CN103022950B - 一种直供单线供电系统接触网配对svg在线防冰电流的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直供单线供电系统接触网配对SVG在线防冰电流的确定方法。该方法通过监测并记录温湿度、风速等环境信息，牵引变电所馈线侧电压矢量和电流矢量，采用推导的公式计算获得防冰电流的取值范围，可随环境条件和牵引负荷的变化而动态变化。该方法测试简单、准确度高，监测所得的防冰电流随时间变化的曲线可作为在线防冰系统设计和运行的依据。

Description

一种直供单线供电系统接触网配对SVG在线防冰电流的确定方法

技术领域

本发明涉及一种直供单线供电系统接触网配对SVG在线防冰电流的确定方法，涉及到接触网在线防冰技术，属供电设备安全技术领域。

背景技术

我国电气化铁路总里程快速增长，一些新的电气化铁路线路很可能要穿越高寒、高湿和高海拔地区等易发生覆冰的区域，“哈大线”将是世界首条穿越高寒区域的高速铁路；同时高速铁路和重载铁路快速发展，对供电可靠性的要求进一步提高，很多重冰区的重要区段，覆冰影响严重和可用于除冰的时间很少形成了突出的矛盾；覆冰增加了接触网硬点，不但加剧了弓网电弧，更容易加速受电弓滑板的磨耗，甚至引起刮弓等事故。接触网覆冰灾害问题已成为各级部门广泛关注的问题，为了既能消除覆冰，同时也能保证行车所必须的电能供给，接触网在线防冰技术将成为未来电气化铁路防融冰的主要方法之一。

目前国内电气化铁路主要采用人工除冰，耗时长，效率低，安全性差。目前处于试验阶段的短路融冰方案，将电抗或电阻放置在供电臂末端，利用其短路电流进行融冰，在确定电流大小时，直接取其值为临界防冰电流。该种确定电流的方法没有考虑到对牵引网压的影响，必然要影响行车，只适用于离线式融冰。中国专利(申请号：201110141921.6、201110033636.2、201120033756.8、201120176640.X)提出了接触网在线防融冰方法，但未明确其电流的确定方法；现有的防冰电流均参考离线式防冰电流确定方法，没有考虑牵引网压的影响。目前我国电气化铁路中，很大部分采用上下行独立的直供单线供电系统，因此针对直供单线供电系统接触网，急需发明既能有效防融冰、又能保证接触网网压保持在允许范围内的防冰电流确定方法。

发明内容

针对现有技术的状况，本发明提供了一种直供单线供电系统接触网配对SVG在线防冰电流的确定方法，采用该方法，可实时、自动地调节防冰电流，保证防冰效果，同时保障牵引网供电电压，不影响行车。从而为接触网在线防冰方法的应用奠定基础。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：

第一步：由接触线型号材质确定导线等效直径D、20℃直流电阻R₂₀、导线的日光吸收系数ε、导线的温度系数y_s、导线的辐射系数ε_cw，在观测点设置环境参数测量仪器测得风速V_w、风向角度因子K_angle、环境温度T_a，查阅物理参数表确定空气密度ρ_f、空气动粘性系数μ_f、空气导热系数k_f，测试地点纬度γ确定后，由下式可计算出接触线的临界防冰电流I_C1：

式中，T_s为设定接触线加热的目标温度，P_so为太阳辐射密度，M为和的较大值；

第二步：由下式确定接触网的临界防冰电流I_CJ：

I_CJ＝(1+k)I_C1

式中，k为承力索与接触线的电流分配系数之比；

第三步：测量得接触网首端电压U_N，末端电压U₂，测得机车负载电流I_load和功率因数角根据接触网结构、选用导线类型计算得到接触网单位长度阻抗Z和线路阻抗角θ_l，获得供电区间长度l、机车距离牵引变电所距离l₁，由下式确定牵引网压允许的接触网感性防冰电流上限I_C21、牵引网压允许的接触网容性防冰电流上限I_C22：

