CN110688699A - 长编组动车组高架桥上过分相的车网桥耦合模型构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种长编组动车组高架桥上过分相的车网桥耦合模型构建方法，先考虑高架桥综合接地系统在过分相期间的阻抗频率特性，构建高架桥综合接地系统宽频电路模型；再针对过分相每个电磁暂态过程，根据双弓、车体接地点、两个供电臂接触网、中性线的位置，将车网系统划分为不同的部分，分析每一部分车网耦合分布，进而构建桥上的车‑网耦合拓扑；考虑高架桥上的供电电流在桥墩回路中产生感应电压的实际，建立反映牵引网供电回路与桥墩回路的耦合关系的受控源模块；最后结合高架桥综合接地宽频电路模型、受控源模块和桥上车‑网耦合拓扑，构建车‑网‑桥耦合模型。本发明可全面反映高架桥对列车过分相暂态过程的影响，更贴近实际列车运行工况。
Description
技术领域
本发明涉及高架桥路段牵引供电电气安全技术领域，具体为一种长编组动车组高架桥上过分相的车网桥耦合模型构建方法。
背景技术
高速动车组惰行通过车载自动电分相期间会经历一个“有电-无电-有电”的过程。受电弓弓头和车体多次出现暂态过电压。由于动车组车体是车上弱电系统的信号地电位，车体暂态过电压容易对一些敏感设备(如速度传感器)造成电磁干扰，影响动车组的安全可靠运行。同时，中国高铁在20年的发展中形成了以桥代路的特点。作为高铁线路的主体，高架桥路段牵引供电系统的电气安全问题不可忽视。针对动车组高架桥上过分相电磁暂态过程，相关的研究主要通过建模求解的方法进行过电压的计算或仿真。动车组高架桥上过分相具有以下4个特点：(1)电磁暂态过程期间高架桥接地钢筋产生明显的集肤效应，高架桥综合接地阻抗呈现非线性畸变；(2)高架桥上的供电电流会在桥墩回路中产生感应电压；(3)接触网的暂态过电压会通过接触网、中性线与车体之间的容性耦合注入至车体上，进而引起车体暂态过电压。(4)动车组车头至车尾的车体可能与左供电臂接触网、接触线与中性线交叉路段的接触网与中性线，以及中性段的中性线同时存在容性耦合。特别是接触线与中性线的交叉路段，接触网与中性线之间、接触网与车体之间、中性线与车体之间均存在容性耦合。已有的动车组高架桥上过分相的模型多考虑了(2)，较少考虑(1)，没有考虑(3)和(4)。此外，已有的高架桥上过分相电磁暂态分析几乎只针对短编组动车组。由于短编组动车组只有1个受电弓在接触网或中性线上滑行，过分相暂态过程划分为4个；然而，长编组动车组有2个受电弓在接触网或中性线上滑行，这时过分相的暂态过程划分为8个。鉴于暂态过程的增加会加剧过电压的发生，有必要在考虑高架桥上过分相4个特点的基础上，针对长编组动车组高架桥过分相的情况进行建模分析。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种可全面反映高架桥对列车过分相暂态过程的影响，更贴近实际列车运行工况的长编组动车组高架桥上过分相的车网桥耦合模型构建方法。技术方案如下：
一种长编组动车组高架桥上过分相的车网桥耦合模型构建方法，包括以下步骤：
步骤1：建立完整的高架桥钢筋模型，确定过分相情况下接地系统的阻抗频率特性，结合粒子群算法进行参数拟合，建立综合接地系统宽频电路模型；
步骤2：根据过分相每个暂态过程发生时双弓所在位置、车体接地点所在位置、每个车体位置和四个暂态过程点所在位置将车网系统分为不同的部分；分析并确定每个部分车网系统的耦合分布；
步骤3：基于车网系统耦合分布分析结果，构建过分相各暂态过程的车网系统拓扑；
步骤4：计算高架下的电气回路和高架桥上的牵引供电回路之间的互感耦合系数；建立反映牵引网供电回路在桥墩回路中的感应电压的受控源模块；
步骤5：结合所述综合接地系统宽频电路模型、车网系统拓扑和感应电压的受控源模块，构建计及高架桥接地宽频特性和桥墩回路与牵引网供电回路之间电气耦合的长编组动车组过分相车-网-桥耦合模型。
进一步的，所述确定过分相情况下接地系统的阻抗频率特性具体过程为：依照高架桥设置模型的尺寸结构，用CDEGS软件中的SESCAD模块建立高架桥接地钢筋结构模型；用电势降法仿真求得高架桥模型接地阻抗；在0～10MHz的范围内选取占据整个范围的离散频率点，依次将这些频率点设置为注入接地模型电流的频率，通过仿真分别得到这些频率点对应的接地阻抗。
更进一步的，所述综合接地系统宽频电路模型的拓扑和参数的确定方法如下：
所述综合接地系统宽频电路模型包括并联的第一电路、第二电路和第三电路；
第一电路为由电阻R0和电容C0并联构成的支路；
第二电路为M条并联的支路单元，所述支路单元为电阻Rav和电感Lav构成的串联支路，v＝1、2、…、M；
