CN107423494B - 计及动车组车载过分相影响的高铁车-网模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种计及动车组车载过分相影响的高铁车‑网模型构建方法，推导牵引网单位长度链式集总π型网络矩阵参数，并建立该参数模型；根据六块锚段关节式电分相与供电臂接触线位置关系，推导过渡区中性段与供电臂之间耦合电容；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、保护接地系统的接地回流回路模型；结合动车组实际运行过程中车体、钢轨、分区所两边牵引网、中性段四者间相对位置分布及电气参数关系，建立动车组车载自动断电过分相的高铁车‑网模型。本发明可完整反映两个变电所间牵引供电系统回路，可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。

Description

计及动车组车载过分相影响的高铁车-网模型构建方法

技术领域

本发明涉及高速铁路自动过分相技术领域，具体为计及动车组车载过分相影响的高铁车-网模型构建方法。

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；高速铁路的牵引供电系统通过接触网实现高速列车的单相供电。为改善三相不平衡供电，接触网多釆用分相分段供电方式，电分相结构是电气化铁道接触网实现相-相间电气隔离的重要途径。随着列车的大功率、高速化发展，高速铁路自动过分相技术已暴露出新的电磁暂态问题。由于动车组过车载自动断电过分相中主断路器处于断开状态，高速列车过分相电磁暂态直接使受电弓弓头产生严重过电压，威胁行车安全。因此，建立完整的牵引供电系统回路模型，需要同时考虑牵引网、动车组、电分相之间的相对位置关系及电气联系。

目前，针对动车组运行中过分相问题的研究，多集中于电分相设计及弓网接触点的建模，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。一个完整的牵引供电系统回路包括牵引变电所、牵引网、电分相、动车组等，因此，有必要根据实际工况，建立完整的车-网分析模型。

发明内容

针对上述问题本发明的目的在于提供一种动车组车载自动断电过分相影响的高铁车-网模型建立方法，该模型包括两个变电所及中间分区所，可以完整反映实际牵引供电系统回路，同时也可推广用于牵引供电系统中其它运行工况如多车运行、分区所故障下越区供电等建模及电气变化分析。技术方案如下：

一种计及动车组车载自动过分相影响的高铁车-网模型构建方法，包括以下步骤：

步骤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；

步骤2：根据锚段关节式电分相与供电臂接触线位置关系，推导过渡区中性段与供电臂之间耦合电容；

步骤3：针对车载自动断电过分相方式，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、保护接地系统三个部分的CRH2动车组接地回流回路模型；

步骤4：结合动车组实际运行过程中车体、钢轨、分区所两边不同供电臂、中性段四者间相对位置分布及电气参数关系，建立动车组车载自动断电过分相的高铁车-网模型。

进一步的，所述步骤1具体包括：

步骤1.1：考虑n+1个导体构成的多导体传输线，传输线单位长度的参数矩阵包括阻抗矩阵Z、导纳矩阵Y，且Z、Y均为n×n的对称矩阵；选择一个做参考导体，则该MTL具有2n个端口，n个在左边，n个在右边，根据分布线路传输线端口电路关系，建立关于传输线位置

的二阶微分方程：

式中，

均为n×1列向量，分别为n个传输导线上的电压、电流；

对式(1)方程进行相似变换解耦求得方程解，得到表征MTL的2n个端口的网络方程：

式中，

表示两端口位置关系，且

分别为牵引网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个端口等效为集总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2n个端口网络集总π型结构的等效链式参数矩阵为：

式中，T_I为YZ矩阵乘积的特征向量，γ为YZ矩阵乘积的特征值；

根据高铁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，代入式(3)，得到单位长度牵引网MTL链式集总π型网络模型。更进一步的，所述步骤2具体为：

针对供电臂与中性段间过渡区的接触网、承力索构成的4导体传输线，根据电磁场理论，得到4导线单位长度电容矩阵方程：

Q＝CU (4)

式中，Q为电荷量矩阵，C为电容矩阵，U为电位矩阵；

将承力索与对应接触线间看作并联关系，对式(4)合并，得到分相、供电臂过渡区间对应两等效导体的电容矩阵方程为：

式中，下标F代表供分相段等效导线，G代表电臂等效导线；

根据电磁场理论，得到二传输导线间等效耦合单位长度电容计算关系式为：

则供电臂与中性段的耦合电容为Z₂×C_eq，其中Z₂为过渡区长度。

更进一步的，将CRH2动车组不同轮对等效泄流点与对应路段钢轨连接，由于牵引网钢轨的连续性，仅考虑受电弓位置发生变化，模拟动车组过分相运行过程；

CRH2型动车组泄流轮对设置于2、3、6、7号车体，且该4个等效泄流点的相邻点的间距分别为：25m、75m、25m；短分相中性段小于200m，应用于车载自动断电方式，根据锚段关节式电分相设计参数，若中性段的无电区长为Z₁ m，Z₁<75m，过渡区长为Z₂ m，则Z₁+Z₂<200；根据所述步骤1中牵引网链参数模型计算方法，计算25m、Z₁m、(75-Z₁)m、1km四种长度下牵引网链参数矩阵；