式中，

U_min为牵引网供电安全范围内允许的接触网长时间最低电压，U_max为牵引网供电安全范围内允许的接触网长时间最高电压；

第四步：取I_C21和I_C22中的较大者为牵引网压允许的接触网防冰电流上限I_C2；

第五步：取I_CJ和I_C2的较小者为接触网的防冰电流。

本发明涉及的原理如下：

q_S+q_R＝q_c+q_r+q_p  (1)

式(1)为接触线的热平衡方程式，式中，q_S为日光短波辐射热，q_R为传输电流焦耳热，q_c为对流热损失，q_r为导线辐射热损失，q_p为导线温升吸收的热量。上述各项的表达式分别为：

日光短波辐射热q_S

q_s＝ε·P_so·sinδ·D  (2)

式中，ε为太阳吸收系数；P_so为太阳辐射密度；D为导线等效直径；δ为太阳偏角，取决于纬度γ，可按下式计算：

δ＝arccos[(113.5°-|γ|)cos(180-γ)]  (3)

传输电流焦耳热q_R

q_R＝I_C1 ²R_T  (4)

式中，I_C1为接触线上流经的电流，R_T为考虑集肤效应的导线单位长度电阻率，可按下式计算：

R_T＝R₂₀[1+y_s(T_S-20)]  (5)

式中，y_s为导线的温度系数；R₂₀为20℃时的导线电阻；T_s为设定导线加热的目标温度。

对流热损失q_c

$q_{c1}=[1.01+0.0372{\left(\frac{{\mathrm{D\ρ}}_f{V}_w}{{\mathrm{\μ}}_f}\right)}^{0.52}]k_f{K}_{\mathrm{angle}}(T_S-T_a)---\left(6\right)$

$q_{c2}=\left[0.0119{\left(\frac{{\mathrm{D\ρ}}_f{V}_w}{{\mathrm{\μ}}_f}\right)}^{0.6}\right]k_f{K}_{\mathrm{angle}}(T_S-T_a)---\left(7\right)$

式(6)适用于风速较低时，式(7)适用于风速较高时，在任何情况下，二者的计算结果，取较大者。式中，T_a为环境温度，T_s为设定导线加热的目标温度；D为导线等效直径；k_f为空气导热系数；K_angle为风向系数，可由下式计算：

K_angle＝1.194-cos(β)+0.194cos(2β)+0.368sin(2β)  (8)

式中，β指风向和导线垂直方向的夹角。

导线辐射热损失q_r

$q_r=0.0178\·D{\·\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{cw}}\·[{\left(\frac{T_S}{100}\right)}^4-{\left(\frac{T_a}{100}\right)}^4]---\left(9\right)$

式中，T_a为环境温度，T_s为设定导线加热的目标温度；D为导线等效直径；ε_cw为导线辐射率。

导线温升吸收的热量q_p

$q_p=\mathrm{cm}\frac{d{T}_S}{\mathrm{d\τ}}---\left(10\right)$

式中，m为导线单位长度的质量，且m＝ρ_c.v_c，ρ_c为导线材料的密度，v_c为单位长度导线的体积，c为导线材料的热容。

将式(2)-(10)代入式(1)，则可将式(1)展开为：

为简便起见，令即M为和的较大值；当导线温度稳定时，上式的稳态解为：

式(12)即为接触线的临界防冰电流I_C1的表达式。

接触线和承力索的电流分配示意图如图1所示。接触线上流经电流I₁、承力索上流经电流I₂，两导线上的电流按两导线的漏阻抗分配，其电流之比为：

$k=\frac{I_2}{I_1}=\frac{Z_1-Z_{12}}{Z_2-Z_{12}}---\left(13\right)$

式中，Z₁、Z₂、Z₁₂分别为接触线阻抗、承力索阻抗、接触线和承力索的互阻抗。

接触线上流经临界防冰电流I_C1时，承力索上的电流为k·I_C1，所以接触网的临界防冰电流I_CJ为(1+k)·I_C1。

直供单线供电系统接触网在线防冰系统示意图如图2所示。在供电臂的首端和末端分别安装静止无功发生装置(SVG)，基于SVG工作状态可以表现为电容性和电感性的特征，合理布局和控制，使首末端的SVG分别发出或吸收无功，利用电流经过线路电阻发热、保证接触线温度大于0℃，实现防融冰功能；同时维持线路电压稳定，保证列车安全运行。具体实现过程是末端SVG则根据牵引网网压和导线温度，决定是否投入、投入感性还是容性无功及其量值大小；而首端SVG投入的无功性质、大小由规定的功率因数决定。

