具有高频特性的弓网离线电弧建模仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种具有高频特性的弓网离线电弧建模仿真方法，所述方法充分考虑弓网离线时分离起弧、零休熄弧、过零重燃等不同电弧阶段高频阻抗变化的物理过程，仿真计算了具有高频振荡和低频零休特征的弓网放电电流，仿真结果更能够真实反映弓网离线放电的电流特性，仿真模型具备较高的准确性，弥补传统弓网离线放电模型中高频电流特征的缺失。利用此模型可以仿真计算方式得到放电电流的有效数据，无需开展高电压、大电流条件下的放电实验，并可以通过改变弓网分离阶跃信号、负载阻抗、线路参数等实验中难以控制的条件，为弓网离线放电电磁干扰的研究提供大量可变条件的有效数据。磁干扰的研究提供大量可变条件的有效数据。磁干扰的研究提供大量可变条件的有效数据。

【技术实现步骤摘要】
具有高频特性的弓网离线电弧建模仿真方法


[0001]本专利技术涉及轨道交通电磁兼容
，尤其涉及一种具有高频特性的弓网离线电弧建模仿真方法。

技术介绍

[0002]近些年来，我国铁路系统的牵引功率和自动化程度全面提升，车载及轨旁电力电子设备的规模和数量达到了前所未有的水平，而铁路系统电磁环境安全和适应性问题日益突出。大量研究指出，列车行驶时受电弓和接触线的机械脱离，会引起受电弓碳滑板和接触网线之间的放电现象，即弓网离线电弧。电弧放电会对列控、通信系统中的敏感设备产生能量大、频带宽的脉冲型瞬态电磁骚扰，严重时甚至影响行车安全。因此，亟需开展针对弓网离线电弧电磁干扰成因机理的研究，明确弓网离线放电电磁骚扰的主要特征和影响因素，为弓网离线放电的电磁防护提供理论参考。
[0003]我国高速铁路列车行驶时，50Hz牵引电流的有效值可高达几百安培，而弓网放电产生的瞬态电流在短短几十纳秒内升至数千安培，弓网放电电流及其辐射电磁波频率可达GHz。这种瞬态变化的电流对铁路电磁环境产生不可忽视的影响，不但直接对牵引动力系统形成传导干扰，更会在空间环境中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有高频特性的弓网离线电弧建模仿真方法，其特征在于包括如下步骤：在分析弓网离线过程中间隙阻抗变化物理机制基础上，得到弓网分离起弧、电流零休熄弧以及过零电弧重燃过程中弓网间隙阻抗随时间变化的表达式；建立考虑高频特性的弓网放电电路模型，弓网分离时刻用接触电阻变为电弧电阻和弧柱电感来描述，弓网电弧熄灭过程参考Mayr电弧电阻模型进行描述，而在弓网电弧过零点重燃利用汤森放电理论和Toepler经验公式进行描述；利用实验结果拟合出击穿阈值与弓网间隙距离的关系，并通过建立间隙距离随时间变化的方程，确定出弓网离线过程中击穿阈值随时间变化规律，通过比较击穿阈值和间隙电压的大小，确定过零熄弧后的重燃击穿时刻；考虑到熄灭、重燃过程中电弧电流的高频特征，在电弧模型中加入了电弧电感和间隙电容，构建弓网离线电弧阻抗模型，在π型模拟电路中仿真计算具有高频振荡和低频零休特征的弓网放电电流。2.如权利要求1所述的具有高频特性的弓网离线电弧建模仿真方法，其特征在于，弓网分离起弧的表达式为：弓网正常接触时存在可以看做不变的接触电阻R
jc
＝0.2Ω，当弓网由于机械振动分离后起弧，电弧进入稳定燃烧阶段，电弧燃弧阻值变为R0＝2Ω，此时弧柱电感作用较大，取值L
arc
＝1mH。3.如权利要求1所述的具有高频特性的弓网离线电弧建模仿真方法，其特征在于，电流零休熄弧的表达式为：随着50Hz交流电相位持续变化，在电流经过零点时外部电路不再为电弧输入能量，将导致电弧熄灭短时间变化为高阻，由于熄灭时电弧呈阻性，弧柱电感可忽略不计；参考Mayr电弧电阻模型的计算方法，对于已形成的弓网电弧，在交流电过零点时电弧熄灭过程的电导变化满足方程式：其中g为单位长度电弧的电导，P
