CN107315859A - 一种计及弓网二次燃弧影响的高铁车‑网模型建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种计及弓网二次燃弧影响的高铁车‑网模型建立方法，其步骤包括：1)推导牵引网单位长度链式集总π型网络矩阵参数，建立牵引网单位长度集总π型链式参数模型；2)针对CRH2动车组，建立包括车顶高压电缆、车体、接地系统三个部分的动车组回流回路模型；3)结合动车组实际运行过程中车体、钢轨、牵引网三者间相对位置分布及电气参数关系；4)建立实际动车组运行工况下二次燃弧影响的车‑网分析模型。本发明所建立的模型更有效分析弓网多次燃弧对整个牵引供电回路的电气影响，同时也可推广用于牵引供电系统中其它运行工况如过分相，列车出站、进站等建模及其对整个电力系统影响的研究。

Description

一种计及弓网二次燃弧影响的高铁车-网模型建立方法

技术领域

本发明涉及高速铁路牵引网-动车组回路建模及弓网二次燃弧分析领域，特别是一种计及弓网二次燃弧影响的高铁车-网模型建立方法。

背景技术

我国高速铁路多采用AT全并联供电方式，该方式下牵引网线路交错，形成复杂电气拓扑结构。动车组高速运行过程中，由于弓网振动、地面不平顺等原因，会伴随弓网多次燃弧，其产生的畸变的暂态电压可能危害动车组及牵引网安全运行。因此，建立与实际运行工况相对应的动车组运营模型，需要同时考虑牵引网和动车组之间的相对位置关系及电气联系。

目前，针对动车组运行中出现的问题如过分相、升降弓等研究，多集中于弓网接触点的建模，简化牵引网及动车组模型，不能完整反映实际牵引供电回路。而针对牵引网链式参数模型则主要用于牵引网线路电气量变化研究，忽略实际动车组接地系统模型。针对弓网多次燃弧或电火花现象，国内外则主要集中于电弧特性及数学建模研究，少有针对弓网电弧实质对整个牵引网及动车组的影响分析。因此，根据实际动车组运行工况，考虑二次燃弧影响，建立完整的车-网分析模型很有必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种计及弓网二次燃弧影响的高铁车-网模型建立方法，建立的模型更有效分析弓网多次燃弧对整个牵引供电回路的电气影响，同时也可推广用于牵引供电系统中其它运行工况如过分相，列车出站、进站等建模及其对整个电力系统影响的研究。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种计及弓网二次燃弧影响的高铁车-网模型建立方法，包括以下步骤：

步骤1：建立牵引网链参数模型

步骤1.1：基于MTL(Matrix Template Library，矩阵模板库)理论思想，对于n+1导体构成的多导体传输线，建立MTL矩阵形式方程，由传输线始端z＝0处、终端处约束关系，得传输线两端n个电压V(0)、n个电流I(0)相量与n个电压n个电流相量间关系式：

式中，为MTL的链参数矩阵；V、I均为n×1列向量，分别为n个传输导线上的电压、电流；上式各子阵计算结果为：

式中，Z、Y均为n×n矩阵，分别为n个传输导体单位长度阻抗、导纳矩阵，且均为对称矩阵；分别为链参数矩阵的特征阻抗矩阵、特征导纳矩阵；

步骤1.2：采用广义戴维南等效定理，将2n端口等效为集总π型结构，根据集总π型结构端口对应电路拓扑，推导单位长度的n+1个多导体集总π型结构电路中链式参数矩阵为：

步骤1.3：根据我国250km/h运营速度的高铁AT牵引网线路安装数据，结合复镜像法对牵引网上下行各导线单位长度阻抗矩阵、导纳矩阵进行计算，代入上式(2)、式(3)，得到单位长度牵引网MTL链式集总π型网络模型；

步骤2：根据CRH2动车组结构及接地系统设置，建立包括车顶高压电缆、车体、接地系统三个部分的CRH2动车组接地回流回路模型；

已建立的动车组模型，泄流轮对分布于2、3、6、7号车体，每个车体前后泄流轮对等效为前后两个等效泄流点，即每个车体与钢轨有效接触点为2，CRH2动车组通过8个等效点与钢轨连接；

