一种城市轨道地铁暂态传导EMI建模方法及电路模型

一种城市轨道地铁暂态传导emi建模方法及电路模型
技术领域
1.本发明属于城市轨道地铁电磁兼容技术领域，具体涉及一种城市轨道地铁暂态传导emi建模方法及电路模型。


背景技术：

2.近年来，随着电气化铁路的快速发展，城市轨道地铁的传导电磁干扰（emi）也越来越严重，对地铁的安全运行有一定影响。其传导电磁干扰不仅有稳态电磁干扰，并且有暂态电磁干扰。传统的emi建模技术缺乏暂态emi干扰源模型，缺乏暂态emi阻抗，更没有专门针对城市轨道地铁暂态传导emi电路模型的计算与分析，所以，对城市轨道地铁的暂态emi根本无法描述，缺乏研究基础，目前无法对轨道交通的暂态传导emi干扰进行分析和预测，针对该现状，急需建立城市轨道地铁暂态传导emi电路模型。


技术实现要素：

3.基于上述背景技术中存在的问题，本发明提出一种城市轨道地铁暂态传导emi建模方法及电路模型，具体如下：一种城市轨道地铁暂态传导emi建模方法，包括如下步骤：步骤s1、构建城市轨道地铁运行过程供电电路原理图；步骤s2、根据城市轨道地铁运行过程供电电路原理图建立城市轨道地铁暂态传导emi模型，具体为：确定牵引变电所的等效电压源；确定牵引变电所的等效阻抗；确定高速断路器的等效电压源；确定防雷接地的阻抗；确定接触网的等效阻抗；确定刹车优先系统的等效电压源；确定电流互感器高频等效阻抗；确定接触器的等效电压源；确定线路电抗器的高频等效阻抗；确定牵引系统中高频等效阻抗；确定铁轨的阻抗；步骤s3、根据城市轨道地铁暂态传导emi模型图分别建立以牵引变电所、刹车优先系统、高速断路器、接触器为干扰源的四种等效电路；进一步地，所述步骤s1中的供电电路原理具体为：将牵引变电所与接触网连接，使供电到达受电弓并进一步连接刹车优先系统，使用电流互感器、高速断路器及接触器，实现回路中电流的检测以选择相应的保护措施，再依次连通线路电抗器、牵引系统及三相电机，通过铁轨回流到牵引变电所。
4.进一步地，步骤s2中，所述牵引变电所的等效电压源由以下公式确定：；其中：为牵引变电所整流输出的电压值，为牵引变电所整流输出电压的脉波数，为基波频率，取50hz，为整数，k取，，...，，t为时间；步骤s2中，所述高速断路器的等效电压源的确定步骤如下：首先，确定高速断路器的关断电压：；其中，为高速断路器关断后电压开始振荡的时刻，表示的是阶跃函数，表示的是高速断路器关断后首次振荡产生的过电压幅值，表示关断振荡时的振荡角频率，表示关断振荡时的阻尼系数，表示第j次关断振荡结束的时刻，表示关断振荡次数；然后，确定高速断路器的开通电压：；其中：为高速断路器开通后开始振荡的时刻，表示的是阶跃函数，表示的是高速断路器开通后首次振荡产生的过电压幅值，表示开通振荡时的振荡频率，表示开通振荡时的阻尼系数，表示第次开通振荡结束的时刻，表示开通振荡时的次数；最后，所述高速断路器的等效电压源；步骤s2中，所述刹车优先系统的等效电压源的确定步骤如下：首先，确定刹车优先系统的关断电压：；其中，为刹车优先系统关断后电压开始振荡的时刻，表示的是阶跃函数，表示的是刹车优先系统关断后首次振荡产生的过电压幅值，表示关断振荡时的振荡角频率，表示关断振荡时的阻尼系数，表示第j次关断振荡结束的时刻，表示关断振荡次数；然后，确定刹车优先系统的开通电压：