动车组4个泄流轮对所在位置的车网模型即由25m、(75-Z₁)m、Z₁m、25m四部分组成，其中Z₁m构成电分相无电区牵引网模型，将泄流点与钢轨相连接即可构成CRH2型车过电分相段的车网模型；

若电分相位置距两端变电所距离分别约为a km、b km，由1km链式参数模型构成akm、b km两供电臂链式模块，通过步骤2计算的供电臂与中性段的耦合电容将两供电臂与Z₁m中性段无电区相连接，得到完整的高铁动车组车载自动断电过分相的车-网等效分析模型。

本发明的有益效益是：本发明建立的模型可完整反映两个变电所之间牵引供电系统回路，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为本发明牵引网导线分布(单位：cm)。

图2为本发明趋肤深度p、导线k和l与其镜像关系。

图3为本发明短电分相结构。

图4为本发明分相段及供电臂接触网、承力索位置分布关系。

图5为本发明二传输等效导线电容网络图。

图6为CRH2动车组结构。

图7为本发明动车组自动断电过分相工况的高铁车-网模型。

图8为本发明过分相电压波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。一种动车组车载自动断电过分相影响的高铁车-网模型建立方法，包括以下步骤：

步骤1：牵引网MTL(Multi-conductor Transmission Lines多导体传输线)建模

步骤1.1：图1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2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矩阵Z及导纳矩阵Y。

基于MTL理论思想，考虑n+1个导体构成的多导体传输线，其单位长度线路的参数矩阵为阻抗矩阵Z、导纳矩阵Y，则Z、Y均为n×n矩阵，且均为对称矩阵。选择一个参考导体，则该MTL能够视为具有2n个端口，n个在左边，n个在右边，根据分布线路传输线端口电路关系，建立关于传输线的位置

二阶微分方程：

式中，

均为n×1列向量，分别为n个传输导线上的电压、电流。

对式(3)方程进行相似变换解耦求得方程解，即可得到表征MTL的2n个端口网络方程：

式中，

表示两端口位置关系，且

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2n端口网络集总π型结构的等效链式参数矩阵为：

式中，T_I、γ分别为矩阵YZ特征向量、特征值。

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(5)，得到单位长度牵引网MTL链式集总π型网络模型。

步骤2：中性段与供电臂间耦合电容计算

锚段关节式电分相主要由承力索与接触线构成，一般设置在变电所及分区所出口处，以实现分相段两端供电臂不同相供电。正常情况下，电分相中性段与两端供电臂间由于电气耦合会存在感应电压。

CRH2动车组过电分相要经历过渡区-无电区-过渡区三个部分，受电弓弓头经历“有电-无电-有电”的过程，期间会出现四次暂态过电压，如图3中过程一、二、三、四位置处，针对车载自动断电过分相方式的短电分相设计，其中性段小于200m，若中性段的无电区长为Z₁ m(Z₁<75m)，过渡区长Z₂ m，则Z₁+Z₂<200m。

针对供电臂与中性段间过渡区的接触网、承力索构成的4导体传输线，根据电磁场理论，即可得到4导线单位长度电容矩阵方程：

Q＝CU (6)

式中，Q为电荷量矩阵，C为电容矩阵，U为电位矩阵。

将承力索与对应接触线间看作并联关系，对上式(6)合并，即可得到分相、供电臂过渡区间对应两等效导体的电容矩阵方程为：

式中，下标F、G分别代表供分相段等效导线、电臂等效导线。

根据电磁场理论，得到二传输导线间等效耦合单位长度电容计算关系式为：

代入过渡区长度，Z₂×C_eq即为供电臂与中性段的耦合电容。

步骤3：动车组建模

根据图6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，保护接地均设置在2、3、6、7号车体。

针对车载自动断电过分相方式，由于过分相期间动车组主断路器已断开连接，即CRH2过分相期间产生的电流主要由动车组保护接地系统泄出到钢轨。CRH2动车组建模主要包括车顶高压电缆、车体、保护接地系统三个部分，所建立等效模型如图7中动车组模型部分所示。

步骤4：动车组车载断电自动过分相工况的高铁车-网分析模型

动车组过分相期间，两端供电臂分别由两个变电所供电，中间由电分相分开，但是两变电所之间整个钢轨仍保持连续，即由动车组轮对保护接地系统泄出的电流仍可以从两个方向流回两边的牵引变电所内。因此，将CRH2动车组四个泄流点与钢轨固定连接，仅受电弓位置发生变化，即可模拟列车过分相过程。

