CN110378029B - 计及多车弓网振动离线燃弧的高铁车-网模型构建方法 - Google Patents

计及多车弓网振动离线燃弧的高铁车-网模型构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了计及多车弓网振动离线燃弧的高铁车‑网模型构建方法，包括以下步骤：步骤1：获取多列动车组在同一或相邻供电臂行驶时的车‑网耦合分布；步骤2：根据车‑网耦合分布构建车‑网拓扑；步骤3：将Habedank等效电弧模型与开关的组合模型引入车‑网拓扑中动车组的燃弧弓头位置，得到考虑多车发生时间段重叠的弓网振动离线燃弧情况的车‑网模型；步骤4：计算车‑网模型的参数，对车‑网模型进行仿真进行多车同时发生受电弓燃弧的电磁暂态分析；本发明构建的模型既增加了接触网与车体、车顶高压电缆之间实际存在的容性耦合，也考虑了多车同时发生弓网振动离线燃弧的情况；对解决目前高铁电磁暂态过电压问题提供准确的数据来源与理论研究基础。

Description

计及多车弓网振动离线燃弧的高铁车-网模型构建方法
技术领域
本发明涉及多车同时发生弓网燃弧时电磁暂态分析领域，具体涉及一种计及多车弓网振动离线燃弧的高铁车-网模型构建方法。
背景技术
列车运行中的轮轨振动、车体振动、受电弓振动以及弓网接触不平顺和高速气流等引起的弓网接触不良好所导致的弓网振动离线燃弧是电气化铁路运营中一种常见的现象。该现象会引起电磁暂态过电压问题。目前，国内外学者对受电弓离线燃弧电磁暂态过电压的研究方法以建模计算或建模仿真为主。然而，已有研究存在以下问题：几乎只针对单一的情况，即大部分研究只考虑一辆车发生燃弧的工况，很少研究考虑多辆列车在同一或相邻供电臂运行时同时发生燃弧的工况。已有模型未考虑接触网与车体之间、接触网与车顶高压电缆之间的容性耦合。多辆车在同一或相邻供电臂运行实际上很常见。与单辆列车发生离线燃弧的情况相比，多辆列车同时发生离线燃弧容易造成更严重的弓头和车体暂态过电压。对于接触网与车体之间、接触网与车顶高压电缆之间的容性耦合是实际存在的耦合。特别是高频电磁暂态环境中，耦合强度远比低频电气环境时强。由于动车组车体是车上弱电系统的信号地电位，车体暂态过电压必然会威胁动车组的安全可靠运行。同时，接触网与车体之间的容性耦合是车体过电压的一个重要来源。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题提供一种考虑接触网与车体之间、接触网与车顶高压电缆之间的容性耦合的计及多车弓网振动离线燃弧的高铁车-网模型构建方法。
本发明采用的技术方案是：
计及多车弓网振动离线燃弧的高铁车-网模型构建方法，包括以下步骤：
步骤1：获取多列动车组在同一或相邻供电臂行驶时的车-网耦合分布；
步骤2：根据步骤1得到的车-网耦合分布构建车-网拓扑；
步骤3：将Habedank等效电弧模型与开关的组合模型引入步骤2得到的车-网拓扑中动车组的燃弧弓头位置，得到考虑多车发生时间段重叠的弓网振动离线燃弧情况的车-网模型；
步骤4：计算步骤3构建的车-网模型的参数，对车-网模型进行仿真进行多车同时发生受电弓燃弧的电磁暂态分析。
进一步的，所述步骤1中首先根据电磁暂态期间各动车组受电弓、各动车组车体与工作接地点、电分相、牵引变电所的位置分布和两两之间的相对距离，将车-网系统划分为不同部分；包括有动车组区域中的动车组无车顶高压电缆部分和动车组有车顶高压电缆部分；无车顶高压电缆的部分考虑接触网与车体之间的耦合电容；有车顶高压电缆的部分考虑接触网与车体之间、接触网与车顶高压电缆之间、车顶高压电缆缆芯与屏蔽层之间的容性耦合。
进一步的，所述车-网模型在ATP-EMTP软件中建立。