out
为电弧耗散功率，τ为模型时间常数，u
h
为弓网间隙的恢复电压梯度；将电弧电阻和电导的关系代入(1)，并解方程得到电弧电阻在熄弧阶段表达式为：考虑到弓网间隙相对较短，u
h
相对长间隙电弧来说较小，可忽略电流过零后弓网间隙上的恢复电压(即u
h
＝0)，于是可将表达式简化为：式中，τ＝1ns，该式表示在电流过零电弧熄灭阶段，电弧电阻可在十几个纳秒内从R0＝2Ω变为几百兆欧，从而产生快变的回路电流，形成电磁骚扰源，由于存在电流的高频分量，
此阶段弓网电极间的电容不可忽视，取值C
pc
＝0.1μF。4.如权利要求1所述的具有高频特性的弓网离线电弧建模仿真方法，其特征在于，弓网离线过程中击穿阈值随时间变化规律如下：电弧高阻状态持续的几百微秒中，弓网间隙持续增大，直至达到击穿阈值，形成空气击穿放电；经过实验室中不同间隙下真实受电弓碳滑板与接触线的高压击穿放电实验，击穿电压V
jc
和弓网间隙长度d存在以下拟合关系：其中，d的单位为cm，V
jc
的单位为kV；假设弓网分离时纵向的相对速度为20cm/s，弓网接触压力为120N，弓头质量为60kg，若将受电弓简化为弹簧振子，可计算出200ms内(即10个交流周期)弓网间隙长度(cm)随时间(s)的变化函数为：d＝20t
‑
100t2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)因此，于是200ms内(即0＜t＜0.2s)击穿电压的计算公式可以写为：5.如权利要求1所述的具有高频特性的弓网离线电弧建模仿真方法，其特征在于，过零电弧重燃的表达式为：当电流过零熄灭后，弓网电弧阻抗保持高电阻，此时弧隙电压迅速增大至电源电压，并随之正弦交变，当弧隙电压大于击穿电压时，电子被电离出并在外电场作用下加速运动，在运动路径上将引起更强烈的碰撞电离，电子数将“雪崩”似地增加，即“电子雪崩”，空气间隙被击穿引起放电；根据汤森放电理论和Toepler电弧模型，如果将距离阴极x长度的电子密度表示为n
e
，则有：(dn
e
/dx)＝αn
e
，α为汤森第一电离系数，定义为一个电子沿电场走过单位长度时平均电离碰撞的次数；利用电子漂移速度v
e
＝μ
e
E来表示带电粒子沿电场方向的速度，其中μ
e
是电子迁移率，E是外加电场强度，于是有：dn
e
＝αn
e
dx＝αn
e
v
e
dt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)定义电导率为σ＝en
e
μ
e
，假设弓网间隙长度为d，弧柱截面积为A
arc
，则电流密度可以表示为：进一步电弧电阻计算为：将(9)中的电子密度随时间的变化率重写为：积分后，有：
代入公式(10)，有：将d随时间变化的关系式(5)代入，并取αμ
e
＝0.5，得到在过零重燃期间电弧电阻随时间变化关系为：完全击穿后形成的电弧充分燃烧，电弧电阻保持在最小值2Ω，并将会在半个交流周期后熄灭的瞬间再次变大，而后连续重复此过程，直至弓网重新搭接，间隙阻抗只保留弓网接触电阻，此时电流恢复为稳定的50Hz正弦波形，不再出现低频零休和高频脉冲振荡。6.如权利要求1所述的具有高频特性的弓网离线电弧建模仿真方法，其特征在于，构建考虑高频特性的弓网离线电弧阻抗动态数学表达式如下：其中，t1为弓网分离时刻，通过弓网分离阶跃信号控制，不同分离时刻决定了拉弧起始的初相位，可作为仿真初始条件进行设置；t1时刻之前...

【专利技术属性】
技术研发人员：金梦哲，刘尚合，王通，刘卫东，方庆园，
申请(专利权)人：石家庄铁道大学，
类型：发明
国别省市：