第三电路为N条并联的支路单元，所述支路单元为串联的电阻Rbw、电感Lbw，及由电导Gbw和电容Cbw构成的并联构件构成的混合支路，w＝1、2、···、N；
由x(l)表示宽频电路模型中第l个元件的参数值，l＝1、2、···、2M+4N+8；x(1)＝R0、x(2)＝C0、x(3)＝Ra1、x(4)＝La1、x(3+2v)＝Rav、x(4+2v)＝Lav、x(3+2M)＝RaM、x(4+2M)＝LaM、x(5+2M)＝Rb1、x(6+2M)＝Lb1、x(7+2M)＝Gb1、x(8+2M)＝Cb1、x(5+2M+4w)＝Rbw、x(6+2M+4w)＝Lbw、x(7+2M+4w)＝Gbw、x(8+2M+4w)＝Cbw、x(5+2M+4N)＝RbN、x(6+2M+4N)＝LbN、x(7+2M+4N)＝GbN、x(8+2M+4N)＝CbN；
则第一电路阻抗Z0、第二电路阻抗Zi、第三电路阻抗Zj和总阻抗Z的表达式为：
式中，k为符号变量，k在Zv的表达式中依次赋值2、3、···、2+M，在Zw的表达式中依次赋值3+M、4+M、…、3+M+N；
粒子群算法中，将不同频率fi下的高架桥综合接地系统阻抗记为目标自适应值Zmm(fi)；当前粒子对应的频率fi情况下的宽频电路模型总阻抗由Zmm(fi)用当前粒子的自适应值Z(fi)表示；通过代入Zmm(fi)、调整粒子数、M和N的值，进行粒子群算法的迭代计算；
每次迭代中都将Z(fi)与Zmm(fi)进行比较；将代表某频率fi下当前粒子所求出的阻抗值Z(fi)与该频率下实际的阻抗值Zmm(fi)的实部之差与虚部之差的平方和的开方记为Si，i＝1、2、…、n，n为提取到的不同牵引电流频率对应的接地阻抗的个数，粒子群算法迭代中则将Z(fi)和Zmm(fi)进行n次比较；所有的Si的和记为S，即目标自适应值与当前粒子自适应值之间的总差值：
第一次迭代中，将每个频率fi对应的宽频电路模型的参数值随机设置后得到Z(fi)、Si和S的值；随后，将式(2)中的S尽可能趋近于0为优化目标S→0，不断调整每个频率fi对应的宽频电路模型各元件参数值，不断进行粒子群算法的迭代；当优化目标得到满足时，停止迭代；优化目标得到满足时对应的M值、N值及各元件参数值确定了高架桥综合接地系统最终的拓扑和参数。
更进一步的，所述步骤3中构建车网系统拓扑时，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，从牵引变电所至电分相之间的牵引网系统用分布参数模型等值；接触网与中性线之间、接触网与车体之间、中性线与车体之间、车体与钢轨之间的容性耦合用等值电容表示；钢轨部分考虑对地泄漏电导；由于动车组在过分相期间主断路器断开且CRH3系列的长编组动车组的主断路器位于车顶贯通电缆的上方，动车组的前弓和后弓部分仅考虑受电弓对车体的耦合电容和互感器等值电感。
更进一步的，所述步骤4具体为：
将分相区段下的多个网孔等效为一个大的网孔，高架桥下供电回路在桥墩回路中感应电压由等效受控源表示；将接触网与钢轨等效为无限长直导线；高架下的电气回路和高架桥上的牵引供电回路存在互相的电磁感应的耦合系数M0为：
式中，Φ为高架桥桥墩回路中的总的磁通量，i0为牵引供电回路电流；d1为接触线导高；d为钢轨和综合地线之间的距离；d2为桥墩平均高度；l为高架桥上所对应的线路长度；μ0为空气的磁导率。
据法拉第电磁感应定律，高架下的电气回路的感应电动势E为：
将高架桥下两个供电臂与中性段在桥墩回路中感应电压由等效受控源uA1、uB1、uZ1表示，
其与牵引供电回路电流i0之间的关系分别为：uA1＝jωM0Ai0、uB1＝jωM0Bi0、uZ1＝jωM0Zi0；
其中，M0A、M0B和M0Z分别为左供电臂路段、右供电臂路段和中性段路段高架下电气回路和高架桥上牵引供电回路之间的电磁感应耦合系数。
本发明的有益效果是：本发明在已有研究的基础上进行车-网-桥耦合模型的构建；构建的模型全面考虑了高架桥电气接地系统的宽频特性、牵引网供电回路与桥墩回路之间实际存在的电气耦合、接触网、中性线与车体之间实际存在的容性耦合、以及详细考虑了电分相路段中接触线与中性线的交叉路段；可全面反映高架桥对列车过分相暂态过程的影响，更贴近实际列车运行工况。
附图说明
图1是CRH380BL型动车组高架桥上过分相的8个暂态过程及牵引网供电回路与桥墩回路之间实际存在的电气耦合示意图。
图2是高架桥钢筋结构示意图。
图3是宽频模型的等值电路网络。
图4是CRH380BL型动车组电气结构及各车体轮轴之间的相对距离。
图5是CRH380BL型动车组过分相第1个暂态过程桥上车网相对位置及划分区间。
图6是CRH380BL型动车组过分相第2个暂态过程桥上车网相对位置及划分区间。