；其中，为刹车优先系统开通后开始振荡的时刻，表示的是阶跃函数，表示的是刹车优先系统开通后首次振荡产生的过电压幅值，表示开通振荡时的振荡频率，表示开通振荡时的阻尼系数，表示第次开通振荡结束的时刻，表示开通振荡时的次数；最后，所述刹车优先系统的等效电压源；步骤s2中，所述确定接触器的等效电压源的确定步骤如下：首先，确定接触器的关断电压：；其中，为接触器关断后电压开始振荡的时刻，表示的是阶跃函数，表示的是接触器关断后首次振荡产生的过电压幅值，表示接触器关断振荡时的振荡角频率，表示接触器关断振荡时的阻尼系数，表示接触器第j次关断振荡结束的时刻，表示接触器关断振荡的次数；然后，确定接触器的开通电压：；其中，为接触器开通后开始振荡的时刻，表示的是阶跃函数，表示的是接触器开通后首次振荡产生的过电压幅值，表示接触器开通振荡时的振荡频率，表示接触器开通振荡时的阻尼系数，表示第次开通振荡结束的时刻，表示接触器开通振荡时的次数；最后，所述接触器的等效电压源。
5.进一步地，步骤s2中，所述确定牵引变电所的等效阻抗由以下公式确定：；其中，为牵引变电所整流输出的放电电阻，为牵引变电所整流输出的稳压电容，j为虚数的单位，为角频率；步骤s2中，所述确定防雷接地的阻抗由以下公式确定：
；其中，是防雷接地装置的电阻率，是防雷接地装置的横截面积，是防雷接地装置的长度，是防雷接地装置的接地部分的深度；步骤s2中，所述确定接触网的等效阻抗由以下公式确定：；其中，为等效半径系数，取0.8，为接触网的电阻率，为轨道地铁距离牵引变电所的距离，为接触网的最大半径，为频率，为接触网的相对磁导率，为真空磁导率，为接触网的电导率；步骤s2中，所述确定电流互感器高频等效阻抗由以下公式确定：；其中，是电流互感器副边匝数，是电流互感器副边负载的等效阻抗，是电流互感器副边线圈的等效电感；步骤s2中，所述确定线路电抗器的高频等效阻抗由以下公式确定：；其中，为线路电抗器的等效电感，为线路电抗器高频等效寄生电阻，为线路电抗器高频等效寄生电容；步骤s2中，所述确定牵引系统中高频等效阻抗由以下公式确定：；其中，为电容的高频等效电容，是电容高频等效电阻，是电容高频等效电感，是电阻高频等效电阻，是电阻高频等效电感，是电阻高频等效电容；步骤s2中，所述确定铁轨的阻抗由以下公式确定：；其中，是铁轨的电阻率，是轨道地铁距离牵引变电所的距离，为铁轨的等效
半径，为频率，为铁轨的磁导率，为铁轨的电导率。
6.进一步地，以所述牵引变电所为干扰源的等效电路总阻抗表示为：；所以，；其中，是牵引变电所等效的电压源，是牵引变电所的等效阻抗，是防雷接地的阻抗，是接触网的等效阻抗，是电流互感器的高频等效阻抗，是线路电抗器的高频等效阻抗，是牵引系统的高频等效阻抗，是铁轨的等效阻抗，是以牵引变电所为干扰源的等效回路中的电流。
7.进一步地，以所述刹车优先系统为干扰源的等效电路总阻抗表示为：；所以，；其中，是刹车优先系统的等效电压源，是牵引变电所的等效阻抗，是防雷接地的阻抗，是接触网的等效阻抗，是电流互感器的高频等效阻抗，是线路电抗器的高频等效阻抗，是牵引系统的高频等效阻抗，是铁轨的等效阻抗，是以刹车优先系统为干扰源的等效回路中的电流。
8.进一步地，以所述高速断路器为干扰源的等效电路总阻抗表示为：；所以，；其中，是高速断路器的等效电压源，是牵引变电所的等效阻抗，是防雷接地的阻抗，是接触网的等效阻抗，是电流互感器的高频等效阻抗，是线路电抗器的高频等效阻抗，是牵引系统的高频等效阻抗，是铁轨的等效阻抗，是以高速断路器为干扰源的等效回路中的电流。
9.进一步地，以所述接触器为干扰源的等效电路总阻抗表示为：；所以，；其中，是接触器的等效电压源，是牵引变电所的等效阻抗，是防雷接地的阻抗，是接触网的等效阻抗，是电流互感器的高频等效阻抗，是线路电抗器的高频等效阻抗，是牵引系统的高频等效阻抗，是铁轨的等效阻抗，是以接触器为干扰源的等效回路中的电流。
