用于識別作為直流鐵路系統中的軌道電勢的交流電壓的測量裝置和方法以及測量裝置的應用
【技術領域】
[0001]本發明涉及用于識別作為直流鐵路系統中的軌道電勢的交流電壓的一種測量裝置和一種方法以及一種測量裝置的應用。
【背景技術】
[0002]根據歐洲標準EN 50122-1:2010，要避免鐵軌設備上的不允許的高觸摸電壓，特別是軌道和地之間的不允許的高軌道電勢(參見EN 50122-1:2010第9章第58頁及之后)。在直流鐵路中，由于軌道相對于地絕緣，在鐵路運行期間，特別是在發生故障的情況下，在軌道和地之間出現可能作為觸摸電壓而被量取的電壓。
[0003]一種用于降低由于觸摸電壓而產生的危險的措施是使用電壓限制裝置，也稱為電壓限制設備(VLD，Voltage Limiting Device)。這種電壓限制裝置在施加的電壓低時具有大電阻，并且在超過預先規定的電壓最大值時將變得導電。由此可以消除不允許的高電壓(參見EN 50122-1:2010，第79頁的附錄F)。許多電壓限制裝置通過監視在軌道和地之間的電勢差來解決該技術問題。如果其超過在標準中或由操作人員規定的邊界值，則通過經由開關裝置將軌道和地短接來限制其。
[0004]根據本發明的前序部分的用于直流鐵路設備的具有短路器的電壓限制裝置從西門子公司的產品SITRAS S⑶版本3.0.0的操作說明中已知。這種電壓限制裝置被設置為，在出現不允許的高觸摸電壓時，自動將回線(軌道)和地短接；隨后，再將軌道和地之間的導電連接斷開。在此，開關裝置被構造為所謂的混合開關裝置。其由功率半導體(晶閘管)和功率繼電器構成。晶閘管在快速上升的且大電壓的情況下有效，而功率繼電器(可控開關)在緩慢上升的且低的電壓的情況下作出反應。功率繼電器的通斷通常由控制器進行，其在Ims至1ms的時間柵格內測量電壓并且相應地作出反應。較快的過程由用于觸發晶閘管的離散電子電路(觸發電子器件)控制。
[0005]因為這種“絕緣軌道”系統傳統上僅涉及直流鐵路，因此在早前的設備中僅考慮直流電壓。然而，根據歐洲標準EN 50122-3:2010，在避免不允許的高觸摸電壓時，還要考慮具有交流電壓分量和直流分量的混合電壓。這種混合電壓例如可能在直流電壓鐵路和交流電壓鐵路彼此平行或者在空間上靠近時出現。對此典型地例如是柏林和漢堡的輕軌鐵路，其部分地在與遠途鐵路、還有與在隧道中與遠途鐵路交叉的地鐵(紐倫堡火車總站，NilrnbergRothenburger Stra|3 e)相同的路線上行駛。在這種情況下例如可能在直流鐵路的電氣設備中感應出交流電壓。
[0006]在此，有時在軌道電勢中出現這樣高的交流電壓，使得其被觸發電子器件識別到，并且自動觸發晶閘管。通過幾乎立即觸發晶閘管，該交流電壓被短接，并且控制器不再能夠測量。相應地，其也不以功率繼電器的閉合作出反應。因為晶閘管根據結構形式在交流電壓的過零點又截止，因此形成在觸發電子器件的觸發電壓的幅值中具有尖峰電壓的周期性地重復的信號。
[0007]如果出現的不受影響的交流電壓明顯高于觸發電子器件的觸發電壓，則由于晶閘管觸發而形成在觸發電壓的幅值中具有非常短的電壓尖峰的周期性交流電壓。這種非常短的電壓尖峰不能被傳統的電壓限制裝置識別，因此不能觸發功率繼電器的閉合。在軌道電勢中出現的這種短的電壓尖峰尤其是有問題的，在如通常那樣觸發電壓的幅值大于120伏，并且其超過了對于這樣高的觸摸電壓按照標準作為該觸摸電壓的最大允許地定義的持續時間時。
【發明內容】
[0008]本發明要解決的技術問題是，提供一種用于識別在直流鐵路系統中的軌道電勢中的交流電壓的測量裝置。
[0009]根據本發明，上述技術問題通過根據權利要求1所述的測量裝置來解決。在根據本發明的測量裝置中，存儲裝置的充電確保了，將短的、周期性地出現的電壓尖峰轉換為持續時間更長或者持續存在的直流電壓信號。這種直流電壓信號可以由在現有技術中對于直流鐵路系統已知的評估裝置以常見的Ims (對應于IkHz)的采樣率進行評估，以便識別交流電壓。功率繼電器的觸發以及由此對仍然存在的電壓尖峰的持續限制可以由控制器進行。
[0010]在迄今為止常見的電壓限制裝置中，不能識別這種周期性信號并且通過功率繼電器的閉合將其持續斷開。應用于直流電流的電流測量方法(流過電壓限制裝置的電流在功率繼電器斷開的情況下適合作為用于觸發晶閘管的標志)在交流電壓的情況下不總是適用或者從特定電流值起才可能適用。如果交流電壓電勢應當電感地親合，則其功率不一定足以產生以通常存在的測量技術可測量的電流。晶閘管的觸發也許也能在交流電壓的情況下經由電流測量來識別。在此的問題是，測量范圍(標度端值)由于大于20kA的電壓限制裝置的非常高的電流承載能力，在進行電流測量時也相對大，通常大于1000A。在常見的1%的測量精度的情況下，不再能夠可靠地測量小的(電感地耦合的)小于1A的電流。