图7是CRH380BL型动车组过分相第3个暂态过程桥上车网相对位置及划分区间。
图8是CRH380BL型动车组过分相第4个暂态过程桥上车网相对位置及划分区间。
图9是CRH380BL型动车组过分相第5个暂态过程桥上车网相对位置及划分区间。
图10是CRH380BL型动车组过分相第6个暂态过程桥上车网相对位置及划分区间。
图11是CRH380BL型动车组过分相第7个暂态过程桥上车网相对位置及划分区间。
图12是CRH380BL型动车组过分相第8个暂态过程桥上车网相对位置及划分区间。
图13是CRH380BL型动车组高架桥上过分相第1个暂态过程的EMTP车-网模型。
图14是CRH380BL型动车组高架桥上过分相第2个暂态过程的EMTP车-网模型。
图15是CRH380BL型动车组高架桥上过分相第3个暂态过程的EMTP车-网模型。
图16是CRH380BL型动车组高架桥上过分相第4个暂态过程的EMTP车-网模型。
图17是CRH380BL型动车组高架桥上过分相第5个暂态过程的EMTP车-网模型。
图18是CRH380BL型动车组高架桥上过分相第6个暂态过程的EMTP车-网模型。
图19是CRH380BL型动车组高架桥上过分相第7个暂态过程的EMTP车-网模型。
图20是CRH380BL型动车组高架桥上过分相第8个暂态过程的EMTP车-网模型。
图21是CRH380BL型动车组高架桥上过分相暂态过程2期间2号车体电压仿真波形。
图22是CRH380BL型动车组普通路段和高架桥上过分相期间车体最高暂态过电压峰值分布对比的仿真结果；(a)暂态过程1；(b)暂态过程2；(c)暂态过程3；(d)暂态过程4；(e)暂态过程5；(f)暂态过程6；(g)暂态过程7；(h)暂态过程8。
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。以CRH380BL型动车组高架桥上过车载自动电分相为例，对本发明做进一步的详细阐述。
如附图1所示，CRH380BL型动车组双弓间距为202.6m，两供电臂与中性线交叉路段各95m，中性线总长320m。CRH380BL型动车组过分相8个暂态过程依次为前弓过A点、前弓过B点、后弓过A点、前弓过C点、后弓过B点、前弓过D点、后弓过C点、后弓过D点。其中，A点为受电弓开始与中性线接触的瞬间位置；B点为受电弓脱离左供电臂接触网的瞬间位置；C点为受电弓开始与右供电臂接触网接触的瞬间位置；D点为受电弓脱离中性线的瞬间位置。
①构建高架桥电气接地系统宽频电路模型
动车组过分相电磁暂态过程中，牵引网电压电流谐波频率最高可达1GHz。此时高架桥接地钢筋产生明显的集肤效应，导致综合接地系统阻抗呈非线性畸变。为了反映高频下高架桥的电气接地特性，采用宽频电路模型对综合接地系统进行等效。
(1)获取高架桥综合接地阻抗频率特性
首先，依照天津保定高铁的高架桥设置模型的尺寸结构，使用CDEGS软件中的SESCAD模块建立高架桥接地钢筋结构模型(见附图2)。SESCAD模块模拟了大地的土壤环境。然后，使用电势降法仿真求得高架桥模型接地阻抗。在0～10MHz的范围内选取一定数量且几乎占据整个范围的离散频率点，依次将这些频率点设置为注入接地模型电流的频率，通过仿真分别得到这些频率点对应的接地阻抗(即过分相工况下高架桥综合接地系统的阻抗频率特性)。
(2)确定高架桥接地等值电路宽频电路模型的拓扑和参数
由于高架桥综合接地系统的阻抗受泄漏至接地系统中的牵引回流电流的频率影响且过分相电磁暂态工况中牵引回流电流频率范围几乎是固定的，将高架桥综合接地系统等效为宽频电路模型(见附图3)。该宽频电路模型是能反映高架桥综合接地系统阻抗频率特性的时域等效电路模型。
粒子群算法的基本原理是通过群体之中每个个体之间合作与信息共享来搜索最优目标。其本质是一种随机搜索算法，具有全局寻优能力，通过算法参数的设定，可以实现阻抗频率特性的拟合。同时粒子群算法还具有迭代速度快、简单易行、搜索能力强等优点。因此，本发明结合CDEGS软件仿真得到的阻抗频率特性和粒子群算法建立宽频电路模型。粒子群算法的使用中无需设置初始极点，易求得精确结果。
如附图3所示，宽频电路模型由电路1、电路2和电路3构成。其中，电路1为由R0和C0并联的支路；电路2为由Rav和Lav(v＝1、2、···、M)串联的支路；电路3为含有串联的Rbw、Lbw和并联的Gbw、Cbw(w＝1、2、···、N)的混合支路。此外，x(l)(l＝1、2、···、2M+4N+8)为宽频电路模型的元件的参数值。其中，x(1)＝R0、x(2)＝C0、x(3)＝Ra1、x(4)＝La1、x(3+2v)＝Rav、x(4+2v)＝Lav、x(3+2M)＝RaM、x(4+2M)＝LaM、x(5+2M)＝Rb1、x(6+2M)＝Lb1、x(7+2M)＝Gb1、x(8+2M)＝Cb1、x(5+2M+4w)＝Rbw、x(6+2M+4w)＝Lbw、x(7+2M+4w)＝Gbw、x(8+2M+4w)＝Cbw、x(5+2M+4N)＝RbN、x(6+2M+4N)＝LbN、x(7+2M+4N)＝GbN、x(8+2M+4N)＝CbN。