进一步的，所述步骤4中通过Dubanton复镜像法，计算牵引网电气参数。
进一步的，所述步骤4中电气参数包括牵引网两架空导体的自阻抗及阻抗、牵引网对地导纳和动车组的参数；动车组的参数包括接触网与车体之间的耦合电容、接触网与车顶高压电缆之间的耦合电容、车顶高压电缆缆芯与屏蔽层之间的耦合电容、受电弓对车体电容、高压互感器等值电感、车顶高压电缆等值阻抗参数、车体等值阻抗参数、钢轨等值阻抗参数、钢轨泄漏电导和车体与钢轨之间的耦合电容。
进一步的，所述牵引网两架空导体的自阻抗及互阻抗计算如下：
Figure BDA0002138527060000021
式中：k和l为两架空导线的标号，Zkk为k的自阻抗，Zkl为k与l之间的互阻抗，p为趋肤深度，μ0为磁导率，dkl为k和l之间的水平距离，hk为k与大地之间的距离，rk为k的等值半径，Dkl″为k与考虑趋肤深度的l的镜像点l″之间的距离；
牵引网对地导纳计算方法如下：
Y＝ε0μ0Z-1
式中：Y为牵引网对地导纳，Z为牵引网阻抗，ε0为介电常数。
本发明的有益效果是：
(1)本发明构建的模型既增加了接触网与车体、车顶高压电缆之间实际存在的容性耦合，也考虑了多车同时发生弓网振动离线燃弧的情况；
(2)本发明通过构建的模型得到多车同时发生燃弧期间牵引网暂态过电压、弓头暂态过电压、车体暂态过电压和用于燃弧电磁干扰分析的频率成分，为解决目前已暴露出的高铁电磁暂态过电压问题提供准确的数据来源与理论研究基础；
(3)本发明构建模型的方法也可以用于不同特殊路段中多辆列车分别在供电臂、电分相同时发生燃弧的情况，具有一定的普适性。
附图说明
图1为本发明实施例中1车和2车在同一相供电臂行驶时发生时间段重叠燃弧情况的示意图。
图2为本发明实施例中CRH380BL型动车组电气结构示意图。
图3为本发明实施例中1车和2车在同一相供电臂行驶时发生时间段重叠燃弧情况的ATP-EMTP车-网模型。
图4为本发明实施例中趋肤深度p、2个架空导线k和l与其镜像关系。
图5为本发明实施例中1车电弧特性波形，a为电弧电压，b为电弧电流。
图6为本发明实施例中2车电弧特性波形，a为电弧电压，b为电弧电流。
图7为本发明实施例中2种工况下1车前弓弓头电压波形对比，a为仅1车发生燃弧，b为1车和2车均发生燃弧。
图8为本发明实施例中2种工况下2车后弓弓头电压波形对比，a为仅1车发生燃弧，b为1车和2车均发生燃弧。
图9为本发明实施例中1车和2车均发生燃弧和仅1车发生燃弧2种工况下1车车体最大过电压分布对比。
图10为本发明实施例中1车和2车均发生燃弧和仅1车发生燃弧2种工况下2车车体最大过电压分布对比。
图11为本发明实施例中2种工况下1车前弓位置的车体电压波形对比，a为仅1车发生燃弧工况，b为1车和2车均发生燃弧工况。
图12为本发明实施例中2种工况下2车后弓位置的车体电压波形对比，a为仅1车发生燃弧工况，b为1车和2车均发生燃弧工况。
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说明。
以两列CRH380BL型动车组分别在同一供电臂同时发生弓网振动离线燃弧为例，对本发明做进一步说明。
首先进行车网系统各部分耦合分布进行分析
根据电磁暂态期间各动车组受电弓、各动车组车体与工作接地点、电分相、牵引变电所的位置分布和两两之间的相对距离，将车网系统划分为不同的部分。对于每个部分进行耦合分布的整理。对于有动车组的区域，有的部分中动车组无车顶高压电缆；有的部分中动车组有车顶高压电缆。针对无车顶高压电缆的部分，考虑接触网与车体之间的耦合电容，针对有车顶高压电缆的部分，考虑接触网与车体之间、接触网与车顶高压电缆之间、车顶高压电缆缆芯与屏蔽层之间的容性耦合。