图2中，l₁、l₂分别为机车到供电臂首端、末端的距离，Z为接触网单位长度阻抗，Z_l1＝Z·l₁为供电臂首端到机车受电弓之间接触网的阻抗值，Z_l2＝Z·l₂为供电臂末端到机车受电弓之间接触网的阻抗值，两段接触网的阻抗值和为Z_l。为供电臂首端的电压，也就是变电所出口电压为供电臂末端电压。分别为首端SVG、末端SVG的工作电流，为机车负载电流。

根据图2的等效电路，在任何时候都满足式(14)。

${\stackrel{\·}{U}}_1=Z\·l_1\·{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{load}}+Z\·l\·{\stackrel{\·}{I}}_2+{\stackrel{\·}{U}}_2---\left(14\right)$

供电臂首端电压即为电源电压，

将末端SVG感性、容性状态下的工作电流分别表示为和其值由接触网临界防冰电流(1+k)I_C1和牵引网末端的电压要求等多个因素一起决定，其相位角θ与末端电压的相位相差90°或-90°，则供电臂末端电压为(其中“+”对应于末端SVG工作在感性状态，“-”对应末端SVG工作在容性状态)。

当SVG2工作在感性状态时，式(14)转化为：

实部虚部分别展开，可得：

式中，θ_l是接触网阻抗角，由接触网的结构、线型等决定，为机车电流I_load的相角。

求解式(16)，得到：

式中，

令

将式(17)、(18)综合，即可得到牵引网压允许的接触网感性防冰电流上限I_C21：

当SVG2工作在容性状态时，式(14)转化为：

求解式(20)，得到：

将式(18)、(21)综合，即可得到牵引网压允许的接触网容性防冰电流上限I_C22：

则式(19)与式(22)合并可转化为

取I_C21和I_C22中的较大者为牵引网压允许的接触网防冰电流上限I_C2，此时SVG2投入的电流性质与电流较大者保持一致。

接触网的临界防冰电流I_CJ和牵引网压允许的接触网防冰电流上限I_C2比较，若前者较小，取接触网防冰电流为I_CJ；若前者较大，则牺牲短时防冰效果，优先保障牵引网网压，取接触网防冰电流为I_C2。

线路空载时，负载电流为0，末端SVG工作在感性状态，有：

$I_{C21}=\frac{U_N\cos [{\mathrm{\θ}}_l+{\sin }^{-1}\left(\frac{U_{\min }}{U_N}\cos {\mathrm{\θ}}_l\right)]}{Z\·l\·\cos {\mathrm{\θ}}_l}---\left(24\right)$

式中，U_min为牵引网供电安全范围内允许的接触网长时间最低电压。

这其实是式(19)的一个特解。

末端SVG工作在容性状态，有：

$I_{C22}=\frac{U_N\cos [{\mathrm{\θ}}_l+{\sin }^{-1}\left(\frac{U_{\max }}{U_N}\cos {\mathrm{\θ}}_l\right)]}{Z\·l\·\cos {\mathrm{\θ}}_l}---\left(25\right)$

式中，U_max为牵引网供电安全范围内允许的接触网长时间最高电压。

这其实是式(22)的一个特解。

对式(24)、(25)进行计算和比较，I_C21大于I_C22，这是因为末端SVG工作在感性状态时导致末端电压下降，末端SVG工作在容性状态时导致末端电压升高，而牵引网压允许升高的幅度比允许降低的幅度要低，故而线路空载时默认末端SVG工作在感性状态。