宽频电路模型电路1部分的阻抗(Z0)、电路2部分的阻抗(Zv)、电路3部分的阻抗(Zw)和总阻抗(Z)表达式为：
上式中的x(1)、x(2)、x(2k-1)分别为l＝1、l＝2、l＝2k-1时第l个元件的参数值(即第1个、第2个、第2k-1个元件的参数值)。该电路模型共有2M+4N+8个元件，所以l＝1,2,…,2M+4N+8；x(l)＝x(1)、x(2)、…、x(2M+4N+8)。如附图3所示，宽频电路模型包括电阻元件、电感元件、电容元件和电导元件，宽频电路模型第l个元件的参数值x(l)可能为电阻元件值、电感元件值、电容元件值和电导元件值。举例：由于x(1)＝R0，模型第1个元件的参数值x(l＝1)为一个电阻元件的阻值R0。由于x(2M+4N+8)＝CbN，模型第2M+4N+8个元件的参数值x(l＝2M+4N+8)为一个电容元件的电容值CbN。
粒子群算法的使用中，将不同频率fi下经过CDEGS软件所得到的高架桥综合接地系统阻抗记为目标自适应值(Zmm(fi))。当前粒子对应的频率fi情况下的宽频电路模型总阻抗由Zmm(fi)的当前粒子的自适应值Z(fi)表示。通过代入Zmm(fi)、调整粒子数、M和N的值，进行粒子群算法的迭代计算。
每次迭代中都将Z(fi)与Zmm(fi)进行比较。将代表某频率fi下当前粒子所求出的阻抗值Z(fi)与该频率下实际的阻抗值Zmm(fi)的实部与虚部差的平方和的开方记为Si；Si的和记为S。假设CDEGS软件仿真提取了n个不同牵引电流频率对应的接地阻抗。粒子群算法迭代中需要将Z(fi)和Zmm(fi)(i＝1、2、…、n)进行n次比较。各频率下Si的总和S即目标自适应值与当前粒子自适应值之间的总差值(见式(2))。
第一次迭代中，将每个频率fi对应的宽频电路模型的参数值随机设置后得到Z(fi)、Si和S的值。随后，将式(2)中的S尽可能趋近于0为优化目标(S→0)，不断调整每个频率fi对应的宽频电路模型各元件参数值，不断进行粒子群算法的迭代。当优化目标得到满足时，停止迭代。优化目标得到满足时对应的M值、N值及各元件参数值确定了高架桥综合接地系统最终的拓扑和参数。
②过分相各暂态过程对应的桥上车网系统耦合分布分析
根据附图4，CRH380BL型动车组的车体接地点位于8号车体的3、4轴和9号车体的1、2轴；两个抬升的受电弓(简称双弓)分别位于2号车体和10号车体。由于动车组过分相时主断路器断开，工作接地的泄流轮对可视为非泄流轮对。因此，CRH380BL型动车组8号车体接地点、9号车体接地点、双弓以及电分相的A点、B点、C点、D点可以将车-网系统划分为不同的区间(由于8号车体的3、4轴之间以及9号车体的1、2轴之间的距离(仅2.5m)相比电分相系统非常小，8号车体的3、4轴接地点和9号车体的1、2轴接地点分别视为1个接地点)。CRH380BL型动车组高架桥上过分相8个暂态过程中车网划分区间分别见附图5～12。
过分相第1个暂态过程划分区间里(见附图5)，区间1只有牵引网系统。区间2存在接触网、1号～2号车体和钢轨三导体；区间3存在接触网、2号～8号车体和钢轨三导体；区间4存在接触网、8号～9号车体和钢轨三导体；区间5存在接触网、9号～10号车体和钢轨三导体；区间6位于左供电臂过渡区域，存在左供电臂接触网、中性线、10号～14号车体和钢轨四导体；区间7存在中性线、14号～16号车体和钢轨三导体。区间2、3、4、5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6内接触网与中性线之间、接触网与车体之间、中性线与车体之间、车体与钢轨之间均存在容性耦合。区间7内中性线与车体之间、车体与钢轨之间均存在容性耦合。区间8、9属于动车组还未行驶到的区域，分别为中性线区域和右供电臂区域。