假设两列CRH380BL型动车组分别位于A相供电臂，如图1所示。假设距离牵引变电所A相相对近的动车组为1车，相对远的动车组为2车。1车和2车分别距离牵引变电所A5km、15km时同时发生燃弧。结合现场实际，假设1车燃弧位置在前弓，燃弧时间段为0.04s～0.24s。根据附图1和附图2，两车的工作接地点分别位于2号、7号、10号和15号车体。车体接地点分别位于8号和9号车体。两段车顶高压电缆分别位于2号～7号车体、10号～15号车体。1车和2车的前弓和后弓、车体和工作接地点将从1车车头到2车车尾的车网系统划分为15个区间的子系统。区间2、6、10、14存在接触网、车顶高压电缆、车体和钢轨四导体，这些区间内接触网与车体之间、接触网与车顶高压电缆之间、车顶高压电缆缆芯与屏蔽层之间、车体与钢轨之间均存在容性耦合。车顶高压电缆屏蔽层与电缆所在的各车体相连实现接地。区间1、3、4、5、7、9、11、12、13、15存在接触网、车体和钢轨三导体。这些区间内接触网与车体之间、车体与钢轨之间均存在容性耦合。区间8和区间1～15之外的区域只有牵引网或电分相系统。
其次，构建车网系统各部分车网拓扑。
基于车网耦合分布分析结果，分别对不同部分的车网系统拓扑进行构建。其中，有动车组区域外的牵引网系统用分布参数模型等值。接触网与车体之间、接触网与车顶高压电缆之间、车顶高压电缆内部的容性耦合用等值电容表示。钢轨部分考虑对地泄漏电导，受电弓位置的车顶考虑受电弓对车体的耦合电容和互感器等值电感。
如图3所示，考虑过分相暂态过程出现的燃弧会导致过高频率的电压电流，区间8和区间1～15之外的区域的牵引网或电分相系统用分布参数模型等值。对于区间1、3、4、5、7、9、11、12、13、15，每个区间存在接触网、车体和钢轨三导体，接触网模块与车体模块分别用等值电阻、等值电感表示。钢轨模块用等值电阻、等值电感、等值分布电容和等值对地泄漏电导表示。接触网模块与车体模块之间、车体模块与钢轨模块之间的容性耦合用等值电容表示。对于区间2、6、10、14，每个区间存在接触网、车顶高压电缆、车体和钢轨四导体，接触网模块、车顶高压电缆缆芯模块和车体模块分别用等值电阻、等值电感表示。车顶高压电缆屏蔽层模块用等值电阻表示，钢轨模块用等值电阻、等值电感、等值分布电容和等值对地泄漏电导表示。接触网模块与车体模块之间、接触网模块与车顶高压电缆模块之间、车顶高压电缆缆芯模块与屏蔽层模块之间、车体模块与钢轨模块之间的容性耦合用等值电容表示。动车组在前弓和后弓位置的车顶考虑受电弓对车体的耦合电容和互感器等值电感。
再次，确定燃弧建模及车-网模型的参数。
将Habedank等效电弧模型与开关的组合模型引入车-网拓扑中动车组的燃弧弓头位置。开关参数根据每辆列车燃弧的时间段设置。弓网电弧模型和开关的组合模型是直接嵌在车网模型中，是车网模型中的一部分，模型如图3所示。
结合牵引供电系统的实际，采用Habedank等效电弧模型拟合弓网振动离线燃弧发生期间的电弧现象。模型的数学表达式为：
Figure BDA0002138527060000051
Figure BDA0002138527060000052
Figure BDA0002138527060000053
式中：g为Habedank电弧模型的瞬时电弧电导，i为电弧电流，gC为Cassie电弧模型的电导，gM为Mayr电弧模型的电导，τ0为初始的时间常数，α为影响电弧动态特性的相关常数，uC为电弧电压常数，P0为电弧耗散功率。
