CN106541856A - 动车组接地回路中电气耦合作用系数的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动车组接地回路中电气耦合作用系数的计算方法，其主要步骤包括：首先根据不同供电方式下对应的牵引网结构确定车体接地回路以及不同牵引网构成的回路；然后分别计算每一条牵引网回路中传输导体A中电流和回流导体B中电流所产生的与车体接地回路CD相交链的互感磁链；再分别计算每条牵引网回路对车体接地回路的电气耦合系数；最后把计算结果叠加就可得到整个牵引网回路对动车组接地回路电气耦合作用系数。本发明增加了车‑网耦合建模的准确性，对研究车体电压波动、车体接地环流机理分析和接地系统优化工作有重要意义。

Description

动车组接地回路中电气耦合作用系数的计算方法

技术领域

本发明涉及电气化铁路动车组安全运行分析领域，具体涉及一种动车组接地回路中电气耦合作用系数的计算方法。

背景技术

随着电气化铁路的大力发展，动车组安全稳定运行日益成为人们关注焦点。动车组升降弓、弓网离线、雷击等工况会引起车体电压的波动和各节车体电势的分布不均。车体不仅是车载电气电子设备的参考地电位，也是保护接地的泄流通道，车体电压的波动易对车上弱电设备造成干扰。同时，不同车型的动车组接地方式虽差异较大，车体电势的分布不均会引起不同程度的车体接地环流现象。显著的环流不仅易影响车载电子设备的正常运行，还会引起转向架轴承电蚀，已有运行经验表明，因电蚀引起的轴承故障占轴承故障率的30％，给列车运行带来安全隐患。

在研究车体过电压、接地环流现象和接地优化工作中，模型的准确性和动车组的参数选取十分重要。动车组在实际运行中，牵引网回路与车体-接地线-钢轨回路间的电气耦合作用是存在的。如图3所示，接触网和钢轨形成的回路和车下众多的车体-接地线-钢轨形成的闭合回路间存在电气耦合，其闭合回路感应出的电动势和电流会影响车下接地环流的分布，进而影响各车体的电压。根据图3，由于接触网-钢轨回路在相邻两条车体-接地线-钢轨回路中产生的感应电流大小相等，方向相反，因此可以将相邻连续的车体局部接地回路等效为一条大的车体接地回路。设牵引网回路与车体接地回路间的整体电气耦合系数(互感)为M，流过牵引网回路的电流为i(t)，则牵引网回路在车体接地回路中的感应电动势为e(t)＝jωMi(t)该感应电动势在车体接地回路中引起感应电流会影响车下接地环流的分布，特别是在列车过分相、弓网离线、升降弓、雷击等高频工况时e(t)会激增，严重威胁列车运行安全。此外，由式e(t)＝jωMi(t)可知，M决定了车体接地回路中的感应电动势的大小。因此，研究牵引网回路与车体接地回路间互感M有重要意义。

然而，已有的通过建模开展动车组接地优化研究中，只等效了牵引网和动车组各自参数，几乎没考虑牵引网回路对车体接地回路的电气耦合。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种动车组接地回路中电气耦合作用系数的计算方法，其结合不同供电方式牵引网的实际情况，基于多导体传输线回路系统计算牵引网回路与车体接地回路间电气耦合系数。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种动车组接地回路中电气耦合作用系数的计算方法，包括以下步骤：

步骤1：根据不同供电方式对应的牵引网结构分析并确定牵引网回路总数，设每一个牵引网回路为AB，车体和钢轨组成的回路为车体接地回路，设为CD；

步骤2：分别计算每一条牵引网回路中传输导体A中电流和回流导体B中电流所产生的与车体接地回路CD相交链的互感磁链，即：

导体A中电流所产生的与车体接地回路相交链的互感磁链为：

导体B中电流所产生的与车体接地回路相交链的互感磁链为：

其中，d_AD表示导体A与导体D的距离，d_AC表示导体A与导体C的距离，d_BC表示导体B与导体C的距离，d_BD表示导体B与导体D的距离；

步骤3：根据不同供电方式下牵引网回路和车体接地回路形成的磁场分布示意图，分析两个闭合回路的磁场分布，判断导体A和导体B中电流所产生的与车体接地回路相交链的磁通方向是否相同；

