一种基于PSCAD的动车组钢轨电位与钢轨电流的仿真方法与流程

本发明涉及电气化铁路的仿真计算，具体涉及一种基于pscad的动车组钢轨电位与钢轨电流的仿真方法。
背景技术：
：电气化铁道机车功率大、取流大、行车密度高，因此相应的短路电流大、牵引回流大，易造成很高的钢轨电压电流。而在车站路段，过高的钢轨电压电流会产生多方面的不利影响。例如：在牵引供电系统正常运行状态下，钢轨电流的不平衡影响轨道电路的正常工作。过高的轨道电位可能影响牵引供电系统的运行性能、威胁运行检修人员的人身安全。在接触网对钢轨的短路状态下，形成危险的接触过电压和跨步过电压等。车站路段的钢轨电位电流可通过建立动车组-牵引网一体化等值模型的方法开展仿真分析。在车站路段动车组-牵引网系统中，存在许多影响钢轨电位电流的因素，例如变电所的接地参数，列车过切断点绝缘节时轮轨拉弧现象，列车过普通绝缘节时的高阻抗呈现以及绝缘节与扼流变压器的阻抗参数等。然而现有的车站路段动车组-牵引网等值模型大多对变电所接地参数做了简化处理，利用该类模型分析出来的钢轨电位电流往往不甚准确。因此在考虑详细的车站路段的牵引网结构及其具体部件的基础上，对钢轨电压电流进行常见车站路段动车组运行工况下的仿真分析是必要的。技术实现要素：本发明提供一种不仅可以考虑单个动车组通过绝缘节的情况，而且可以考虑多个动车组经过时切断点绝缘节两端电位差的变化，可获得多种工况下钢轨电位和钢轨电流的分布情况的基于pscad的动车组钢轨电位与钢轨电流的仿真方法。本发明采用的技术方案是：一种基于pscad的动车组钢轨电位与钢轨电流的仿真方法，包括以下步骤：步骤1：分部分建模，包括牵引变电所模型、牵引网系统模型、动车组模型、绝缘节模型；步骤2：将步骤1构建的模型按实际的电气耦合关系连接；步骤3：设置仿真工况，得到钢轨电位和电流的分布。进一步的，所述牵引网系统模型中牵引网线路采用基于多导线传输理论的链式模型等值，具体过程如下：s11：根据电流支路，将牵引网分割为若干个串联子网；s12：平行的多导体传输线构成子网中的串联支路，以电流支路作断面，断面间的平行多导线以π型电路进行等效；s13：将牵引网分割为n个部分，分为普通路段和车站路段，各平行导体两两互容、互感耦合，按π型电路进行等效；s14：将分割后的各牵引子网按对应端口串联，构成总体链式网络模型。进一步的，所述牵引网链式模型导体参数的计算过程如下：s21：获取at复线牵引供电系统各导体参数；s22：根据carson公式得到架空线的对地等值自阻抗和两条导线之间的对地等值互阻抗；其中：ri为导线直流电阻，re为大地自身的电阻，rεi为导线的等效半径，dij为导线i与导线j之间的几何距离，f为电流频率，dg为地球等效深度，zii为导线的自阻抗，zij为导线的互阻抗；s23：导线的自电位系数pii和两根导线间的互电位系数pij如下：式中：ε0为空气的介电常数，ri为导线i的等效半径，hi为导线i到地面的高度，dij为导线i和导线j之间的空间距离，dij为导线i和j之间的镜像距离。进一步的，所述步骤1中的动车组模型包括以下内容：高压电缆采用均匀地分布参数模型进行等值，高压电缆线芯等值为电阻电感，电缆线芯与屏蔽层之间存在电容耦合；动车组的车体等值为串联的阻抗；工作接地模型包括车载变压器以及接地碳刷电阻，牵引电流在车载变压器的一次侧通过动车组接地碳刷及接地轮对流入钢轨；保护接地模型等值为连接车体与钢轨的电阻。进一步的，所述步骤3中的仿真工况包括一条侧线上有车经过切断点绝缘节、多条侧线上均有车，并同时经过切断点绝缘节、多条侧线上均有车，在不同时刻经过切断点绝缘节。