过分相第2个暂态过程划分区间里(见附图6)，区间2存在接触网、1号～2号车体和钢轨三导体；区间3存在接触网、2号～6号车体和钢轨三导体；区间4存在左供电臂接触网、中性线、6号～8号车体和钢轨四导体；区间5存在左供电臂接触网、中性线、8号～9号车体和钢轨四导体；区间6存在左供电臂接触网、中性线、9号～10号车体和钢轨四导体；区间7存在中性线、10号～15号车体和钢轨三导体；区间8存在右供电臂接触网、中性线、15号～16号车体和钢轨四导体。其中，区间2、3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4、5、6、8内接触网与中性线之间、接触网与车体之间、中性线与车体之间、车体与钢轨之间均存在容性耦合。区间7内中性线与车体之间、车体与钢轨之间均存在容性耦合。
过分相第3个暂态过程的划分区间里(见附图7)，区间2存在接触网、1号～2号车体和钢轨三导体；区间3存在接触网、中性线、2号～6号车体和钢轨四导体；区间4存在中性线、6号～8号车体和钢轨三导体；区间5存在中性线、8号～9号车体和钢轨三导体；区间6存在中性线、9号～10号车体和钢轨三导体；区间7存在中性线、10号～11号车体和钢轨三导体；区间8存在接触网、中性线、11号～15号车体和钢轨四导体；区间9存在接触网、15号～16号车体和钢轨三导体。其中，区间2、9内接触网与车体间、车体与钢轨间存在容性耦合。区间3、8内接触网与中性线间、接触网与车体间、中性线与车体间、车体与钢轨间存在容性耦合。区间4、5、6、7内中性线与车体间、车体与钢轨间存在容性耦合。
过分相第4个暂态过程的划分区间里(见附图8)，区间2存在接触网、1号车体和钢轨三导体；区间3存在接触网、中性线、1号～2号车体和钢轨四导体；区间4存在接触网、中性线、2号～5号车体和钢轨四导体；区间5存在中性线、5号～8号车体和钢轨三导体；区间6存在中性线、8号～9号车体和钢轨三导体；区间7存在中性线、9号～10号车体和钢轨三导体；区间8存在接触网、中性线、10号～14号车体和钢轨四导体；区间9存在接触网、14号～16号车体和钢轨三导体。其中，区间2、9内接触网与车体间、车体与钢轨间存在容性耦合。区间3、4、8内接触网与中性线间、接触网与车体间、中性线与车体间、车体与钢轨间存在容性耦合。区间5、6、7内中性线与车体间、车体与钢轨间均存在容性耦合。
过分相第5个暂态过程的划分区间里(见附图9)，区间2存在接触网、中性线、1号～2号车体和钢轨四导体；区间3存在中性线、2号～7号车体和钢轨三导体；区间4存在接触网、中性线、7号～8号车体和钢轨四导体；区间5存在接触网、中性线、8号～9号车体和钢轨四导体；区间6存在接触网、中性线、9号～10号车体和钢轨四导体；区间7存在接触网、中性线、10号～11号车体和钢轨四导体；区间8存在接触网、11号～16号车体和钢轨三导体。其中，区间2、4、5、6、7内接触网与中性线间、接触网与车体间、中性线与车体间、车体与钢轨间均存在容性耦合。区间3内中性线与车体间、车体与钢轨间均存在容性耦合。区间8内接触网与车体间、车体与钢轨间均存在容性耦合。
过分相第6个暂态过程的划分区间里(见附图10)，区间2存在接触网、中性线、1号车体和钢轨四导体；区间3存在中性线、1号～2号车体和钢轨三导体；区间4存在中性线、2号～6号车体和钢轨三导体；区间5存在接触网、中性线、6号～8号车体和钢轨四导体；区间6存在接触网、中性线、8号～9号车体和钢轨四导体；区间7存在接触网、中性线、9号～10号车体和钢轨四导体；区间8存在接触网、10号～16号车体和钢轨三导体。其中，区间2、5、6、7内接触网与中性线间、接触网与车体间、中性线与车体间、车体与钢轨间均存在容性耦合。区间3、4内中性线与车体间、车体与钢轨间均存在容性耦合。区间8内接触网与车体间、车体与钢轨间均存在容性耦合。
过分相第7个暂态过程的划分区间里(见附图11)，区间3存在中性线、1号～2号车体和钢轨三导体；区间4存在接触网、中性线、2号～6号车体和钢轨四导体；区间5存在接触网、6号～8号车体和钢轨三导体；区间6存在接触网、8号～9号车体和钢轨三导体；区间7存在接触网、9号～10号车体和钢轨三导体；区间8存在接触网、10号～16号车体和钢轨三导体。其中，区间3内中性线与车体间、车体与钢轨间均存在容性耦合。区间4内接触网与中性线间、接触网与车体间、中性线与车体间、车体与钢轨间均存在容性耦合。区间5、6、7、8内接触网与车体间、车体与钢轨间均存在容性耦合。
过分相第8个暂态过程的划分区间里(见附图12)，区间4存在接触网、中性线、1号～2号车体和钢轨四导体；区间5存在接触网、2号～8号车体和钢轨三导体；区间6存在接触网、8号～9号车体和钢轨三导体；区间7存在接触网、9号～10号车体和钢轨三导体；区间8存在接触网、10号～16号车体和钢轨三导体。其中，区间4内接触网与中性线间、接触网与车体间、中性线与车体间、车体与钢轨间均存在容性耦合。区间5、6、7、8内接触网与车体间、车体与钢轨间均存在容性耦合。
③根据步骤②所得的桥上车-网耦合分布结果构建过分相各暂态过程的桥上车-网拓扑