若两变电所距分区所距离分别约为a km、b km，由1km链式参数模型即可构成akm、b km两供电臂链式模块；CRH2动车组共有4个等效泄流点，分别对应图7动车组模型中的A、B、C、D，其间相对距离依次为：25m-75m-25m。考虑到中性段的无电区长度为Z₁ m，则动车组分相段与供电臂连接处的牵引网链式模型可由25m、Z₁m、(75-Z₁)m长度的链式参数构成。动车组泄流点与牵引网中钢轨连接可表示为：A-25m-B-(75-Z₁)m-Z₁m-C-25m-D，加入步骤2中的耦合电容，即可以建立高速铁路动车组过分相的车-网分析模型，如图7所示。

图7中，由于动车组断电过分相期间，会出现4个电磁暂态过程，分别为受电弓跨接中性段、受电弓与一侧供电臂分离、受电弓跨接另一侧供电臂、受电弓与中性段分离，如图3中标记。因此，考虑动车组过分相期间速度会降低10-15km/h，过程一、过程二、过程三、过程四之间时间间隔约为：1.24s、0.4s、1.24s。设置四个过程发生时间间隔，通过如图7中各个开关配合，针对动车组车载断电自动过分相影响的高铁车-网分析模型，不考虑其它因素影响下，可得到CRH2型动车组过分相期间流入动车组电压波形如图8所示。基于此模型，即可同时可以分析过分相产生的过电压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运行工况。

Claims (1)

1.一种计及动车组车载过分相影响的高铁车-网模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤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；

所述步骤1具体包括：

步骤1.1：考虑n+1个导体构成的多导体传输线，传输线单位长度的参数矩阵包括阻抗矩阵Z、导纳矩阵Y，且Z、Y均为n×n的对称矩阵；选择一个做参考导体，则该多导体传输线具有2n个端口，n个在左边，n个在右边，根据分布线路传输线端口电路关系，建立关于传输线位置

的二阶微分方程：

式中，

均为n×1列向量，分别为n个传输导线上的电压、电流；

对式(1)方程进行相似变换解耦求得方程解，得到表征多导体传输线的2n个端口的网络方程：

式中，

表示两端口位置关系，且

分别为牵引网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个端口等效为集总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2n个端口网络集总π型结构的等效链式参数矩阵为：

式中，T_I为YZ矩阵乘积的特征向量，γ为YZ矩阵乘积的特征值；

根据高铁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，代入式(3)，得到单位长度牵引网多导体传输线链式集总π型网络模型；

步骤2：根据锚段关节式电分相与供电臂接触线位置关系，推导过渡区中性段与供电臂之间耦合电容；

所述步骤2具体为：

针对供电臂与中性段间过渡区的接触网、承力索构成的4导体传输线，根据电磁场理论，得到4导线单位长度电容矩阵方程：

Q＝CU (4)

式中，Q为电荷量矩阵，C为电容矩阵，U为电位矩阵；

将承力索与对应接触线间看作并联关系，对式(4)合并，得到分相、供电臂过渡区间对应两等效导体的电容矩阵方程为：

式中，下标F代表供分相段等效导线，G代表电臂等效导线；

根据电磁场理论，得到二传输导线间等效耦合单位长度电容计算关系式为：

则供电臂与中性段的耦合电容为Z₂×C_eq，其中Z₂为过渡区长度；

步骤3：针对车载自动断电过分相方式，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、保护接地系统三个部分的CRH2动车组接地回流回路模型；

步骤4：结合动车组实际运行过程中车体、钢轨、分区所两边不同供电臂、中性段四者间相对位置分布及电气参数关系，建立动车组车载自动断电过分相的高铁车-网模型；

所述步骤4具体为：

将CRH2动车组不同轮对等效泄流点与对应路段钢轨连接，由于牵引网钢轨的连续性，仅考虑受电弓位置发生变化，模拟动车组过分相运行过程；

CRH2型动车组泄流轮对设置于2、3、6、7号车体，且4个泄流轮对的相邻点的间距分别为：25m、75m、25m；短分相中性段小于200m，应用于车载自动断电方式，根据锚段关节式电分相设计参数，若中性段的无电区长为Z₁ m，Z₁<75m，过渡区长为Z₂ m，则Z₁+Z₂<200；根据所述步骤1中牵引网链参数模型计算方法，计算25m、Z₁m、(75-Z₁)m、1km四种长度下牵引网链参数矩阵；

动车组4个泄流轮对所在位置的车网模型即由25m、(75-Z₁)m、Z₁m、25m四部分组成，其中Z₁m构成电分相无电区牵引网模型，将泄流点与钢轨相连接即可构成CRH2型车过电分相段的车网模型；

若电分相位置距两端变电所距离分别为a km、b km，由1km链式参数模型构成a km、bkm两供电臂链式模块，通过步骤2计算的供电臂与中性段的耦合电容将两供电臂与Z₁m中性段无电区相连接，得到完整的高铁动车组车载自动断电过分相的车-网等效分析模型。

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