进一步的，所述步骤1中变电所模型采用工频27.5kv单相交流电源和与其串联的阻抗等值，通过cdegs提取出牵引变电所的接地电阻；接地电阻的提取过程如下：s31：根据牵引网接地情况，通过sescad搭建出牵引变电所接地网结构模型；s32：将牵引变电所视在土壤率输入resap模块，得到该变电所土壤分层结构；s33：将步骤s32得到的土壤结构和步骤s31得到的变电所接地网结构模型导入malz工程模块，提取计算变电所接地参数。进一步的，所述步骤1中绝缘节模型构建过程中，采用单相断路器与开/关断路器组合而成的事件控制元件等值。进一步的，所述步骤s33中提取计算变电所接地参数的过程如下：s41：选取一根水平和接地体作为激励源，设置其激励电流，在与接地网一定距离的位置设置一个返回电极；s42：在接地网与返回电极之间绘制观测线；s43：设置参考电位点，得到接地网水平接地体施加电流点与测量点之间的电位差，取电位差变化最小的观测点，此点的电位差为对地电压，对地电压与激励电流的比值即牵引变电所接地电阻。本发明的有益效果是：(1)本发明仿真方法结合精细的牵引网链式模型和详细的动车组接地系统模型，建立了完整的钢轨电位、电流模型，利用动车组-牵引网等值模型；(2)本发明通过动车组-牵引网等值模型对动车组在车站路段经过切断点绝缘节进行仿真分析，不仅可以考虑单个动车组通过绝缘节的情况，而且可以考虑多个动车组经过时切断点绝缘节两端电位差的变化，获得多种工况下不同位置的钢轨电位与钢轨电流的分布情况。附图说明图1为牵引变电所接地网结构模型示意图。图2为牵引网链式模型示意图。图3为crh380bl型动车组接地系统电气结构示意图。图4为切断点绝缘节模型示意图。图5为动车组-牵引网模型示意图。图6为正线钢轨电压仿真结果示意图。图7为正线钢轨电流仿真结果示意图。图8为列车所在侧线钢轨电压仿真结果示意图。图9为列车所在侧线钢轨电流仿真结果示意图。图10为切断点绝缘节两端电位差仿真结果示意图。图11为切断点绝缘节两端电位差仿真结果示意图。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。一种基于pscad的动车组钢轨电位与钢轨电流的仿真方法，包括以下步骤：步骤1：分部分建模，包括牵引变电所模型、牵引网系统模型、动车组模型、绝缘节模型；牵引变电所模型采用理想的工频27.5kv单相交流电源和与其串联的阻抗等值，并利用cdegs软件提取出某牵引变电所的接地电阻。接地电阻的提取过程如下：s31：根据牵引网接地情况，通过sescad搭建出牵引变电所接地网结构模型，如图1所示；s32：将牵引变电所视在土壤率(如表1所示)输入resap模块，得到该变电所土壤分层结构，如表2所示；s33：将步骤s32得到的土壤结构和步骤s31得到的变电所接地网结构模型导入malz工程模块，提取计算变电所接地参数。表1.牵引变电所视在土壤率极间距a/m视在电阻率ρ/(ω·m)9073.5137084.4465077.2833076.1522070.6231091.3585108.385397.829290.981164.340表2.土壤分层结构层数厚度(m)土壤电阻率(ω·m)反射系数(p.u.)