10.使用城市轨道地铁暂态传导emi建模方法制成的一种城市轨道地铁暂态传导emi电路模型，所述城市轨道地铁暂态传导emi电路模型依据城市轨道地铁运行过程供电电路原理图建立，结构具体为：牵引变电所通过第一回流线经过防雷接地装置与交流接触网连接，供电通过所述交流接触网与受电弓进行连接，再通过所述第一回流线与刹车优先系统连接，再与高速断路器连接，所述高速断路器再与电流互感器连接，所述电流互感器通过对线缆的电流进行检测，之后所述电流互感器与接触器连接，所述接触器对回路中的电流进行检测判断，进而选择相应的保护措施，所述接触器再通过线路电抗器与牵引系统相连接，再通过三相电缆端口u、v、w与三相电机相连接，再通过铁轨经第二回流线回到牵引变电所。
11.本发明的有益效果为：通过建立一种城市轨道地铁暂态传导emi建模方法及电路模型，对暂态干扰源的识别以及对传导emi干扰回路的建模，能准确描述城市轨道地铁的暂态传导emi特性，为城市轨道暂态传导emi的研究提供研究基础，可以更好的为消除轨道地铁暂态电磁干扰的研究提供理论基础，为轨道地铁暂态传导emi问题提供研究手段。
附图说明
12.图1是本发明城市轨道地铁供电环境模型图；图2是本发明城市轨道地铁运行过程供电结构图；图3是本发明城市轨道地铁运行过程供电电路原理图；图4是本发明城市轨道地铁暂态传导emi模型图；图5是本发明城市轨道地铁以牵引变电所为干扰源形成的传导emi等效电路图；图6是本发明城市轨道地铁以刹车优先系统为干扰源形成的暂态传导emi等效电路图；图7是本发明城市轨道地铁以高速断路器为干扰源形成的暂态传导emi等效电路图；图8是本发明城市轨道地铁以接触器为干扰源形成的暂态传导emi等效电路图；图中：1、车头tcⅰ；2、有受电弓的车厢mpⅰ；3、无受电弓的车厢mⅰ；4、无受电弓的车厢mⅱ；5、有受电弓的车厢mpⅱ；6、车头tcⅱ；7、受电弓ⅰ；8、受电弓ⅱ；9、接触网；10、铁轨；
11、牵引变电所a；12、防雷接地装置；13、回流线ⅰ；14、轨道地铁；15、回流线ⅱ；16、刹车优先系统；17、高速断路器；18、电流互感器；19、接触器；20、线路电抗器；21、牵引系统；22、三相电缆端口u、v、w；23、三相电机。
具体实施方式
13.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。
14.本发明提供了一种城市轨道地铁14暂态传导emi建模方法及电路模型，结合参阅图1的城市轨道地铁14供电环境模型图，是本发明应用场景的一种示例，该供电环境模型中，列车由6节车厢组成，由2列车头tc（分别为车头tcⅰ1及车头tcⅱ6）、2列有受电弓车厢、2列无受电弓车厢组成。城市轨道地铁14动车组分别通过受电弓ⅰ7和受电弓ⅱ8从接触网9获取1500v，50hz的电能，然后受电弓ⅰ7将电能传递给有受电弓的车厢mpⅰ2，再经过有受电弓的车厢mpⅰ2传递给无受电弓的车厢mⅰ3，受电弓ⅱ8将电能传输给有受电弓的车厢mpⅱ5，再经过有受电弓的车厢mpⅱ5传递给无受电弓车厢mⅱ4，来负责整车的驱动和供电。
15.结合参阅附图2本发明城市轨道地铁14运行过程供电结构图，建立xy坐标轴。牵引变电所a11通过回流线ⅰ13经过防雷接地装置12与接触网9连接，供电通过接触网9与受电弓ⅰ7进行连接，受电弓ⅰ7与轨道地铁14进行连接，再通过铁轨10经回流线ⅱ15回到牵引变电所a11。其中轨道地铁14与牵引变电所a11之间的距离为l1，牵引变电所a11与y轴之间的距离为l2。