步骤4：根据步骤3的判断结果，分别计算每条牵引网回路对车体接地回路的电气耦合系数，即：

若牵引网回路中传输导体A和回流导体B中电流所产生的与车体接地回路相交链的磁通方向相同，则计算耦合系数的公式为：

若磁通方向不同，则计算接触网-钢轨回路与车体接地回路的耦合系数的公式为：

步骤5：把步骤4中的计算结果叠加，得到不同供电方式下整体牵引网回路对车体接地回路的电气耦合作用系数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：结合不同供电方式牵引网的具体情况，为动车组运行过程中实际存在的牵引网回路与车体-接地线-钢轨回路间的电气耦合作用提供了一种计算方法，增加了车-网耦合建模的准确性，对研究车体电压波动、车体接地环流机理分析和接地系统优化工作有重要意义。

附图说明

图1为牵引网-车体-钢轨环流示意图。

图2为牵引网回路与车体接地回路间互感计算流程图。

图3为基于两传输两回流导体的回路系统示意图。

图4为直接供电方式牵引网空间分布示意图。

图5为三种供电方式对应的车-网回路示意图。

图6为直接供电方式下车体接地回路磁场分布示意图。

图7为直接带回流线、供电方式牵引网空间分布示意图。

图8为直接带回流线供电方式对应的车-网回路示意图。

图9为直供带回流线供电方式下车体接地回路磁场分布示意图。

图10为AT供电供电方式牵引网空间分布示意图。

图11为AT供电方式对应的车-网回路示意图。

图12为AT供电方式下车体接地回路磁场分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明动车组接地回路中电气耦合作用系数的计算方法，结合不同供电方式牵引网的实际情况，基于多导体传输线回路系统计算牵引网回路与车体接地回路间电气耦合系数。

如图2所示，本发明方法包括以下步骤：

步骤1：根据不同供电方式对应的牵引网结构分析并确定牵引网回路总数，设每一个牵引网回路为AB，车体和钢轨组成的回路为车体接地回路，设为CD，如图3所示。

步骤2：分别计算每一条牵引网回路中传输导体A中电流和回流导体B中电流所产生的与车体接地回路CD相交链的互感磁链，具体为：

导体A中电流所产生的与车体接地回路相交链的互感磁链为：

导体B中电流所产生的与车体接地回路相交链的互感磁链为：

其中，d_AD表示导体A与导体D的距离，d_AC表示导体A与导体C的距离，d_BC表示导体B与导体C的距离，d_BD表示导体B与导体D的距离。

步骤3：根据不同供电方式下牵引网回路和车体接地回路形成的磁场分布示意图，分析两个闭合回路的磁场分布，判断导体A和导体B中电流所产生的与车体接地回路相交链的磁通方向是否相同；

步骤4：根据步骤3的判断结果，分别计算每条牵引网回路对车体接地回路的电气耦合系数，具体为：

若牵引网回路中传输导体A和回流导体B中电流所产生的与车体接地回路相交链的磁通方向相同，则按下式(3)计算耦合系数：

若磁通方向不同，则按下式(4)计算接触网-钢轨回路与车体接地回路的耦合系数

步骤5：把步骤4中的计算结果叠加，就可以得到不同供电方式下整体牵引网回路对车体接地回路的电气耦合作用系数。

实例一：

选取直接供电方式下动车组的牵引网作为算例对本发明方法进行验证，直接供电方式对应的牵引网结构由接触网和钢轨组成，其牵引网空间分布示意图如图4所示，其车-网回路示意图如图5所示。图5中，回路1即接触网和钢轨构成的回路，回路2为车体和钢轨构成的回路，在此简称为车体接地回路。回路1流过的电流为i₁，回路2流过的电流为i₂，钢轨中的电流为i₀。

由图6可知，回路1中，接触网电流和钢轨电流与回路2相交链的磁通方向相同，则根据式(3)可得接触网-钢轨回路与车体接地回路的互感M₁为：

式中，h为接触网等值高度，d₀为动车组车轮轮径，r₀为钢轨等值半径。

实例二：

选取直接带回流供电方式下动车组的牵引网作为算例对本发明方法进行验证，直供带回流线供电方式在直接供电方式基础上加以改进，在钢轨上并联了架空回流线，包括地线，其空间分布示意图如图7所示，其车-网回路示意图如图8所示。根据图8，此供电方式下牵引网构成了三条回路，它们都与车体接地回路间存在电气耦合。

由图8可知，接触网-钢轨回路(图5中回路1)与车体接地回路(图5中回路2)间互感在直接供电方式中已经求得。根据图9，由于回路3中接触网电流和回流线电流与回路2相交链的磁通方向相反，因此，根据式(4)可得回路3与回路2间的互感M2为：