电阻率对比度顶层51.019490.7836760-1.00000.51019e-18中层145.39082.7067920.480482.8597底层74.27206infinite-0.323760.51084提取计算变电所接地参数的过程如下：s41：选取一根水平和接地体作为激励源，设置其激励电流为1000a，在与接地网中心200m的位置设置一个返回电极；s42：在接地网与返回电极之间绘制观测线，每隔10m设置一个观测点；s43：设置参考电位点，得到接地网水平接地体施加电流点与测量点之间的电位差，取电位差变化最小的观测点，此点的电位差为对地电压，对地电压与激励电流1000a的比值即牵引变电所接地电阻。牵引网系统模型中牵引变电所和列车负荷模型间的牵引网线路采用基于多导线传输理论的链式模型等值。考虑由多个普通路段牵引网链式子模型与车站路段牵引网链式子模型串联组成，并针对实际at复线牵引网结构进行导体参数计算。建立基于多导体传输理论的链式模型过程如下：s11：根据电流支路，将牵引网分割为若干个串联子网；牵引变电所、at所、分区所和机车形成的电流支路，将牵引网分割成若干个串联子网的形式，其中各串联子网存在并联支路，例如牵引变压器、机车、at变压器。s12：平行的多导体传输线构成子网中的串联支路，以电流支路作断面，断面间的平行多导线以π型电路进行等效；经过网络划分后，可将各支路阻抗及导纳用m×m阶矩阵表示，m为牵引网平行导体数目。s13：将牵引网分割为n个部分，分为普通路段和车站路段，各平行导体两两互容、互感耦合，按π型电路进行等效；普通路段的子牵引网含上、下行正线的接触网、钢轨、保护线、正馈线和贯通地线，共10条平行导体。车站路段的子牵引网含上、下行的接触网、钢轨、保护线、正馈线、贯通地线，以及分别与上、下行正线相连的侧线处的接触网、钢轨，共14条平行线。其中普通路段牵引网链式子模型如图2所示。s14：将分割后的各牵引子网按对应端口串联，构成总体链式网络模型。牵引网链式模型导体参数的计算过程如下：s21：获取at复线牵引供电系统各导体参数，如表3所示；s22：根据carson公式得到架空线的对地等值自阻抗和两条导线之间的对地等值互阻抗；其中：ri为导线直流电阻，re为大地自身的电阻，rεi为导线的等效半径，dij为导线i与导线j之间的几何距离，f为电流频率，dg为地球等效深度，zii为导线的自阻抗，zij为导线的互阻抗；s23：导线的自电位系数pii和两根导线间的互电位系数pij如下：式中：ε0为空气的介电常数，ri为导线i的等效半径，hi为导线i到地面的高度，dij为导线i和导线j之间的空间距离，dij为导线i和j之间的镜像距离。表3.at复线牵引供电系统各导体参数动车组模型，以crh380bl型动车组为例，采用由动车组高压电缆、动车组车体、动车组工作接地系统和动车组保护接地系统四部分构成的电路模型等值，如图3所示。动车组模型包括以下内容：高压电缆采用均匀地分布参数模型进行等值，高压电缆线芯等值为电阻电感，电缆线芯与屏蔽层之间存在电容耦合；动车组的车体等值为串联的阻抗；工作接地模型包括车载变压器以及接地碳刷电阻，牵引电流在车载变压器的一次侧通过动车组接地碳刷及接地轮对流入钢轨；保护接地模型等值为连接车体与钢轨的电阻。绝缘节模型，列车经过绝缘节是一个动态过程，为实现这一过程，可采用单相断路器与开/关断路器组合而成的事件控制元件等值，如图4所示。步骤2：将步骤1构建的模型按实际的电气耦合关系连接；其中车站路段牵引网链式模型参数参照crh380bl型动车组接地的方式以及其车体轴距进行换算。具体包括以下步骤：s51：将牵引网链式模型切割成若干个牵引子网链式模型，包括普通路段子牵引网以及车站路段子牵引网，各子网按相应端口串联连接。