一种列车过分相车-网-桥耦合模型构建方法技术

本发明专利技术提出一种列车过分相车‑网‑桥耦合模型构建方法，基于已有的高架桥路段过分相的车‑网‑桥耦合模型，在构建高架桥路段过分相模型时结合高架桥接地宽频模型，考虑了除接触网导体外的其他牵引网导体电流也会在桥墩回路产生感应电压，细化牵引网供电回路在桥墩回路中感应电压的计算方法。本发明专利技术所建立的高架桥路段列车过分相车‑网‑桥模型扩展和细化了高架桥路段过分相模型中的高架桥部分，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。

【技术实现步骤摘要】
一种列车过分相车-网-桥耦合模型构建方法
本专利技术涉及电气化铁路
，具体为一种列车过分相车-网-桥耦合模型构建方法。
技术介绍
牵引供电系统通过接触网实现列车的单相供电。为改善三相不平衡供电，接触网多釆用分相分段供电方式，电分相结构是电气化铁路接触网实现相-相间电气隔离的重要途径。随着列车的大功率、高速化发展，高速铁路自动过分相技术已暴露出新的电磁暂态问题。由于动车组过车载自动断电电分相中主断路器处于断开状态，高速列车过分相电磁暂态使受电弓弓头产生较严重的过电压，威胁行车安全。中国高铁在近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。针对高架桥路段列车过分相方面的研究，已有学者通常使用建模求解的方法。其中，电气接地系统的拓扑及参数确定是建立模型的重要步骤。已有针对高架桥路段的牵引网电气模型往往对高架桥电气接地进行单一的阻抗等效。由于高速列车过分相电磁暂态过程产生的过电压存在大量的高频分量，高架桥接地钢筋产生明显的集肤效应。在此过程中高架桥接地阻抗呈现非线性畸变，单一的阻抗等效不能反映高架桥的电气接地特性。此外，已有针对高架桥路段列车过分相的建模方法只考虑了接触网电流在桥墩回路上产生的感应电压，忽略了牵引网其他导线电流(如回流线、贯通地线)也会在桥墩回路上产生感应电压的实际。鉴于此，有必要在采用一种计及高架桥接地宽频特性的列车过分相车-网-桥耦合模型构建方法的基础上，更详细考虑牵引网供电回路与桥墩回路之间的耦合关系，进而对高架桥路段列车过分相电磁暂态进行精确的仿真分析。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种计及高架桥接地宽频特性的列车过分相车-网-桥耦合模型构建方法，该模型全面考虑高架桥电气接地的宽频特性；在已有研究基础上更详细考虑牵引网供电回路与桥墩回路的耦合关系，可以应用于电气化铁路高架桥路段过分相暂态过程的研究。技术方案如下：一种列车过分相车-网-桥耦合模型构建方法，包括如下步骤：步骤1：构建高架桥接地宽频模型：在软件中建立完整的高架桥钢筋模型，通过软件仿真计算高架桥综合接地系统的频率特性；依据矢量匹配法得到高架桥的等值电路网络，根据高架桥综合接地系统频率特性，结合粒子群算法对等值电路网络进行参数拟合，计算得到高架桥接地宽频模型的具体参数；步骤2：建立受控源模块反映牵引网供电回路在桥墩回路中的感应电压：基于电磁场理论，将牵引网各导线等效为无限长直导线；根据牵引网各导线的位置分布和电流分配情况，计算牵引网供电回路与桥墩回路互感耦合系数；用受控源反映牵引网供电回路在桥墩回路中的感应电压；步骤3：构建计及高架桥接地宽频特性的列车过分相车-网-桥耦合模型：基于已有的路基路段过分相车-网耦合模型，结合所述高架桥接地宽频模型和受控源模块构建高架桥路段列车过分相车-网-桥耦合模型。进一步的，所述计算高架桥综合接地系统的频率特性具体方法包括：采用CDEGS软件中的SESCAD模块建立高架桥钢筋结构模型；在接地模型与远端返回电极之间注入电流，并在两者之间设置一系列电位测量点，通过测量得到接地网与测量点位置之间的电位降曲线；该电位降曲线中出现的平滑部分对应的测量点视为零电位点，接地模型相对该点电位视为对地电压；该对地电压与注入电流的比值即为接地模型的接地阻抗值；改变注入电流的频率得到0～10MHz的高架桥电气接地的阻抗频率特性。