元检测到的电流信号，转换为所需大小的电流信号后，输出给所述比较子单元，由所述比较子单元提取出信号的过零点，得到电流过零信号输出。

一种地面自动过分相装置，包括控制系统以及跨接在两供电臂与中性段之间的两个换相开关，控制系统分别与两个所述换相开关连接，每个所述换相开关包括两个以上依次连接的晶闸管阀组，通过所述控制系统控制两个所述换相开关的切换，实现列车过分相，其特征在于，每个所述换相开关还连接有如上述的检测电路，所述检测电路与所述控制系统连接，所述控制系统接收所述检测电路检测到的状态信号，控制两个所述换相开关的通断。

一种利用上述状态检测电路的状态检测方法，步骤包括：

s1.获取目标换相开关中各所述电压检测模块检测到的电压状态信号；

s2.根据各个所述电压检测模块检测到的电压状态信号，判断目标换相开关的关断状态。

作为本发明检测方法的进一步改进：所述步骤s2中还包括检测所述换相开关的电流信号，综合各个所述电压检测模块检测到的电压状态信号、所述电流信号，判断目标换相开关的关断状态。

作为本发明检测方法的进一步改进：当根据所述电压状态信号判断到目标换相开关为关断状态，且由所述电流信号提取得到的电流过零信号处于电流过零点时，判定目标换相开关为关断状态。

一种地面自动过分相控制方法，通过控制系统控制跨接在两供电臂与中性段之间的两个换相开关，实现列车过分相，当关断一侧的换相开关、需打开另一侧的换相开关时，使用上述状态检测方法检测当前侧换相开关的关断状态，当判断为处于关断状态时，控制打开另一侧的所述换相开关。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明通过为换相开关中晶闸管阀组配置电压检测模块来检测晶闸管阀组的电压状态，由晶闸管的电压状态可以得到整个换相开关的关断状态，同时配置部分电压检测模块检测正向电压、以及部分电压检测模块检测反向电压，可以同时检测晶闸管阀组的正、反向电压的状态，从而由晶闸管阀组的电压状态可以实现换相开关关断状态快速、准确的检测。

2)本发明配置为检测反向电压的电压检测模块分别为两个以上时，还可以进一步提高检测的稳定可靠性，当其中一个电压检测模块故障时，可以由其他正常的电压检测模块1实现检测，电路的冗余可靠性高。

3)本发明进一步由电压采集单元、比较单元以及脉冲产生单元构成电压检测模块，当晶闸管阀组两端有电压时产生脉冲信号输出，则由脉冲信号即可快速判断得到晶闸管阀组的电压状态，成本低且检测效率高，可以进一步提高开关状态检测的效率，且基于硬件电路结构实现电压状态检测，相比于传统的电压传感器等，实现成本低且检测精度高。

4)本发明在检测电压状态判断换相开关关断状态的基础上，进一步检测换相开关的电流状态，综合电压和电流状态共同判断换相开关的关断状态，可以实现换相开关关断具体时刻的精确判定，尽可能的提高开关关断判断的精度及可靠性，实现快速、准确可靠地判断出自动过分相装置的关断，从而减少过分相过程中的换相时间，使得列车无感通过中性区。

附图说明

图1是传统的地面自动过分相装置的结构原理示意图。

图2是本发明实施例1用于过分相控制的换相开关状态检测电路的结构示意图。

图3是本发明实施例1中各电压检测模块的接线原理示意图。

图4是本发明实施例1中电压检测模块的电路结构示意图。

图5是本发明实施例1中电流检测模块的电路结构示意图。

图6是本发明实施例1中地面过分相装置的结构示意图。

图7是本发明实施例2中换相开关状态检测电路实现检测的结构原理示意图。

图例说明：1、电压检测模块；11、电压采集单元；12、比较单元；13、脉冲产生单元；14、光纤发射单元。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例1：