s52：牵引变电所等值模型通过三绕组变压器按复线at供电方式与牵引网链式模型相连接，即上、下行的接触网、钢轨、正馈线分别两两相连，保护线与钢轨相连，二次绕组两端分别连接接触网和钢轨，三次绕组两端分别连接钢轨和正馈线，其中接触网和正馈线连接在变压器的异铭端。s53：动车组等值模型通过工作接地模型以及保护接地模型与牵引网链式模型并联，连接点处为感性耦合，采用电感电阻进行等值。s54：绝缘节等值模型串联在子牵引网链式模型的钢轨端口处，与动车组等值模型并联。将所有模块按实际电气耦合关系连接后得到的动车组-牵引网整体模型如图5所示。车站路段牵引网链式模型参数换算包括如下：参照表4给出的crh380bl型动车组各车体轴距参数，计算车站路段牵引网子网模型切断距离，2号车2轴轮对中心点至7号车3轴轮对中心点之间为：d2_7＝19.86+24.84×4+19.86＝139.08m7号车3轴轮对中心点至8号车3轴轮对中心点之间为：d7_8＝2.5+2.48+2.48+2.5+7.44+7.44＝24.84m9号车2轴轮对中心点至10号车2轴轮对中心点之间为：d9_10＝7.44+7.44+2.5+2.48+2.48+2.5＝24.84m10号车3轴轮对中心点至15号车2轴轮对中心点之间为：d10_15＝4.98+24.84×4+4.98＝109.32m将计算得到的各段距离与牵引网阻抗与分布电容矩阵相乘，即可得到各牵引子网换算后的电气参数。表4.crh380bl型动车组各车体轴距参数步骤3：设置仿真工况，得到钢轨电位和电流的分布。仿真工况包括一条侧线上有车经过切割点绝缘节、多条侧线上均有车，并同时经过切割点绝缘节、多条侧线上均有车，在不同时刻经过切割点绝缘节。在不同工况下进行仿真，对不同位置的钢轨电位和钢轨电流进行测试，可得到钢轨电位和电流的分布情况。按照本发明方法，针对一条侧线上有车经过切断点绝缘节这一工况进行仿真，可得正线处钢轨电位、钢轨电流与动车组所在侧线处钢轨电位、钢轨电流以及切断点绝缘节两端电位差的分布情况，分别如图6、图7、图8、图9、图10和图11所示。从仿真结果可以看出当列车过切断点绝缘节时，由于泄流轮对接通结缘节右侧钢轨，增加了电流流回牵引变电所的路径，正线钢轨电压电流幅值增大。而列车所在侧线钢轨电压电流幅值由于牵引电流的分流而降低。绝缘节两端电位差的仿真结果反映了动车组接地泄流轮对跨接切断点绝缘节的三个暂态过程，分别为轮对到达切断点前、跨接绝缘节两端钢轨以及离开切断点。由于切断点处相当于断路，所以其两端钢轨电位差在轮对到达切断点前很大。泄流轮对跨接绝缘节两端钢轨相当于将短路接通，因此绝缘节两端钢轨电位差几乎骤降为0v。牵引电流在轮对离开切断点绝缘节的一瞬间被瞬间切断，并于轮对离开钢轨的一侧产生电弧。轮对离开切断点后，绝缘节两端钢轨通过两相邻泄流轮对间的车体连接。所以其电位差相对于泄流轮对跨接绝缘节的情况下幅值有所回升。本发明提供一种应用于电气化铁路、at供电方式、考虑牵引网与动车组耦合的钢轨电位和钢轨电流的计算方法。结合牵引网导体以及crh380bl型动车组电气结构的实际情况，基于pscad软件搭建了动车组-牵引网一体化等值模型，该动车组-牵引网等值模型详细考虑了牵引变电所的接地参数、at供电方式下牵引网中导体的容性耦合和感性耦合、crh380bl型动车组的接地系统。首次考虑了精细的牵引网链式模型与详细的动车组接地模型之间的耦合关系。利用车-网等值模型对动车组在车站路段经过切断点绝缘节进行仿真分析。不仅可以考虑单个动车组通过绝缘节的情况，而且可以考虑多个动车组经过时切断点绝缘节两端电位差的变化，进而获得多种工况下钢轨电位与钢轨电流的分布情况。当前第1页12