16.图3为本发明城市轨道地铁14运行过程供电电路原理图，结合参阅附图3进行供电电路原理的详细分析，其中牵引变电所a11通过回流线ⅰ13经过防雷接地装置12与接触网9连接，供电通过交流接触网9与受电弓ⅰ7进行连接，再通过回流线ⅰ13与刹车优先系统16连接，再与高速断路器17连接，高速断路器17再与电流互感器18连接，电流互感器18通过对线缆的电流进行检测，之后电流互感器18与接触器19连接，接触器19对回路中的电流进行检测判断，进而选择相应的保护措施，再通过线路电抗器20与牵引系统21相连接，再通过三相电缆端口u、v、w22与三相电机23相连接，再通过铁轨10经回流线ⅱ15回到牵引变电所a11。
17.本发明提供了一种城市轨道地铁14暂态传导emi电路模型，参阅附图4是本发明城市轨道地铁14暂态传导emi模型图，附图4的模型图依据图3的本发明城市轨道地铁14运行过程供电电路原理图建立，城市轨道地铁14暂态传导emi电路模型结构具体为：牵引变电所通过第一回流线经过防雷接地装置12与交流接触网9连接，供电通过所述交流接触网9与受电弓进行连接，再通过所述第一回流线与刹车优先系统16连接，再与高速断路器17连接，所述高速断路器17再与电流互感器18连接，所述电流互感器18通过对线缆的电流进行检测，之后所述电流互感器18与接触器19连接，所述接触器19对回路中的电流进行检测判断，进而选择相应的保护措施，所述接触器19再通过线路电抗器20与牵引系统21相连接，再通过三相电缆端口u、v、w22与三相电机23相连接，再通过铁轨10经第二回流线回到牵引变电所。
18.本模型中，是牵引变电所等效的电压源；是牵引变电所的等效阻抗；是防雷接地的阻抗；是接触网9的等效阻抗；是刹车优先系统16的等效电压源；是高速断路器17的等效电压源；是电流互感器18的高频等效阻抗；是接触器19的等效
电压源；是线路电抗器20的高频等效阻抗；是牵引系统21的高频等效阻抗；是铁轨10的等效阻抗。
19.本发明的一种城市轨道地铁14暂态传导emi建模方法，包括如下步骤：步骤s1、构建城市轨道地铁14运行过程供电电路原理图，供电电路原理具体为：将牵引变电所与接触网9连接，使供电到达受电弓并进一步连接刹车优先系统16，使用电流互感器18、高速断路器17及接触器19，实现回路中轨道地铁14电流的检测以选择相应的保护措施，再依次连通线路电抗器20、牵引系统21及三相电机23，通过铁轨10回流到牵引变电所。
20.步骤s2、根据城市轨道地铁运行过程供电电路原理图建立城市暂态传导emi模型，具体为：确定牵引变电所的等效电压源；确定牵引变电所的等效阻抗；确定高速断路器17的等效电压源；确定防雷接地的阻抗；确定接触网9的等效阻抗；确定刹车优先系统16的等效电压源；确定电流互感器18高频等效阻抗；确定接触器19的等效电压源；确定线路电抗器20的高频等效阻抗；确定牵引系统21中高频等效阻抗；确定铁轨10的阻抗。
21.步骤s2中，牵引变电所的等效电压源由以下公式确定：；其中：为牵引变电所整流输出的电压值，为牵引变电所整流输出电压的脉波数，为基波频率，取50hz，为整数，k取，，...，，t为时间。
22.步骤s2中，确定牵引变电所的等效阻抗由以下公式确定：；其中，为牵引变电所整流输出的放电电阻，为牵引变电所整流输出的稳压电容，j为虚数的单位，为角频率。
23.步骤s2中，高速断路器17的等效电压源的确定步骤如下：首先，确定高速断路器17的关断电压：；
其中，为高速断路器17关断后电压开始振荡的时刻，表示的是阶跃函数，表示的是高速断路器17关断后首次振荡产生的过电压幅值，表示关断振荡时的振荡角频率，表示关断振荡时的阻尼系数，表示第j次关断振荡结束的时刻，表示关断振荡次数；然后，确定高速断路器17的开通电压：；其中：为高速断路器17开通后开始振荡的时刻，表示的是阶跃函数，表示的是高速断路器17开通后首次振荡产生的过电压幅值，表示开通振荡时的振荡频率，表示开通振荡时的阻尼系数，表示第次开通振荡结束的时刻，表示开通振荡时的次数；最后，高速断路器17的等效电压源。