模型如图3所示，1车和2车的燃弧模型均用弓网电弧模型和开关的组合模型表示。两个组合模型分别嵌在车网模型中1车前弓的车顶位置和2车后弓的车顶位置。对于1车燃弧模型，开关的设置满足：第0.04s之前，前弓与接触网之间短路。第0.04s至第0.24s之间，前弓与接触网之间有弓网电弧模型。第0.24s之后，前弓与接触网之间恢复短路。对于2车燃弧模型，开关的设置满足：第0.14s之前，后弓与接触网之间短路。第0.14s至第0.3s之间，后弓与接触网之间有弓网电弧模型。第0.3s之后，后弓与接触网之间恢复短路。
结合交流电磁场理论，分别对牵引网各架空导体、车体、车顶高压电缆、钢轨及各导体之间的耦合进行电气参数计算。车-网模型的参数主要包括牵引网参数和动车组参数。针对大地以上的非良导体架空导线，土壤电导率会对其回路磁场产生一定影响。考虑弓网振动离线燃弧发生时牵引电压电流会出现很高的频率成分。采用Dubanton复镜像法，以使模型适用于较宽频率范围为目的，对两个供电臂、电分相的架空导体进行电气参数计算。
结合附图4，两架空导线(分别为k和l)的自阻抗及互阻抗计算公式如下：
Figure BDA0002138527060000054
式中：Zkk为k的自阻抗，Zkl为k与l之间的互阻抗，p为趋肤深度，μ0为磁导率，dkl为线k与l之间的水平距离，hk为k与大地之间的距离，rk为k的等值半径，Dkl″为k与考虑区区深度的l的镜像点l″之间的距离。
根据导纳与阻抗关系可以得到牵引网对地导纳Y，进而得到牵引网分布参数模型的所有参数：
Y＝ε0μ0Z-1
式中：ε0为介电常数，Z为牵引网阻抗。
动车组的参数，主要包括接触网与车体之间的耦合电容、接触网与车顶高压电缆之间的耦合电容、车顶高压电缆缆芯与屏蔽层之间的耦合电容、受电弓对车体电容、高压互感器等值电感、车顶高压电缆等值阻抗参数、车体等值阻抗参数、钢轨等值阻抗参数、钢轨泄漏电导和车体与钢轨之间的耦合电容。对于接触网与车体之间的耦合电容和车体与钢轨之间的耦合电容，可以看作是一根导体与导电平面之间的耦合电容。以接触网和车体之间的耦合电容C0为例，计算方法如下：
Figure BDA0002138527060000061
式中：d0为接触网与车体之间的垂直距离，R0为接触网等效半径。
基于典型的带回流线牵引供电系统的原始参数，通过图3所示模型的仿真，得到1车和2车发生时间段重叠燃弧的电磁暂态分析结果。图5和图6所示的1车和2车电弧特性波形仿真结果与文献(S.Midya,D.Bormann,T.Schutte,and R.Thottappillil,Pantographarcing in electrified railways-mechanism and influence of various parameters-part II:with AC traction power supply[J].IEEE Trans.on Power Del,24:1940-1950.)所示的弓头电弧电流的实验测试结果吻合。图7和图8对比了1车和2车均发生燃弧和仅1车发生燃弧两种情况下1车和2车燃弧弓头电压波形。由图可知，在1车和2车同时发生燃弧(0.14s～0.24s)，1车发生燃弧造成的过电压和2车燃弧发生的过电压会相互影响。1车停止燃弧后，2车继续燃弧对1车接触网过电压继续造成影响。图9和图10对比了1车和2车均发生燃弧和仅1车发生燃弧两种情况下1车和2车车体最大过电压分布。相比单车燃弧，两车同时燃弧明显提升了动车组各处车体(除接地车体)过电压峰值。由图10可以看出，2车没有燃弧时，1车燃弧导致的电磁暂态仍然会造成2车出现幅值很高的车体过电压。图11和图12中显示了1车和2车均发生燃弧和仅1车发生燃弧两种情况下1车和2车弓头位置的车体电压波形对比。图11、图12和文献(严加斌,朱峰,李军,等.高速动车组速度传感器的电磁干扰测试与分析[J].