[0011]因此，本發明的主要的優點是，能夠使用具有Ims的采樣率的傳統的控制器，因為借助附加的簡單的存儲裝置產生能檢測的、相對長地持續時間的直流電壓信號。用于功率繼電器的傳統的控制器部件的應用成本特別低，并且在現有技術中經過了長時間的證明。避免了使用專用的控制器部件和具有在Us范圍內的測量速率的昂貴的測量部件。
[0012]在根據本發明的測量裝置的一個優選實施方式中，測量裝置具有隔離放大器。使用隔離放大器是有利的，因為隔離放大器將布置在隔離放大器之后的部件與在軌道和地之間的連接電隔離或者退耦。在上述實施方式的擴展中，隔離放大器將交流電壓放大，這使得交流電壓的識別更容易。
[0013]在根據本發明的測量裝置的另一個優選實施方式中，測量裝置包括具有反并聯(相反地取向)二極管或壓敏電阻器的過電壓電路。隔離放大器的使用的該替換方式是有利的，因為其成本特別低。
[0014]在根據本發明的測量裝置的另一個優選實施方式中，整流裝置具有二極管。作為二極管整流器的整流裝置的這種構造是有利的，因為其廣泛分布并且成本低。特別地，使用具有非常低的導通電壓的專用二極管，例如肖特基二極管(Schottkyd1de)是有利的，因為利用這種專用二極管可以在沒有明顯的電壓降的情況下存儲具有低電平的交流電壓幅值。
[0015]在根據本發明的測量裝置的一個特別優選的實施方式中，存儲裝置具有電容器。電容器特別好地適合用于將短的、周期性地出現的電壓尖峰轉換為持續時間更長的電壓信號。在此，電容器的電容應當這樣與在電路中使用的電阻相協調，使得存儲裝置在鐵路電流設備的交流電壓的頻率范圍內可靠地工作。該頻率范圍例如在1Hz和10Hz之間延伸，特別是在16.7Hz和60Hz之間延伸。
[0016]在根據本發明的測量裝置的另一個特別優選的實施方式中，至少一個可開關的半導體元件是反并聯晶閘管對。一旦對晶閘管的柵極施加足夠的觸發電壓，晶閘管就分別切換為導通。當對與柵極相連的二極管施加相應的電壓時，得到該觸發電壓。在直流鐵路系統中的傳統測量裝置中使用晶閘管，以便將軌道和地電氣地分離，并且盡管如此仍然確保了在超過晶閘管的觸發電壓時可靠地消除軌道電勢。
[0017]在根據本發明的測量裝置的另一個優選實施方式中，評估裝置適合用于確定交流電壓的幅值。這是有利的，因為以這種方式還可以確定關于溯源于交流電壓的軌道電勢的定量信息。
[0018]此外，根據權利要求8所述的方法是本發明的內容。對于根據本發明的方法相應地得到與前面針對根據本發明的測量裝置所描述的相同的優點。由從屬權利要求9至14得到相應地具有與針對根據本發明的測量裝置所描述的相同的優點的根據本發明的方法的實施方式。
[0019]此外，根據權利要求15所述的測量裝置的應用也是本發明的內容。對于測量裝置的根據本發明的應用相應地得到與前面所描述的相同的優點。
【附圖說明】
[0020]為了說明本發明，附圖中:
[0021]圖1示出了根據本發明的測量裝置的實施例，以及
[0022]圖2示出了根據本發明的測量裝置的另一實施例，以及
[0023]圖3示出了通過根據圖1的晶閘管裝置的觸發而產生周期性地出現的電壓尖峰的交流電壓的電壓曲線，以及
[0024]圖4示出了將圖3中的周期性地出現的電壓尖峰通過使用根據圖1的測量裝置轉換為持續存在的直流電壓的電壓曲線。
【具體實施方式】
[0025]圖1示出了直流鐵路的軌道10，其經由至少一個可開關的半導體元件32與地2連接。至少一個可開關的半導體元件32具有反并聯晶閘管對15、17和二極管14、16。此外，電阻3和4與至少一個可開關的半導體元件32并聯地布置。功率繼電器或者開關13也與至少一個可開關的半導體元件32并聯地布置。
[0026]與電阻4并聯地設置隔離放大器，用于將測量裝置I與軌道電勢退耦，以及用于放大測量電子器件的輸入信號。在隔離放大器5之后連接具有二極管7的二極管整流電路6。二極管整流電路6由虛線框示出。
[0027]在二極管整流電路6之后連接具有第一電阻18和第二電阻9以及電容器8的存儲裝置33。在此，電容器8和電阻9并聯連接。為了在直流鐵路的電壓限制裝置中使用，電容器的電容應當這樣與在電路中使用的電阻相匹配，使得存儲裝置在鐵路電流設備的交流電壓的頻率范圍內可靠地工作。該頻率范圍例如在1Hz和