24.步骤s2中，确定防雷接地的阻抗由以下公式确定：；其中，是防雷接地装置12的电阻率，是防雷接地装置12的横截面积，是防雷接地装置12的长度，是防雷接地装置12的接地部分的深度。
25.步骤s2中，确定接触网9的等效阻抗由以下公式确定：；其中，为等效半径系数，取0.8，为接触网9的电阻率，为轨道地铁14距离牵引变电所的距离，为接触网9的最大半径，为频率，为接触网9的相对磁导率，为真空磁导率，为接触网9的电导率。
26.步骤s2中，刹车优先系统16的等效电压源的确定步骤如下：首先，确定刹车优先系统16的关断电压：
；其中，为刹车优先系统16关断后电压开始振荡的时刻，表示的是阶跃函数，表示的是刹车优先系统16关断后首次振荡产生的过电压幅值，表示关断振荡时的振荡角频率，表示关断振荡时的阻尼系数，表示第j次关断振荡结束的时刻，表示关断振荡次数；然后，确定刹车优先系统16的开通电压：；其中，为刹车优先系统16开通后开始振荡的时刻，表示的是阶跃函数，表示的是刹车优先系统16开通后首次振荡产生的过电压幅值，表示开通振荡时的振荡频率，表示开通振荡时的阻尼系数，表示第次开通振荡结束的时刻，表示开通振荡时的次数；最后，所述刹车优先系统16的等效电压源。
27.步骤s2中，确定电流互感器18高频等效阻抗由以下公式确定：；其中，是电流互感器18副边匝数，是电流互感器18副边负载的等效阻抗，是电流互感器18副边线圈的等效电感。
28.步骤s2中，确定接触器19的等效电压源的确定步骤如下：首先，确定接触器19的关断电压：；其中，为接触器19关断后电压开始振荡的时刻，表示的是阶跃函数，表示的是接触器19关断后首次振荡产生的过电压幅值，表示接触器19关断振荡时的振荡角频率，表示接触器19关断振荡时的阻尼系数，表示接触器19第j次
关断振荡结束的时刻，表示接触器19关断振荡的次数；然后，确定接触器19的开通电压：；其中，为接触器19开通后开始振荡的时刻，表示的是阶跃函数，表示的是接触器19开通后首次振荡产生的过电压幅值，表示接触器19开通振荡时的振荡频率，表示接触器19开通振荡时的阻尼系数，表示第次开通振荡结束的时刻，表示接触器19开通振荡时的次数；最后，所述接触器19的等效电压源。
29.步骤s2中，确定线路电抗器20的高频等效阻抗由以下公式确定：；其中，为线路电抗器20的等效电感，为线路电抗器20高频等效寄生电阻，为线路电抗器20高频等效寄生电容。
30.步骤s2中，确定牵引系统21中高频等效阻抗由以下公式确定：；其中，为电容的高频等效电容，是电容高频等效电阻，是电容高频等效电感，是电阻高频等效电阻，是电阻高频等效电感，是电阻高频等效电容。
31.步骤s2中，确定铁轨10的阻抗由以下公式确定：；
其中，是铁轨10的电阻率，是轨道地铁14距离牵引变电所的距离，为铁轨10的等效半径，为频率，为铁轨10的磁导率，为铁轨10的电导率。
32.步骤s3、根据城市轨道地铁14暂态传导emi模型图分别建立以牵引变电所、刹车优先系统16、高速断路器17、接触器19为干扰源的四种等效电路。
33.结合参阅附图5本发明城市轨道地铁14以牵引变电所为干扰源形成的传导emi等效电路图，以牵引变电所为干扰源的等效电路总阻抗表示为：；其中，是牵引变电所等效的电压源，是牵引变电所的等效阻抗，是防雷接地的阻抗，是接触网9的等效阻抗，是电流互感器18的高频等效阻抗，是线路电抗器20的高频等效阻抗，是牵引系统21的高频等效阻抗，是铁轨10的等效阻抗，是以牵引变电所为干扰源的等效回路中的电流。建立本发明城市轨道地铁14以牵引变电所为干扰源形成的传导emi等效电路图可以明晰以牵引变电所为干扰源的城市轨道地铁14传导emi的干扰回路，并能计算出牵引变电所在干扰回路中的干扰电流，可以更加准确的描述城市轨道地铁14暂态传导emi特性，为城市轨道暂态传导emi的研究提供研究基础，为抑制整车暂态传导emi问题提供研究方法。
