CN111382511A - 一种列车过锚段关节式电分段燃弧的车-网模型构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种列车过锚段关节式电分段燃弧的车‑网模型构建方法，具体为：1、基于锚段关节式电分段的实际机械结构和列车过电分段期间列车所处位置，对包含锚段关节式电分段的牵引网系统进行电路建模；2、考虑到电弧弧长对电弧耗散功率的影响及电分段处接触导线特定的机械构造对电弧弧长的限制，将Habedank黑盒电弧模型拓展为适用于电分段燃弧的模型；3、建立列车进出电分段两个暂态过程的牵引网、电弧、列车的整合模型；本发明为列车的牵引供电系统精细化设计、为解决因电弧的发生导致的电分段处接触导线的烧毁提供相关的模型基础，为克服并解决目前高速铁路电气化工程中凸现或隐性的技术问题创造条件。
Description
技术领域
本发明属于电气化铁路建模领域，具体涉及一种列车过锚段关节式电分段燃弧的车-网模型构建方法。
背景技术
电气化铁路中，由于接触网是列车受电弓的唯一取流装置且无备用设备，通过加装接触网电分段装置将接触导线划分为很多独立的供电单元，以备设备检修或线路发生故障断电的情况下缩小停电范围或进行越区供电，保证接触网对列车的正常供电。然而，由于电分段所处位置导致电分段断口两端馈线供电臂长度存在差异，绝缘关节两端馈线会形成偏载结构，导致列车过电分段时容易产生燃弧现象。目前，相关研究对供电分段的研究多集中于换相绝缘的电分相，对同相绝缘分段的锚段关节式电分段研究相对很少。然而，由于电分段处产生电弧的可能性也较大且发生电弧的位置相对固定，接触导线同一位置频繁发生电弧可能会烧断接触导线。一旦接触导线烧断，极可能引起受电弓打弓等事故。为更好的解决这一问题，有必要根据电分段的具体机械结构对锚段关节式电分段的燃弧过程进行建模和仿真研究。
发明内容
为开展列车过锚段关节式电分段发生燃弧时的暂态分析，本发明提供了一种列车过锚段关节式电分段燃弧的车-网模型构建方法。
一种列车过锚段关节式电分段燃弧的车-网模型构建方法，具体步骤为：
步骤1：对包含锚段关节式电分段的接触网进行电路建模：
基于锚段关节式电分段的实际机械结构，考虑到列车过电分段燃弧位置分布的情况，将电分段分为三部分进行牵引网系统的集中参数建模。其中，考虑大地电导率对电路回流产生一定影响且电分段处导线数量较多，采用Carson理论计算电气参数；将电分段的过渡跨跨中导线视为等高，将过渡跨两临跨抬升的导线视为水平且与钢轨平面的垂直距离提高为实际抬升量的平均值；电分段的两端馈线两接触导线间、馈线与车体间以及馈线与钢轨间的容性耦合用等值电容表示。
步骤2：计及过电分段燃弧特性的电弧模型拓展：
考虑电弧弧长对电弧耗散功率的影响及电分段处接触导线特定的机械构造对电弧弧长的限制，将Habedank黑盒电弧模型拓展为适用于电分段燃弧的模型。
结合列车进出电分相期间弧长的变化特性，分别建立暂态过程一和暂态过程二的电分段燃弧模型。暂态过程一为进电分段时受电弓与馈线1接触的过程。该暂态过程期间，受电弓与馈线2靠近，弓网之间由于电压差导致场强逐渐加大。达到空气介质击穿场强时，受电弓与馈线2之间会产生电弧。由电分段结构可知，弧长L随列车运行逐渐缩短，直至受电弓与馈线2接触。暂态过程二为受电弓换线后出电分段时与馈线2接触且与馈线1逐渐分离的过程。受电弓与馈线1之间产生离线拉弧，随着列车运行弧长L逐渐拉长。根据能量平衡理论，直至电弧的输入能量不足以提供耗散能量，电弧熄灭。
步骤3：将电分段燃弧模型、包含车顶高压电缆、车体、列车接地系统和钢轨4个模块的列车模型与包含电分段的牵引网电路模型进行整合建立列车进出电分段过程的车-网一体化等值电路模型。通过模型的仿真得到列车进出电分段两个暂态过程的燃弧电压电流波形。通过燃弧仿真波形和实测波形的对比能验证车-网模型和拓展电弧模型的有效性。
本发明的有益技术效果为：
本发明分别对列车进出电分段的燃弧过程进行了车-网一体化等值电路模型的建模，通过模型能够得到燃弧两端暂态过电压、电弧电流，为列车的牵引供电系统精细化设计、为解决因电弧的发生导致的电分段处接触导线的烧毁提供相关的模型基础，为克服并解决目前高速铁路电气化工程中凸现或隐性的技术问题创造条件。
附图说明
图1是五跨锚段关节式电分段安装图。
图2是五跨锚段关节式电分段等效电路模型。
图3是电分段接触网的布置图。