电子测量与仪器学报,2015,29(3):433-438.)对比，仿真得到的车体电压波形与实测波形吻合。1车和2车均发生燃弧时，从1车开始燃弧(0.04s)到2车结束燃弧(0.3s)的总时间为0.26s，这期间经历了13个周期，图7和图8所示接触网电压正负峰值交替经历了26次。图11和图12车体电压出现的振荡次数也为26次。由此分析，车体过电压的一个直接来源是接触网、高压电缆缆芯和车体之间的容性耦合。当接触网和车顶高压电缆缆芯电压出现峰值时，通过容性耦合，使车体上立刻感应出较大幅值的过电压。
本发明首先对多列动车组在同一或相邻供电臂行驶时的车网耦合分布进行分析。然后基于耦合分布的整理结果，构建车-网拓扑。最后将弓网电弧数学模型与开关的组合模型引入车-网拓扑中。构建考虑多车发生时间段重叠的弓网振动离线燃弧情况的车-网模型，并完成模型的参数计算。该模型可用于多车同时发生受电弓燃弧的电磁暂态分析。

Claims (5)

1.一种计及多车弓网振动离线燃弧的高铁车-网模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：获取多列动车组在同一或相邻供电臂行驶时的车-网耦合分布；
根据电磁暂态期间各动车组受电弓、各动车组车体与工作接地点、电分相、牵引变电所的位置分布和两两之间的相对距离，将车-网系统划分为不同部分；包括有动车组区域中的动车组无车顶高压电缆部分和动车组有车顶高压电缆部分；无车顶高压电缆的部分考虑接触网与车体之间的耦合电容；有车顶高压电缆的部分考虑接触网与车体之间、接触网与车顶高压电缆之间、车顶高压电缆缆芯与屏蔽层之间的容性耦合；
步骤2：根据步骤1得到的车-网耦合分布构建车-网拓扑；
步骤3：将Habedank等效电弧模型与开关的组合模型引入步骤2得到的车-网拓扑中动车组的燃弧弓头位置，得到考虑多车发生时间段重叠的弓网振动离线燃弧情况的车-网模型；
步骤4：计算步骤3构建的车-网模型的参数，对车-网模型进行仿真进行多车同时发生受电弓燃弧的电磁暂态分析。
2.根据权利要求1所述的一种计及多车弓网振动离线燃弧的高铁车-网模型构建方法，其特征在于，所述车-网模型在ATP-EMTP软件中建立。
3.根据权利要求1所述的一种计及多车弓网振动离线燃弧的高铁车-网模型构建方法，其特征在于，所述步骤4中通过Dubanton复镜像法，计算牵引网电气参数。
4.根据权利要求1所述的一种计及多车弓网振动离线燃弧的高铁车-网模型构建方法，其特征在于，所述步骤4中电气参数包括牵引网两架空导体的自阻抗及阻抗、牵引网对地导纳和动车组的参数；动车组的参数包括接触网与车体之间的耦合电容、接触网与车顶高压电缆之间的耦合电容、车顶高压电缆缆芯与屏蔽层之间的耦合电容、受电弓对车体电容、高压互感器等值电感、车顶高压电缆等值阻抗参数、车体等值阻抗参数、钢轨等值阻抗参数、钢轨泄漏电导和车体与钢轨之间的耦合电容。
5.根据权利要求4所述的一种计及多车弓网振动离线燃弧的高铁车-网模型构建方法，其特征在于，所述牵引网两架空导体的自阻抗及互阻抗计算如下：
Figure FDA0003694710370000011
式中：k和l为两架空导线的标号，Zkk为k的自阻抗，Zkl为k与l之间的互阻抗，p为趋肤深度，μ0为磁导率，dkl为k和l之间的水平距离，hk为k与大地之间的距离，rk为k的等值半径，Dkl″为k与考虑趋肤深度的l的镜像点l″之间的距离；
牵引网对地导纳计算方法如下：
Y＝ε0μ0Z-1
式中：Y为牵引网对地导纳，Z为牵引网阻抗，ε0为介电常数。
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