更进一步的，所述计算得到高架桥接地宽频模型的具体参数的方法包括：采用矢量匹配法对求解得到的高架桥综合接地的阻抗频率特性进行逼近，获得与阻抗频率相对应的有理函数；逼近函数表达式为：式中，cn、pn、d和e为待求解未知数；cn和pn为实数或共轭复数对；d和e为实数；f(s)为已知的高架桥综合接地系统阻抗频率响应；s为复频率；N表示逼近函数中一阶有理分式的个数，视高架桥综合接地阻抗频率特性而定。逼近函数等值电路包括M路由电阻Rr与电感Lr串联的支路，以及(N-M)/2路由电阻Rh、电感Lh与并联的电阻Gh和电容Ch串联的混合支路，以上M路串联支路与(N-M)/2路混合支路并联，并同时与电阻R0和电容C0并联；则高架桥综合接地系统等值电路阻抗计算式为：式中，ω表示频率，Y0表示R0、C0的并联导纳，Yi表示所有Rr与Lr串联支路的并联导纳，Yj表示所有Rh、Lh、Ch、Gh混合支路的并联导纳，Z表示等值电路阻抗；下标中的k表示第k路支路。粒子群算法每次迭代过程中将当前粒子的适应值与目标适应值进行比较，适应值函数如下：Si＝(real(Zmm(i)-real(z(i)))2+(imag(Zmm(i)-imag(z(i)))2式中，Zmm(i)为阻抗频率响应，代表不同频率下经过CDEGS软件所得到的接地系统阻抗值；z(i)代表粒子群算法中当前粒子所计算出的电阻值，是以等值电路中各原件参数值为变量的函数；Si代表某频率下，当前粒子所求出的阻抗值与该频率下阻抗值的实部与虚部差的平方和；S代表各频率下Si的和，其阻抗值为含虚部的复数；以适应值等于零为优化目标，求出有效解。更进一步的，所述计算牵引网供电回路与桥墩回路互感耦合系数的方法包括：在带回流线的直接供电系统中，接触线在高架桥桥墩回路中的感应磁通量表示为：式中，μ0代表磁导率；d1为接触线相对地面高度，h为高架桥下桥面相对地面高度，k1为接触线JW的电流分配系数，I为负荷电流，l为高架桥上所对应的线路长度；同理，承力索、钢轨、贯通地线和回流线在高架桥桥墩回路中感应磁通量φ1、φ2、φ3、φ4分别为：式中，d2、d3、d4、d5分别为承力索、钢轨、贯通地线和回流线相对地面高度；k2、k3、k4、k5分别为承力索、钢轨、贯通地线和回流线的的电流分配系数；确定磁通正方向，则桥墩回路中走过的磁通量表示为：Φ＝-Φ1-Φ2+Φ3+Φ4+Φ5因此，供电回路与桥墩回路的互感耦合系数为：本专利技术的有益效果是：本专利技术提出了一种计及高架桥接地宽频特性的列车过分相车-网-桥耦合模型构建方法，由于高架桥接地钢筋在过分相暂态过电压高频分量下会产生集肤效应，该方法首次在构建高架桥路段过分相模型考虑高架桥电气接地的宽频模型；同时，依据牵引网供电回路与桥墩回路的具体耦合情况，本专利技术在牵引网各导线电流在桥墩回路中感应电压的计算方法上不仅考虑了接触网电流会在桥墩回路上产生的感应电压，也考虑了牵引网其他导线电流(如回流线、贯通地线)也会在桥墩回路上产生感应电压的实际。本专利技术所建立的模型扩展和细化了高架桥路段过分相模型中的高架桥部分，可全面反映高架桥对于列车过分相暂态过程的影响，更贴近实际运行工况。附图说明图1为高架桥钢筋结构示意图。图2为电势降法测量接地电阻示意图。图3为逼近函数等值电路。图4为高架桥桥墩磁场分布图。图5为带回流线的直接供电方式接触网牵引网横截面。图6为计及高架桥接地宽频特性的列车过分相车-网-桥耦合模型。图7为本专利技术的过分相电压仿真波形。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步详细说明。