步骤3：8个等效泄流点位置分布分别为：17.5m-7.5m-17.5m-57.5m-17.5m-7.5m-17.5m；根据步骤1中牵引网链式参数模型计算方法，分别计算17.5m、7.5m、57.5m、1km四种长度下牵引网链参数矩阵；

动车组运行于供电臂任意位置处均可能发生弓网燃弧现象，假设变电所至AT所或分区所间距为L km，则由上述4种长度牵引网链参数矩阵，即建立a km-142.5m–b km(a,b＝1,2,3…)牵引网链式模块共同组成的牵引网链式参数模型，其中a代表列车运行于距变电所a处发生弓网燃弧位置；然后，将CRH2动车组8个不同等效泄流点与钢轨相连接，受电弓与接触线连接，建立实际动车组运行工况下的车-网分析模型；

步骤4：将一次电弧模型先接入受电弓与接触网，等一次熄弧后再次接入电弧模型，采用上述模型分析二次燃弧对牵引网及动车组影响，依次推理，得到多次燃弧下整个牵引供电回路电气变化。

与现有技术相比，本发明的有益效益是：其建立的模型既包含整个牵引网，又精确于动车组接地系统，同时考虑弓网多次燃弧工况，可以同时分析牵引供电系统中各个导线电压、电流分布，及动车组运行过程接地回流情况，更贴近实际动车组运行工况。

附图说明

图1是MTL的2n端口网络模型。

图2是单位长度牵引网集总π型结构。

图3是CRH2动车组结构。

图4是牵引网导线分布(单位：cm)。

图5是趋肤深度p、导线k和l与其镜像关系。

图6是计及二次燃弧影响的高铁车-网分析模型。

图7是二次燃弧的电弧特性波形。

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。

1)牵引网MTL建模

图4所示为250km/h高铁线路AT供电方式牵引网导线参数，考虑大地趋肤效应影响，采用复镜像法，对牵引网上两架空导体进行电气参数计算，如图5所示。可得架空导线单位长度阻抗计算公式：

根据导纳与阻抗关系式：

Y＝ε₀μ₀Z^-1 (2)

式中，ε₀为真空介电常数。

由式(1)、式(2)计算出AT供电牵引网各导线之间单位长度阻抗及导纳矩阵，代入牵引网单位长度集总π型MTL链参数矩阵计算公式：

式中，为MTL的链参数矩阵。各子阵关系如下：

计算出牵引网MTL链式集总π型网络链参数矩阵，即可建立单位长度牵引网链式模型。

2)动车组建模

根据图3所示CRH2动车组结构参数，动车组车体全长201.4m，车身高3.7m、宽3.38m，车顶高压电缆设置与2车到6车之间，电缆跨接车厢采用电缆连接器相连，每段电缆屏蔽层采用单端接地，受电弓设于4车与6车车顶，工作接地及保护接地均设置在2、3、6、7号车体。CRH2动车组建模主要包括车顶高压电缆、车体、接地系统三个部分，所建立等效模型如图6中动车组模型部分所示。

3)高铁车-网分析模型

CRH2动车组共有8个等效泄流点间，分别对应图6动车组模型中的A-H，其间相对距离依次为：17.5m-7.5m-17.5m-57.5m-17.5m-7.5m-17.5m，共142.5m。因此，根据等效泄流轮对间间距进行划分，仅需要考虑车体方向对应牵引网142.5m长的线路，即可以建立高速铁路车-网分析模型，如图6所示。图6中，高速铁路车-网模型共包括两大部分，牵引网链式模型及动车组模型。

牵引网链式车-网建模考虑如下：一般牵引变电所到AT所或分区所距离L约为10km左右，动车组运行与线路任意位置均可能发生弓网离线燃弧现象，即首先，建立1km长的牵引网单位长度链式参数模型，组成a km及b km线路长的牵引网链式模块；然后，考虑CRH2型动车组车体相对位置分布，即8个泄流轮对相对距离，建立142.5m长的牵引网链式参数模块；最后，将动车组8个泄流点与142.5m长的牵引网链式参数模块中对应钢轨位置连接，即红色大写字母标记对应相连接。该模型即可同时模拟动车组正常运行工况下牵引网及动车组两个对象的电气量变化。