34.结合参阅附图6本发明城市轨道地铁14以刹车优先系统16为干扰源形成的暂态传导emi等效电路图，以刹车优先系统16为干扰源的等效电路总阻抗表示为：；所以，；其中，是刹车优先系统16的等效电压源，是牵引变电所的等效阻抗，是防雷接地的阻抗，是接触网9的等效阻抗，是电流互感器18的高频等
效阻抗，是线路电抗器20的高频等效阻抗，是牵引系统21的高频等效阻抗，是铁轨10的等效阻抗，是以刹车优先系统16为干扰源的等效回路中的电流。建立本发明城市轨道地铁14以刹车优先系统16为干扰源形成的暂态传导emi等效电路图可以明晰以刹车优先系统16为干扰源的城市轨道地铁14传导emi的干扰回路，并能计算出刹车优先系统16在干扰回路中的干扰电流，可以更加准确的描述城市轨道地铁14暂态传导emi特性，为城市轨道暂态传导emi的研究提供研究基础，为抑制整车暂态传导emi问题提供研究方法。
35.结合参阅附图7本发明城市轨道地铁14以高速断路器17为干扰源形成的暂态传导emi等效电路图，以高速断路器17为干扰源的等效电路总阻抗表示为：；所以，；其中，是高速断路器17的等效电压源，是牵引变电所的等效阻抗，是防雷接地的阻抗，是接触网9的等效阻抗，是电流互感器18的高频等效阻抗，是线路电抗器20的高频等效阻抗，是牵引系统21的高频等效阻抗，是铁轨10的等效阻抗，是以高速断路器17为干扰源的等效回路中的电流。建立本发明城市轨道地铁14以高速断路器17为干扰源形成的暂态传导emi等效电路图可以明晰以高速断路器17为干扰源的城市轨道地铁14传导emi的干扰回路，并能计算出高速断路器17在干扰回路中的干扰电流，可以更加准确的描述城市轨道地铁14暂态传导emi特性，为城市轨道暂态传导emi的研究提供研究基础，为抑制整车暂态传导emi问题提供研究方法。
36.结合参阅附图8本发明城市轨道地铁14以接触器19为干扰源形成的暂态传导emi等效电路图，以接触器19为干扰源的等效电路总阻抗表示为：；所以，；其中，是接触器19的等效电压源，是牵引变电所的等效阻抗，是防雷接地的阻抗，是接触网9的等效阻抗，是电流互感器18的高频等效阻抗，
是线路电抗器20的高频等效阻抗，是牵引系统21的高频等效阻抗，是铁轨10的等效阻抗，是以接触器19为干扰源的等效回路中的电流。建立本发明城市轨道地铁14以接触器19为干扰源形成的暂态传导emi等效电路图可以明晰以接触器19为干扰源的城市轨道地铁14传导emi的干扰回路，并能计算出接触器19在干扰回路中的干扰电流，可以更加准确的描述城市轨道地铁14暂态传导emi特性，为城市轨道暂态传导emi的研究提供研究基础，为抑制整车暂态传导emi问题提供研究方法。
37.本发明通过建立一种城市轨道地铁14暂态传导emi建模方法及电路模型，对暂态干扰源的识别以及对传导emi干扰回路的建模，能准确描述城市轨道地铁14的暂态传导emi特性，为城市轨道暂态传导emi的研究提供研究基础，可以更好的为消除轨道地铁14暂态电磁干扰的研究提供理论基础，为轨道地铁14暂态传导emi问题提供研究手段。
38.前述电路描述、连接关系仅用于示例性说明，在实际依据电路实施中不能理解为对本专利的限制；显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。