如图2所示，本实施例用于过分相控制的换相开关状态检测电路，换相开关包括两个以上依次连接的晶闸管阀组，每个晶闸管阀组包括两个反并联连接的晶闸管，检测电路包括两个以上的电压检测模块1，每个电压检测模块1对应连接在一个晶闸管阀组的两端，用于检测对应晶闸管阀组的电压状态，其中至少一个电压检测模块1配置为用于检测对应晶闸管阀组的正向电压状态、至少一个电压检测模块1配置为用于检测对应晶闸管阀组的反向电压状态。

换相开关由两个以上晶闸管阀组连接构成时，若换相开关关断，各个晶闸管阀组均为关断状态，换相开关关断完成时刻，则各个晶闸管阀组的电压状态均会发生改变。本实施例通过为换相开关中晶闸管阀组配置电压检测模块1来检测晶闸管阀组的电压状态，由晶闸管的电压状态可以快速、精确的得到整个换相开关的关断状态，同时配置部分电压检测模块检测正向电压、以及部分电压检测模块检测反向电压，可以实现晶闸管阀组双向关断电压的检测，从而由晶闸管阀组的电压状态可以实现换相开关关断状态快速、准确的检测进而减少换相时间，同时可避免短路电流的产生。

当晶闸管阀组为多个，对应的上述检测电路中配置有多个电压检测模块1，配置为检测正向电压的电压检测模块1、配置为检测反向电压的电压检测模块1分别为两个以上时，还可以进一步提高检测的稳定可靠性，当其中一个电压检测模块1故障时，可以由其他正常的电压检测模块1实现检测，电路的冗余可靠性高。

如图3所示，本实施例电压检测模块1(vd)中，用于检测晶闸管阀组的正向电压信号状态的第一电压检测模块、与用于检测晶闸管阀组的反向电压信号状态的第二电压检测模块的连接方向相反，其中第一电压检测模块的晶闸管信号输入端s1与晶闸管阀组的进线端连接，第二电压检测模块的晶闸管信号输入端s1与晶闸管阀组的出线端连接，以分别识别正、反向电压信号状态检测。

本实施例中，电压检测模块1具体包括依次连接的电压采集单元11、比较单元12以及脉冲产生单元13，电压采集单元11的输入端与待检测晶闸管阀组连接，电压采集单元11采集待检测晶闸管阀组的电压信号，输出给比较单元12，比较单元12将接收到的电压信号与参考电压进行比较后，触发脉冲产生单元13产生脉冲信号输出。通过上述结构，当晶闸管阀组两端有电压时产生脉冲信号输出，则由脉冲信号即可快速判断得到晶闸管阀组的电压状态，成本低且检测效率高，可以进一步提高开关状态检测的效率。

本实施例中，还包括与脉冲产生单元13连接的光纤发射单元14，当脉冲产生单元3输出脉冲信号时，驱动光纤发射单元14产生光信号发送给用于过分相控制的控制系统；过分相控制过程中，目标换相开关导通后，各电压检测模块1不发光，当目标换相开关关断时，各电压检测模块1发光，控制系统对各电压检测模块1的发光状态进行判断，如果存在指定数量的电压检测模块1发光，即指定个晶闸管阀组的电平发生翻转，则判断换相开关为已完成关断状态。

如图4所示，本实施例电压采集单元11具体包括第一电阻r300、第二电阻r301以及稳压二极管v301，第二电阻r301与稳压二极管v301串联连接后与第一电阻r300并联连接，稳压二极管v301的阴极通过第二电阻r301经过s1端连接待检测晶闸管阀组，稳压二极管v301的阳极接地，比较单元12具体使用比较器n2，比较单元12的一个输入端连接至稳压二极管v301与第二电阻r301之间，产生一个固定的基准电压；脉冲产生单元13具体使用定时电路a300a，当比较单元12输出有效电压信号时，定时电路a300a产生指定宽度的脉冲信号输出，光纤发射单元4具体使用光纤发射器tx1。采用上述硬件电路结构实现电压状态检测，相比于传统的电压传感器等，实现成本低且检测精度高。