基于桥上车-网耦合分布分析结果，利用EMTP软件分别对不同部分的车-网系统拓扑进行构建；其中，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，从牵引变电所至电分相之间的牵引网系统用分布参数模型等值；接触网与中性线之间、接触网与车体之间、中性线与车体之间、车体与钢轨之间的容性耦合用等值电容表示；钢轨部分的导纳考虑对地泄漏电导；由于动车组在过分相期间主断路器断开且CRH3系列的长编组动车组的主断路器位于车顶贯通电缆的上方，动车组的前弓和后弓部分仅考虑受电弓对车体的耦合电容和互感器等值电感；两个供电臂的牵引变电所由变电所的等值电源、等值电阻和等值电感组成。因此，以动车组高架桥上过分相暂态过程1和暂态过程2为例，根据桥上车-网耦合分布结果进行桥上部分过分相拓扑构具体如下。
如附图13所示，过分相第1个暂态过程的模型拓扑由9个部分组成(对应附图5划分的9个区间)，即：部分1为从左供电臂牵引变电所到1号车体之间的拓扑；部分2为从1号车体到后弓(位于2号车体)之间的拓扑；部分3为从后弓到8号车体接地点之间的拓扑；部分4为从8号车体接地点到9号车体接地点之间的拓扑；部分5为从9号车体接地点到前弓(位于10号车体)之间的拓扑；部分6为从前弓到电分相B点(位于14号车体)之间的拓扑；部分7为从电分相B点到16号车体之间的拓扑；部分8为从16号车体到中性线与右供电臂交接处之间的拓扑；部分9为从中性线与右供电臂交接处到右供电臂牵引变电所之间的拓扑。其中，部分1的拓扑由串联的牵引变电所等值电源、等值阻抗和左供电臂的牵引网分布参数模型组成；部分2、3、4、5拓扑由接触网等值阻抗与导纳、接触网与车体间的等值电容、车体等值阻抗与导纳、车体与钢轨间的等值电容、钢轨等值阻抗与导纳(包括钢轨对地泄漏电导)组成；部分6的拓扑由接触网等值阻抗与导纳、中性线等值阻抗与导纳、接触网与中性线间的等值电容、接触网与车体间的等值电容、中性线与车体间的等值电容、车体等值阻抗与导纳、车体与钢轨间的等值电容、钢轨等值阻抗与导纳组成；部分7的拓扑由中性线等值阻抗与导纳、中性线与车体间的等值电容、车体等值阻抗与导纳、车体与钢轨间的等值电容、钢轨等值阻抗与导纳组成；部分8的拓扑由中性段分布参数模型组成；部分9的拓扑由串联的牵引变压器等值电源、等值阻抗和右供电臂的牵引网分布参数模型组成；动车组的前弓模型和后弓模型等值为受电弓对车体的耦合电容和互感器等值电感的并联；后弓模型位于部分2和部分3之间；前弓模型和电弧模型位于部分5和部分6之间；动车组的2个车体接地电阻分别位于部分3和部分4、部分4和部分5之间；中性段和右供电臂的耦合电容位于部分8和部分9之间。
如附图14所示，过分相第2个暂态过程的模型拓扑由10个部分组成(对应附图6划分的10个区间)，即：部分1为从左供电臂牵引变电所到1号车体之间的拓扑；部分2为从1号车体到后弓(位于2号车体)之间的拓扑；部分3为从后弓到电分相A点(位于6号车体)之间的拓扑；部分4为从电分相A点到8号车体接地点之间的拓扑；部分5为从8号车体接地点到9号车体接地点之间的拓扑；部分6为从9号车体接地点到前弓(位于10号车体)之间的拓扑；部分7为从前弓到电分相C点(位于15号车体)之间的拓扑；部分8为从电分相C点到16号车体之间的拓扑；部分9为从16号车体到电分相D点之间的拓扑。部分10为从电分相D点到右供电臂牵引变电所之间的拓扑。其中，部分1的拓扑由串联的牵引变电所等值电源、等值阻抗和左供电臂的牵引网分布参数模型组成；部分2、3拓扑由接触网等值阻抗与导纳、接触网与车体间的等值电容、车体等值阻抗与导纳、车体与钢轨间的等值电容、钢轨等值阻抗与导纳组成；部分4、5、6、8的拓扑由接触网等值阻抗与导纳、中性线等值阻抗与导纳、接触网与中性线间的等值电容、接触网与车体间的等值电容、中性线与车体间的等值电容、车体等值阻抗与导纳、车体与钢轨间的等值电容、钢轨等值阻抗与导纳组成；部分7的拓扑由中性线等值阻抗与导纳、中性线与车体间的等值电容、车体等值阻抗与导纳、车体与钢轨间的等值电容、钢轨等值阻抗与导纳组成；部分9、10的拓扑由串联的牵引变压器等值电源、等值阻抗和右供电臂的牵引网分布参数模型组成；后弓模型位于部分2、3之间；前弓模型和电弧模型位于部分6、7之间；2个车体接地电阻分别位于部分4和部分5、部分5和部分6之间。
④建立反映牵引网供电回路在桥墩回路中的感应电压的受控源模块
高架桥下桥墩之间构成多个网孔，桥梁的钢筋与综合接地线连接在一起，桥下部分两个网孔又共用一个桥墩。相邻桥墩、综合地线、大地形成闭合回路。该回路与桥上供电回路间存在电气耦合，在桥墩回路中形成电流，同一回路中的两个桥墩电流大小相等、方向相反，相邻网孔桥墩上的电流相互抵消，因此可以将分相区段下的多个网孔等效为一个大的网孔，如附图1所示。高架桥下供电回路在桥墩回路中感应电压可由等效受控源表示。