4)弓网二次燃弧模型

本发明所选用的电弧模型为Habedank模型，其数学模型表示方式如下：

式中，g为Habedank方程的瞬时电弧电导；i为Habedank方程的瞬时电弧电流；g_c为整体电弧方程Cassie部分的瞬时电导；g_M为整体电弧方程Mayr部分的瞬时电导；v为列车速度；τ₀为初始的时间常数。

建立电弧模型，其中考虑动车组时速v＝250km/h，代入相关参数，将一次燃弧接入受电弓与接触线之间，设置弓网第一次燃弧于0.03s开始到0.13s结束，随后，再次接入电弧模型，发生弓网再次重燃，即0.13s开始二次燃弧，0.23s二次燃弧熄灭。

针对弓网二次燃弧影响的高铁车-网分析模型，可得到二次燃弧的电弧特性波形，如图7所示，电弧特性波形与国内王万岗、国外Surajit Midya实测电弧试验特性波形一致(例如，王万岗，吴广宁，高国强等，高速铁路弓网电弧试验系统，铁道学报，2012，34(4):22-27；MIDYA S，BORMANN D，SCHUTTE T，et al，Pantograph Arcing in ElectrifiedRailways—Mechanism and Influence of Various Parameters—Part II:With ACTraction Power Supply，IEEE Transactions on Power Delivery，2009，24(4):1940-1950)。

由此可以得出本发明所建立的高铁车-网模型正确性。基于此模型，即可同时分析弓网二次燃弧对牵引网及动车组回流回路造成的影响，大大提高了分析的效率，同时也更贴近高铁实际工况。

Claims (1)

1.一种计及弓网二次燃弧影响的高铁车-网模型建立方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立牵引网链参数模型

步骤1.1：基于MTL理论思想，对于n+1导体构成的多导体传输线，建立MTL矩阵形式方程，由传输线始端z＝0处、终端处约束关系，得传输线两端n个电压V(0)、n个电流I(0)相量与n个电压n个电流相量间关系式：

式中，为MTL的链参数矩阵；V、I均为n×1列向量，分别为n个传输导线上的电压、电流；上式各子阵计算结果为：

式中，Z、Y均为n×n矩阵，分别为n个传输导体单位长度阻抗、导纳矩阵，且均为对称矩阵；分别为链参数矩阵的特征阻抗矩阵、特征导纳矩阵；

步骤1.2：采用广义戴维南等效定理，将2n端口等效为集总π型结构，根据集总π型结构端口对应电路拓扑，推导单位长度的n+1个多导体集总π型结构电路中链式参数矩阵为：

步骤1.3：根据我国250km/h运营速度的高铁AT牵引网线路安装数据，结合复镜像法对牵引网上下行各导线单位长度阻抗矩阵、导纳矩阵进行计算，代入上式(2)、式(3)，得到单位长度牵引网MTL链式集总π型网络模型；

步骤2：根据CRH2动车组结构及接地系统设置，建立包括车顶高压电缆、车体、接地系统三个部分的CRH2动车组接地回流回路模型；

已建立的动车组模型，泄流轮对分布于2、3、6、7号车体，每个车体前后泄流轮对等效为前后两个等效泄流点，即每个车体与钢轨有效接触点为2，CRH2动车组通过8个等效点与钢轨连接；

步骤3：8个等效泄流点位置分布分别为：17.5m-7.5m-17.5m-57.5m-17.5m-7.5m-17.5m；根据步骤1中牵引网链式参数模型计算方法，分别计算17.5m、7.5m、57.5m、1km四种长度下牵引网链参数矩阵；

假设变电所至AT所或分区所间距为L km，则由上述4种长度牵引网链参数矩阵，建立akm-142.5m–b km()牵引网链式模块共同组成的牵引网链式参数模型，其中，a＝1,2,3…，b＝1,2,3…，a代表列车运行于距变电所a处发生弓网燃弧位置；将CRH2动车组8个不同等效泄流点与钢轨相连接，受电弓与接触线连接，建立实际动车组运行工况下的车-网分析模型；

步骤4：将一次电弧模型先接入受电弓与接触网，等一次熄弧后再次接入电弧模型，采用上述模型分析二次燃弧对牵引网及动车组影响，依次推理，得到多次燃弧下整个牵引供电回路电气变化。