当进线端与出线端承受正向电压时，晶闸管阀组承受正向电压，由第一电压检测模块启动进行晶闸管阀组的电压状态检测，如图2所示，第一电压检测模块通过信号端s1接入晶闸管阀组的正向电压，将稳压二极管v301承受的正压与参考电压vref相比较，当稳压二极管v301的稳压值大于参考电压vref后，比较器n2输出由低到高的电平翻转，通过定时器a300输出固定宽度的脉冲，通过电阻r307和三极管v186驱动光纤发射器发光，将光信号发送给控制系统，实现晶闸管承受正压的状态检测，即晶闸管的关断状态检测，反馈给控制系统；当进线端与出线端承受反向电压时，晶闸管阀组承受反向电压时，由第二电压检测模块启动进行晶闸管阀组的电压状态检测，检测原理与上述第一电压检测模块相同，实现晶闸管承受反压的状态检测，反馈给控制系统。

对于用于检测晶闸管阀组的反向电压信号状态的第二电压检测模块，当晶闸管阀组，当进线端与出线端承受反向电压时，tn+1～t2n对应的关断检测板vdn+1～vd2n反馈晶闸管关断状态。

本实施例中，检测电路还包括用于检测换相开关的电流信号状态的电流检测模块2。当如晶闸管的电子开关完成关断时，对应的电流信号则为电流过零点，通过检测换相开关的电流状态，可进一步结合电流状态确定换相开关的关断状态，提高检测精度及可靠性。

本实施例中，电流检测模块包括2包括依次连接的电流检测单元、过零点提取单元21，电流检测单元检测换相开关的电流信号，输出给过零点提取单元21，经过零点提取单元21提取出过零信号后输出给用于过分相控制的控制系统，由控制系统基于过零信号确定换相开关的关断时刻。

本实施例中过零点提取单元21包括依次连接的电流转换子单元、比较子单元，电流转换子单元接收电流检测单元检测到的电流信号，转换为所需大小的电流信号后，输出给比较子单元，由比较子单元提取出信号的过零点，得到电流过零信号输出；控制系统综合电流过零信号以及各电压检测模块1检测到的电压状态信号，最终确定换相开关的准确关断时间，从而可以精确的控制另一个换相开关导通。

本实施例具体在每个换相开关的输入侧设置电流互感器ta，以检测换相开关的电流；过零点提取单元21具体如图5所示，电流转换子单元采用互感器t4实现电流信号变换，互感器t4的输入端(ip，in)连接电流互感器ta，互感器t4的输出端设置有由r34、c64、u11a构成的有源滤波器进行滤波，滤波器再经过放大器u11c连接至比较子单元，比较子单元具体采用由r53～r55、u5组成的比较器，比较器的输出端输出提取到的过零点。工作时，电流互感器ta采集到的电流信号，经过互感器t4变换为毫安级电流信号，依次经过有源滤波器进行滤波、放大器进行放大后，输出给比较器u5，由比较器u5进行比较后提取出电流信号的过零点，得到电流过零信号；将得到的电流过零信号发送至控制系统，在晶闸管的触发脉冲停止后，第一个电流过零点即是晶闸管阀关断的时刻。

本实施例进一步利用上述状态检测电路的状态检测方法，步骤包括：

s1.获取目标换相开关中各电压检测模块1检测到的电压状态信号；

s2.根据各个电压检测模块检测到的电压状态信号，判断目标换相开关的关断状态。

通过上述方法，可以检测晶闸管阀组的电压状态，由晶闸管的电压状态可以快速、精确的得到整个换相开关的关断状态，同时可以实现晶闸管阀组双向关断电压的检测，从而由晶闸管阀组的电压状态可以实现换相开关关断状态快速、准确的检测进而减少换相时间，且可避免冲击电流的产生。