根据电磁场理论，将接触网与钢轨等效为无限长直导线。高架下的电气回路和高架桥上的牵引供电回路存在有互相的电磁感应，其耦合系数为M0：
式(3)中，Φ为高架桥桥墩回路中的总的磁通量，i0为牵引供电回路电流；d1为接触线导高；d为钢轨和综合地线之间的距离；d2为桥墩平均高度；l为高架桥上所对应的线路长度；μ0为空气的磁导率。假设l1和l3分别为左供电臂和右供电臂的长度；l2为中性线的长度。将北京-天津高速铁路线参数(l1＝l3＝25km、l2＝0.32km、d＝0.3m、d1＝6.9m、d2＝7m)代入式(4)，通过计算得单位长度的耦合系数M0为0.49mH/km。左供电臂下接触网回路与桥墩回路互感M0A为12.25mH，右供电臂下接触网回路与桥墩回路互感M0B为12.25mH，中性段下的耦合互感M0Z为0.1568mH。
根据法拉第电磁感应定律，高架下的电气回路的感应电动势E为：
将高架桥下两个供电臂与中性段在桥墩回路中感应电压可由等效受控源uA1、uB1、uZ1表示，它们与i0之间的关系分别为：uA1＝jωM0Ai0、uB1＝jωM0Bi0、uZ1＝jωM0Zi0。
如附图13～附图20所示，首先，在两个供电臂、中性段模块中分别设置TACS和SWMEAS模块采集i0；然后，将采集的i0作为电流受控源，与M0A、M0B和M0Z分别构成回路，使用TACS和SWMEAS模块采集i0流过M0A、M0B和M0Z呈现的电动势E0A、E0B和E0Z。最后，将E0A、E0B和E0Z作为桥下回路的感应电动势受控源。
⑤完成长编组动车组高架桥上过分相车-网-桥耦合模型的最终建立
基于EMTP软件平台，将步骤①建立的高架桥接地宽频电路模型、步骤④建立的受控源模块引入步骤③搭建的桥上车-网模型，建立计及高架桥接地宽频特性和桥墩回路与牵引网供电回路之间电气耦合的车-网-桥耦合模型，如附图13～附图20所示。
基于典型的带回流线牵引供电系统的原始参数，假设每个过分相暂态过程中燃弧时间段都为0.05s～0.15s，使用附图13～附图20所示模型进行车体暂态过电压的仿真分析。附图21为高架桥上过分相暂态过程2期间(即前弓与左供电臂接触网分离)CRH380BL型动车组2号车体电压波形。将图21所示波形与文献(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.)的CRH380BL型动车组受电弓降弓时的2号车体电压波形进行对比，仿真波形与实测波形吻合。附图22对比了动车组在普通路段和高架桥路段过分相各暂态过程对应的最大车体电压峰值分布(普通路段过分相模型采用步骤③建立的桥上模型；高架桥过分相模型在普通路段过分相模型基础上引入步骤①建立的宽频电路模型和步骤④建立的受控源模块)。由图可知，高架桥的桥体、桥墩及高架桥的电气耦合对过电压有一定影响，但影响不大，影响主要体现为抑制。
Claims (5)
1.一种长编组动车组高架桥上过分相的车网桥耦合模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立完整的高架桥钢筋模型，确定过分相情况下接地系统的阻抗频率特性，结合粒子群算法进行参数拟合，建立综合接地系统宽频电路模型；
步骤2：根据过分相每个暂态过程发生时双弓所在位置、车体接地点所在位置、每个车体位置、和四个暂态过程点所在位置将车网系统分为不同的部分；分析并确定每个部分车网系统的耦合分布；
步骤3：基于车网系统耦合分布分析结果，构建过分相各暂态过程的车网系统拓扑；
步骤4：计算高架下的电气回路和高架桥上的牵引供电回路之间的互感耦合系数；建立反映牵引网供电回路在桥墩回路中的感应电压的受控源模块；
步骤5：结合所述综合接地系统宽频电路模型、车网系统拓扑和感应电压的受控源模块，构建计及高架桥接地宽频特性和桥墩回路与牵引网供电回路之间电气耦合的长编组动车组过分相车-网-桥耦合模型。
2.根据权利要求1所述的长编组动车组高架桥上过分相的车网桥耦合模型构建方法，其特征在于，所述确定过分相情况下接地系统的阻抗频率特性具体过程为：依照高架桥设置模型的尺寸结构，用CDEGS软件中的SESCAD模块建立高架桥接地钢筋结构模型；用电势降法仿真求得高架桥模型接地阻抗；在0～10MHz的范围内选取占据整个范围的离散频率点，依次将这些频率点设置为注入接地模型电流的频率，通过仿真分别得到这些频率点对应的接地阻抗。