图4是电分段电弧发生示意图。
图5是列车过电分段暂态过程一的车网整合电路图。
图6是列车过电分段暂态过程二的车网整合电路图。
图7是列车过电分段暂态过程一燃弧期间电弧电压和电弧电流仿真波形。
图8是列车过电分段暂态过程二燃弧期间电弧电压和电弧电流仿真波形。
图9是列车降弓期间的电弧电压实测波形。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做进一步的详细说明。
本发明的一种列车过锚段关节式电分段燃弧的车-网模型构建方法，具体步骤为：
1、对包含锚段关节式电分段的牵引网系统进行电路建模
附图1为我国某时速250公里高速铁路的五跨锚段关节式电分段接触悬挂实际安装图。其中ZF1、ZF2、ZF3、ZF4为转换柱，h1、h2为转换柱处两接触线的垂直距离，Δα为两导线水平间距。将电分段分为A、B、C三段建立牵引网系统的等效电路模型，如附图2所示包含：牵引变压器电压Us及其等效电阻Rs、等效电感Ls，牵引网线路馈线1和馈线2的等效电阻R1和R2、电感L1和L2、对地电容C1和C2，电分段等效电阻RA和RB、电感LA和LB、对地电容CA1、A2和CB1、B2、相间电容CA12和CB12。
其中针对电分段架空导线进行电气建模时，考虑大地电导率对电路回流产生一定影响且电分段处导线数量较多，采用Carson理论计算电气参数。
根据附图3，由两根承力索c1、c2和两根接触导线j1、j2组成了四个导线-地回路Carson等效线路，并将其归算为单一导线-地回路。此次计算将附图2中A段过渡跨跨中导线视为等高，将B段抬升的导线视为水平且与钢轨平面的垂直距离提高为实际抬升量的平均值。
接触网中承力索和接触线间的几何间距dcj以及承力索和钢轨间以及钢轨与接触导线间几何间距dag分别为：
根据Carson理论，由附图3可得电分段处接触网-地回路及钢轨-地回路的单位长度自阻抗Zk、互阻抗Zcj以及接触网与钢轨之间的单位长度互阻抗Zag的计算公式为：
式中，k＝c1、c2、j1、j2、g，Dkp为等值地回线深度取值为930m，μ0为真空磁导率，lk为各导线长度，rk为单位长度电阻，Rk为等效半径，ω为角频率。
由附图1可知电分段处为同相电，四根接触网导线接于同一母线，因此各导线之间相当于并联，归算的单一回路单位等值自阻抗Za可表示为：
馈线1和馈线2的长度由电分段的位置进行确定。将两馈线长度分别代入式(2)。其次，电分段中A、B段接触导线抬升高度不同。分别将其代入以上公式求解，即可求出接触网电分段处接触导线的单位长度阻抗。
接触网导线存在对地电容且电分段处导线相交处也存在相间电容，考虑承力索和接触线电位不同时对地电容计算非常繁琐，所以合并为单线进行计算。由电磁场理论可得电分段导线对地电容Cx以及相间电容Cy计算公式为：
式中，x＝1、2、A1、A2、B1、B2，y＝A12、B12。ε0为真空介电常数，hk为各导线到地距离，Rj为接触导线等效半径，Δα为馈线1与馈线2两接触导线水平间距。将具体实测参数代入以上各式，可求得各电气参数，得到供电变压器，牵引网线路以及锚段关节式电分段的等效电路模型。
2、建立适用于电分段燃弧的电弧模型
Habedank电弧模型是基于经典Mayr电弧模型和Cassie电弧模型，通过将其串联并加以改进所得，弥补了Cassie模型适用于大电流且Mayr模型适用于小电流的局限性，能更好的体现出电弧的非线性特性。其数学表达式为：
式中，g为电弧瞬时电导；Uc为电弧电压；i为电弧电流；P0是单位体积电弧耗散功率；τc和τm分别为Mayr方程和Cassie方程的时间常数；gc和gm分别为Mayr方程和Cassie方程的瞬时电导。
实际的锚段关节式电分段电弧发生的示意图见附图4。列车过电分段时，受电弓由馈线1平滑转换到馈线2，过中心过渡跨时，可分为两个暂态过程。
暂态过程一为进电分段时受电弓与馈线1接触的过程。该暂态过程期间，受电弓与馈线2靠近，弓网之间由于电压差导致场强逐渐加大。达到空气介质击穿场强时，受电弓与馈线2之间会产生电弧。由电分段结构可知，弧长L随列车运行逐渐缩短，直至受电弓与馈线2接触。
暂态过程二为受电弓换线后出电分段时与馈线2接触且与馈线1逐渐分离的过程。受电弓与馈线1之间产生离线拉弧，随着列车运行弧长L逐渐拉长。根据能量平衡理论，直至电弧的输入能量不足以提供耗散能量，电弧熄灭。