式中，d1为回流线与动车组车轮距离，d2为回流线与钢轨距离。

此外，图8所示接触网与底线构成回路4，该回路中，接触网电流和地线电流与回路2相交链的磁通方向相同，根据式(3)可得该两回路间的互感M3为：

式中，d3为地线与动车组车轮距离，d4为地线与钢轨间距离。

将M1、M2、M3叠加可得直供带回流供电方式下整体牵引网回路与车体接地回路间的互感M为：

实例三：

选取AT供电方式下动车组的牵引网作为算例对本本发明方法进行验证，AT供电方式牵引网空间分布示意图如图10所示，AT供电方式对应的车网回路示意图如图11所示，AT供电方式下车体接地回路磁场分布如图12所示。

此供电方式中牵引网构成了四条回路，分别与车体接地回路产生电气耦合。图5中，接触网-钢轨回路、接触网-地线回路和车体接地回路分别构成回路1、回路5和回路2。前面两种供电方式中求得的接触网-钢轨回路、接触网-地线回路与车体接地回路的互感M₁、M₃对AT供电方式的求解同样适用。

由图6可知，接触网与正馈线构成回路3，该回路中，接触网电流和正馈线电流与回路2相交链的磁通方向相反，根据式(4)可得回路2与回路3间的互感为：

式中，d₁为正馈线与动车组车轮距离，d₂为正馈线与钢轨距离。

根据图6，接触网与保护线构成回路4。由图4知，回路4中，接触网电流和保护线电流与回路2相交链的磁通方向也相反，可得该两回路间的互感M₄为：

其中，d₅为保护线与动车组车轮距离，d₆为保护线与钢轨距离。

因此，AT供电方式下牵引网整体回路对车体接地回路的互感即M₁、M₂、M₃、M₄的叠加，即

从对AT供电方式下牵引网整体回路对车体接地回路互感M的推导中可以发现，即使牵引网的线路多而复杂，也可以将其分解为多条回路，先分别计算每条回路与车体接地回路的电气耦合，然后通过叠加即可得到整体牵引网回路对车体接地回路的电气耦合作用系数。

本发明适用于不同供电方式的牵引网。在牵引网和动车组的车-网耦合模型建立中，该电气耦合关系可以用受控源表示，增加了模型的准确性，对研究车体电压波动、车体接地环流机理分析和接地系统优化工作有一定意义。

Claims (1)

1.一种动车组接地回路中电气耦合作用系数的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据不同供电方式对应的牵引网结构分析并确定牵引网回路总数，设每一个牵引网回路为AB，车体和钢轨组成的回路为车体接地回路，设为CD；

步骤2：分别计算每一条牵引网回路中传输导体A中电流和回流导体B中电流所产生的与车体接地回路CD相交链的互感磁链，即：

导体A中电流所产生的与车体接地回路相交链的互感磁链为：

${\mathrm{\ψ}}_{MA}={\mathrm{\φ}}_{MA}={\∫}_{d_{AC}}^{d_{AD}}Bldx=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{i}_{0}l}{2\mathrm{\π}}ln\left(\frac{d_{AD}}{d_{AC}}\right)$

导体B中电流所产生的与车体接地回路相交链的互感磁链为：

${\mathrm{\ψ}}_{MB}={\mathrm{\φ}}_{MB}={\∫}_{d_{BD}}^{d_{BC}}Bldx=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{i}_{0}l}{2\mathrm{\π}}ln\left(\frac{d_{BC}}{d_{BD}}\right)$

其中，d_AD表示导体A与导体D的距离，d_AC表示导体A与导体C的距离，d_BC表示导体B与导体C的距离，d_BD表示导体B与导体D的距离；

步骤3：根据不同供电方式下牵引网回路和车体接地回路形成的磁场分布示意图，分析两个闭合回路的磁场分布，判断导体A和导体B中电流所产生的与车体接地回路相交链的磁通方向是否相同；

步骤4：根据步骤3的判断结果，分别计算每条牵引网回路对车体接地回路的电气耦合系数，即：

若牵引网回路中传输导体A和回流导体B中电流所产生的与车体接地回路相交链的磁通方向相同，则计算耦合系数的公式为：

$M_1=\frac{{\mathrm{\ψ}}_M}{I_0}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{i}_{0}l}{2\mathrm{\π}}ln\left(\frac{d_{AD}\·d_{BC}}{d_{AC}\·d_{BD}}\right)$

若磁通方向不同，则计算接触网-钢轨回路与车体接地回路的耦合系数的公式为：

$M_2=\frac{{\mathrm{\ψ}}_M}{i_0}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{i}_{0}l}{2\mathrm{\π}}ln\left(\frac{d_{AD}\·d_{BD}}{d_{AC}\·d_{BC}}\right)$

步骤5：把步骤4中的计算结果叠加，得到不同供电方式下整体牵引网回路对车体接地回路的电气耦合作用系数。