3.根据权利要求1所述的长编组动车组高架桥上过分相的车网桥耦合模型构建方法，其特征在于，所述综合接地系统宽频电路模型的拓扑和参数的确定方法如下：
所述综合接地系统宽频电路模型包括并联的第一电路、第二电路和第三电路；
第一电路为由电阻R0和电容C0并联构成的支路；
第二电路为M条并联的支路单元，所述支路单元为电阻Rav和电感Lav构成的串联支路，v＝1、2、…、M；
第三电路为N条并联的支路单元，所述支路单元为串联的电阻Rbw、电感Lbw，及由电导Gbw和电容Cbw构成的并联构件构成的混合支路，w＝1、2、…、N；
由x(l)表示宽频电路模型中第l个元件的参数值，l＝1、2、…、2M+4N+8；x(1)＝R0、x(2)＝C0、x(3)＝Ra1、x(4)＝La1、x(3+2v)＝Rav、x(4+2v)＝Lav、x(3+2M)＝RaM、x(4+2M)＝LaM、x(5+2M)＝Rb1、x(6+2M)＝Lb1、x(7+2M)＝Gb1、x(8+2M)＝Cb1、x(5+2M+4w)＝Rbw、x(6+2M+4w)＝Lbw、x(7+2M+4w)＝Gbw、x(8+2M+4w)＝Cbw、x(5+2M+4N)＝RbN、x(6+2M+4N)＝LbN、x(7+2M+4N)＝GbN、x(8+2M+4N)＝CbN；
则第一电路阻抗Z0、第二电路阻抗Zv、第三电路阻抗Zw和总阻抗Z的表达式为：
式中，k为符号变量，k在Zv的表达式中依次赋值2、3、…、2+M，在Zw的表达式中依次赋值3+M、4+M、…、3+M+N；
粒子群算法中，将不同频率fi下的高架桥综合接地系统阻抗记为目标自适应值Zmm(fi)；当前粒子对应的频率fi情况下的宽频电路模型总阻抗由Zmm(fi)用当前粒子的自适应值Z(fi)表示；通过代入Zmm(fi)、调整粒子数、M和N的值，进行粒子群算法的迭代计算；
每次迭代中都将Z(fi)与Zmm(fi)进行比较；将代表某频率fi下当前粒子所求出的阻抗值Z(fi)与该频率下实际的阻抗值Zmm(fi)的实部之差与虚部之差的平方和的开方记为Si，i＝1、2、…、n，n为提取到的不同牵引电流频率对应的接地阻抗的个数，粒子群算法迭代中则将Z(fi)和Zmm(fi)进行n次比较；所有的Si的和记为S，即目标自适应值与当前粒子自适应值之间的总差值：
第一次迭代中，将每个频率fi对应的宽频电路模型的参数值随机设置后得到Z(fi)、Si和S的值；随后，将式(2)中的S尽可能趋近于0为优化目标S→0，不断调整每个频率fi对应的宽频电路模型各元件参数值，不断进行粒子群算法的迭代；当优化目标得到满足时，停止迭代；优化目标得到满足时对应的M值、N值及各元件参数值确定了高架桥综合接地系统最终的拓扑和参数。
4.根据权利要求1所述的长编组动车组高架桥上过分相的车网桥耦合模型构建方法，其特征在于，所述步骤3中构建车网系统拓扑时，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，从牵引变电所至电分相之间的牵引网系统用分布参数模型等值；接触网与中性线之间、接触网与车体之间、中性线与车体之间、车体与钢轨之间的容性耦合用等值电容表示；钢轨部分考虑对地泄漏电导；由于动车组在过分相期间主断路器断开且CRH3系列的长编组动车组的主断路器位于车顶贯通电缆的上方，动车组的前弓和后弓部分仅考虑受电弓对车体的耦合电容和互感器等值电感。
5.根据权利要求1所述的长编组动车组高架桥上过分相的车网桥耦合模型构建方法，其特征在于，所述步骤4具体为：
将分相区段下的多个网孔等效为一个大的网孔，高架桥下供电回路在桥墩回路中感应电压由等效受控源表示；将接触网与钢轨等效为无限长直导线；高架下的电气回路和高架桥上的牵引供电回路存在互相的电磁感应的耦合系数M0为：
式中，Φ为高架桥桥墩回路中的总的磁通量，i0为牵引供电回路电流；d1为接触线导高；
d为钢轨和综合地线之间的距离；d2为桥墩平均高度；l为高架桥上所对应的线路长度；μ0为空气的磁导率。
根据法拉第电磁感应定律，高架下的电气回路的感应电动势E为：
将高架桥下两个供电臂与中性段在桥墩回路中感应电压由等效受控源uA1、uB1、uZ1表示，其与牵引供电回路电流i0之间的关系分别为：uA1＝jωM0Ai0、uB1＝jωM0Bi0、uZ1＝jωM0Zi0；其中，M0A、M0B和M0Z分别为左供电臂路段、右供电臂路段和中性段路段高架下桥墩回路和高架桥上牵引供电回路之间的电磁感应耦合系数。
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| CN110688699B (zh) | 2023-08-22 |
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