通过监测并记录温湿度、风速等环境信息，牵引变电所馈线侧电压矢量和电流矢量，采用推导的公式计算可获得防冰电流的取值范围。具体流程见图3。

附图说明

图1为接触线和承力索的电流分配示意图。

图2为直供单线供电方式的在线防冰系统示意图。

图3为直供单线供电系统的在线防冰电流的确定流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细说明。

实施例

环境温度为T_a＝-4℃，风速V_w＝10m/s，湿度85％，风垂直吹向导线即风向角度因子K_angle＝1，对TCG-100型接触线，半径5.642mm，比热容386J/(kg.K)，20℃直流电阻0.179Ω/km，日光吸收系数1，辐射系数0.7，根据式(12)进行计算，得其临界防冰电流为I_C1＝340A。

测量得接触线自阻抗、承力索自阻抗、接触线和承力索间的互阻抗分别为Z₁＝0.2097+j0.757Ω/km，Z₂＝0.245+j0.760Ω/km，Z₁₂＝0.05+j0.431Ω/km，由式(13)计算出承力索与接触线的电流分配比k＝0.95，则接触网的临界防冰电流为I_CJ＝663A。

供电区间长度为l＝20km，接触网等效阻抗Z＝0.17+j0.36Ω/km，机车行驶位置在供电臂中央，即l₁＝10km，机车电流I_load取值400A，功率因数由式(23)计算出末端SVG工作在感性、容性状态下，牵引网压允许的接触网感性防冰电流I_C21＝944A，容性防冰电流I_C22＝350A，则牵引网压允许的接触网防冰电流上限I_C2为944A。

接触网的临界防冰电流I_CJ＝663A与牵引网压允许的接触网防冰电流上限I_C2比较，前者较小，故而接触网防冰电流取I_CJ。反之，若前者较大，则牺牲短时融冰效果，优先保障牵引网网压，接触网防冰电流取I_C2。

接触网防冰电流取I_CJ时，接触线随时间的温度上升数据见表1。

表1接触线温度随时间的上升数据

在此期间，牵引网上各处电压如表2所示。

表2牵引网各处电压

牵引网上的最高电压为27.5kV、最低电压为21.66kV。

所以，根据该方法确定防冰电流后，接触线温度6、7分钟即后达到0℃，并且牵引网电压在[19kV，29kV]的允许范围内。在有效防冰的同时保障了接触网网压，不影响行车。

Claims (1)

1.一种直供单线供电系统接触网配对SVG在线防冰电流的确定方法，其特征是按照下述流程进行：

第一步：由接触线型号材质确定导线等效直径D、20℃直流电阻R₂₀、导线的日光吸收系数ε、导线的温度系数y_s、导线的辐射系数ε_cw，在观测点设置环境参数测量仪器测得风速V_w、风向角度因子K_angle、环境温度T_a，查阅物理参数表确定空气密度ρ_f、空气动粘性系数μ_f、空气导热系数k_f，测试地点纬度γ确定后，由下式可计算出接触线的临界防冰电流I_C1：

式中，T_s为设定接触线加热的目标温度，P_so为太阳辐射密度，M为 和的较大值；

第二步：由下式确定接触网的临界防冰电流I_CJ：

I_CJ＝(1+k)I_C1

式中，k为承力索与接触线的电流分配系数之比；

第三步：测量得接触网首端电压U_N，末端电压U₂，测得机车负载电流I_load和功率因数角根据接触网结构、选用导线类型计算得到接触网单位长度阻抗Z和线路阻抗角，获得供电区间长度、机车距离牵引变电所距离，由下式确定牵引网压允许的接触网感性防冰电流上限I_C21、牵引网压允许的接触网容性防冰电流上限I_C22：

式中，U_min为牵引网供电安全范围内允许的接触网长时间最低电压，U_max为牵引网供电安全范围内允许的接触网长时间最高电压；

第四步：取I_C21和I_C22中的较大者为牵引网压允许的接触网防冰电流上限I_C2；

第五步：取I_CJ和I_C2的较小者为接触网的防冰电流。