附图4中θ为中心过渡跨的抬升角度，由附图2可知θ的值，列车进电分段时起弧距离d可由受电弓所在处馈线1与馈线2之间的电压差与击穿空气间隙的公式得到，d＝0.15914cm。
电弧电压Uc可看做电弧中间弧柱部分的电压降，且弧柱的电压降与弧长L成正比。其中电弧弧长L可由车速v和燃弧时间t表示，则电弧电压可表示为：
Uc＝12.2vt tan0.287° (6)
电弧稳定时，电弧的单位体积耗散功率P0由电弧电导g与电弧长度L决定，其表达式为：
P0＝kgβ(vttan0.287°)n (7)
式中，k为热电系数，β为电弧耗散功率系数，n为电弧弧长指数。
综上，可得两暂态过程的改进Habedank电弧模型。对于暂态过程一，列车进锚段关节式电分段时的电弧模型数学表达式为：
对于暂态过程二，列车出锚段关节式电分段时的电弧模型数学表达式为：
3、建立列车进出电分段两个暂态过程的车-网一体化等值电路模型
附图5和附图6为列车过电分段时两个暂态过程的牵引网、电弧、列车的整合模型。为更加精确地模拟列车过电分段燃弧过程，其中单编组列车模型包含高压电缆、车体、列车接地系统和钢轨4个模块。通过附图5和附图6两个暂态过程可描述列车在过分段时进电分段和出电分段时燃弧的过程。可以通过燃弧仿真波形和实测波形的对比验证车-网模型和拓展电弧模型的有效性。验证的实施例如下。
五跨锚段关节式电分段通常安装在高速铁路的联络线上，列车在过联络线上电分段时运行时速已经降至很低，根据《武汉站动车段联络线绝缘关节处燃弧情况分析报告》，模型仿真中的列车时速取为9km/h。
附图7和附图8显示了列车过电分段两个暂态过程的电弧电压电流波形。由图可知燃弧时间以及电弧电压电流随列车运行过程的变化的一些特性。附图9是通过现场测试得到的列车降弓过程中的电弧电压波形。其中的插入图像(a)、(b)、(c)分别为受电弓降弓期间3个时刻的电弧形态。随着受电弓的下降，电弧长度增大，电弧强度增大，电弧电压增大。该实测电弧的燃弧过程与本文的列车出电分段的燃弧过程机理一致，对比附图8和附图9，可以发现电弧电压的波形走势基本一致，验证了本文建模方法的有效性。
Claims (4)
1.一种列车过锚段关节式电分段燃弧的车-网模型构建方法，其特征在于，步骤为：
步骤1：对包含锚段关节式电分段的接触网进行电路建模：基于锚段关节式电分段的实际机械结构，考虑到列车过电分段燃弧位置分布的情况，将电分段分为三部分进行牵引网系统的集中参数建模；
步骤2：计及过电分段燃弧特性的电弧模型拓展：考虑电弧弧长对电弧耗散功率的影响及电分段处接触导线特定的机械构造对电弧弧长的限制，将Habedank黑盒电弧模型拓展为适用于电分段燃弧的模型；
步骤3：将电分段燃弧模型、包含车顶高压电缆、车体、列车接地系统和钢轨4个模块的列车模型与包含电分段的牵引网电路模型进行整合建立列车进出电分段过程的车-网一体化等值电路模型。
2.根据权利要求1所述的一种列车过锚段关节式电分段燃弧的车-网模型构建方法，其特征在于，在所述步骤1中，采用Carson理论计算电气参数；将电分段的过渡跨跨中导线视为等高，将过渡跨两临跨抬升的导线视为水平且与钢轨平面的垂直距离提高为实际抬升量的平均值；电分段的两端馈线两接触导线间、馈线与车体间以及馈线与钢轨间的容性耦合用等值电容表示。
3.根据权利要求1所述的一种列车过锚段关节式电分段燃弧的车-网模型构建方法，其特征在于，在所述步骤2中，结合列车进出电分相期间弧长的变化特性，分别建立暂态过程一和暂态过程二的电分段燃弧模型；暂态过程一为进电分段时受电弓与馈线1接触的过程，该暂态过程期间，受电弓与馈线2靠近，弓网之间由于电压差导致场强逐渐加大，达到空气介质击穿场强时，受电弓与馈线2之间产生电弧，由电分段结构可知，弧长L随列车运行逐渐缩短，直至受电弓与馈线2接触；暂态过程二为受电弓换线后出电分段时与馈线2接触且与馈线1逐渐分离的过程，受电弓与馈线1之间产生离线拉弧，随着列车运行弧长L逐渐拉长，根据能量平衡理论，直至电弧的输入能量不足以提供耗散能量，电弧熄灭。
4.根据权利要求1所述的一种列车过锚段关节式电分段燃弧的车-网模型构建方法，其特征在于，所述步骤3还包括通过模型的仿真得到列车进出电分段两个暂态过程的燃弧电压电流波形，再通过燃弧仿真波形和实测波形的对比能验证车-网模型和拓展电弧模型的有效性。
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