本实施例中，步骤s2中还包括检测换相开关的电流过零信号，综合各个电压检测模块检测到的电压状态信号、电流过零信号，判断目标换相开关的关断状态。通过在上述检测电压状态判断换相开关关断状态的基础上，进一步检测换相开关的电流状态，综合电压和电流状态共同判断换相开关的关断状态，可以实现换相开关关断具体时刻的精确判定，尽可能的提高开关关断判断的精度及可靠性，实现快速、准确可靠地判断出自动过分相装置的关断，从而减少过分相过程中的换相时间，使得列车无感通过中性区。

本实施例中，当根据电压状态信号判断到目标换相开关为关断状态，且电流过零信号处于电流过零点时，判定目标换相开关为关断状态，从而结合电流过零信号以精确确定晶闸管关断的具体时刻，具体在晶闸管的触发脉冲停止后，第一个电流过零点即是晶闸管阀关断的时刻。

如图6所示，本实施例进一步包括地面自动过分相装置，包括控制系统以及跨接在两供电臂与中性段之间的两个换相开关v1、v2，换相开关v1、v2的结构相同，控制系统分别与两个换相开关v1、v2连接，每个换相开关(v1、v2)包括两个以上依次连接的晶闸管阀组，通过控制系统控制两个换相开关的切换，实现列车过分相，每个换相开关还连接有上述检测电路，检测电路与控制系统连接，控制系统接收检测电路检测到的状态信号，控制两个换相开关的通断。

本实施例中，每个晶闸管阀组的输入侧还设置有静态均压电阻，用于实现均压；电每个晶闸管阀组的两端还并联连接有动态rc吸收电路，用于抑制电压上升率过大，动态rc吸收电路包括吸收电阻r以及吸收电容c。

本实施例进一步包括地面自动过分相控制方法，通过控制系统控制跨接在两供电臂与中性段之间的两个换相开关v1、v2，实现列车过分相，当关断一侧的换相开关、需打开另一侧的换相开关时，使用上述状态检测方法检测当前侧换相开关的关断状态，当判断为处于关断状态时，控制打开另一侧的换相开关。在过分相过程中，进行换相切换时通过使用上述状态检测方法，实现快速、准确可靠地判断出自动过分相装置的关断，从而可以缩短换相时间，提高过分相性能，使得列车无感通过中性区。

实施例2：

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于本实施例每个换相开关具体包括2n(n为整数，且n>1)个依次串联连接的晶闸管阀组，检测电路包括2n个电压检测模块1，即每个晶闸管阀组均对应设置有一个电压检测模块1，如图7所示，每个电压检测模块1与一个晶闸管阀组对应连接，其中前n个晶闸管阀组对应的电压检测模块1(t1～tn)配置为第一电压检测模块，后n个晶闸管阀组对应的电压检测模块1(tn+1～t2n)配置为第二电压检测模块，t1～tn晶闸管与tn+1～t2n晶闸管级的进出线方向相反，当进线端与出线端承受正向电压时，t1～tn对应的电压检测模块vd1～vdn反馈晶闸管关断状态；当进线端与出线端承受反向电压时，tn+1～t2n对应的电压检测模块vdn+1～vd2n反馈晶闸管关断状态。

上述检测电路工作时，控制系统分别接收各电压检测模块1的检测结果，综合各个电压检测模块1的检测结果判断换相开关的关断状态，进一步结合电流检测模块2可精确的确定换相开关的关断时间。

本实施例通过分别为换相开关内每个晶闸管阀组均设置一个电压检测模块1，由其中前n个电压检测模块1对应检测正向电压状态，后n个电压检测模块1对应检测反向电压状态，可以实现晶闸管阀组双向电压状态检测，同时整个检测电路的冗余可靠性高，当其中一个或多个电压检测模块1发生故障时仍然可以正常工作，保证检测结果的精度。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。