下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步详细阐述。本专利技术基于已有的列车过分相车-网耦合模型，细化和扩展了高架桥路段过分相模型中的高架桥部分：依据高架桥电气接地的宽频特性，构建高架桥接地宽频模型。同时，依据牵引网供电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种列车过分相车‑网‑桥耦合模型构建方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：构建高架桥接地宽频模型：在软件中建立完整的高架桥钢筋模型，通过软件仿真计算高架桥综合接地系统的频率特性；依据矢量匹配法得到高架桥的等值电路网络，根据高架桥综合接地系统频率特性，结合粒子群算法对等值电路网络进行参数拟合，计算得到高架桥接地宽频模型的具体参数；步骤2：建立受控源模块反映牵引网供电回路在桥墩回路中的感应电压：基于电磁场理论，将牵引网各导线等效为无限长直导线；根据牵引网各导线的位置分布和电流分配情况，计算牵引网供电回路与桥墩回路互感耦合系数；用受控源反映牵引网供电回路在桥墩回路中的感应电压；步骤3：构建计及高架桥接地宽频特性的列车过分相车‑网‑桥耦合模型：基于已有的路基路段过分相车‑网耦合模型，结合所述高架桥接地宽频模型和受控源模块构建高架桥路段列车过分相车‑网‑桥耦合模型。

【技术特征摘要】
1.一种列车过分相车-网-桥耦合模型构建方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：构建高架桥接地宽频模型：在软件中建立完整的高架桥钢筋模型，通过软件仿真计算高架桥综合接地系统的频率特性；依据矢量匹配法得到高架桥的等值电路网络，根据高架桥综合接地系统频率特性，结合粒子群算法对等值电路网络进行参数拟合，计算得到高架桥接地宽频模型的具体参数；步骤2：建立受控源模块反映牵引网供电回路在桥墩回路中的感应电压：基于电磁场理论，将牵引网各导线等效为无限长直导线；根据牵引网各导线的位置分布和电流分配情况，计算牵引网供电回路与桥墩回路互感耦合系数；用受控源反映牵引网供电回路在桥墩回路中的感应电压；步骤3：构建计及高架桥接地宽频特性的列车过分相车-网-桥耦合模型：基于已有的路基路段过分相车-网耦合模型，结合所述高架桥接地宽频模型和受控源模块构建高架桥路段列车过分相车-网-桥耦合模型。2.根据权利要求1所述的列车过分相车-网-桥耦合模型构建方法，其特征在于，所述计算高架桥综合接地系统的频率特性具体方法包括：采用CDEGS软件中的SESCAD模块建立高架桥钢筋结构模型；在接地模型与远端返回电极之间注入电流，并在两者之间设置一系列电位测量点，通过测量得到接地网与测量点位置之间的电位降曲线；该电位降曲线中出现的平滑部分对应的测量点视为零电位点，接地模型相对该点电位视为对地电压；该对地电压与注入电流的比值即为接地模型的接地阻抗值；改变注入电流的频率得到0～10MHz的高架桥电气接地的阻抗频率特性。3.根据权利要求2所述的列车过分相车-网-桥耦合模型构建方法，其特征在于，所述计算得到高架桥接地宽频模型的具体参数的方法包括：采用矢量匹配法对求解得到的高架桥综合接地的阻抗频率特性进行逼近，获得与阻抗频率相对应的有理函数；逼近函数表达式为：式中，cn、pn、d和e为待求解未知数；cn和pn为实数或共轭复数对；d和e为实数；f(s)为已知的高架桥综合接地系统阻抗频率响应；s为复频率；N表示逼近函数中一阶有理分式的个数，视高架桥综合...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志刚，苏冬冬，黄可，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51