牽引供電中弓網(wǎng)電弧模型的研究

牽引供電中弓網(wǎng)電弧模型的研究

0受流系統(tǒng)影響在動態(tài)下，接觸網(wǎng)的受電子弓系統(tǒng)的受流過程完成。對于同一系統(tǒng)而言,列車速度越高,維持弓網(wǎng)間良好接觸越困難,受流質(zhì)量隨之下降。當(dāng)速度超過系統(tǒng)正常允許范圍時,受流性能會嚴(yán)重惡化,甚至影響列車正常運行。高速受流技術(shù)是高速電氣化鐵路關(guān)鍵技術(shù)之一。電力機(jī)車運行速度不斷提升,受電弓運行速度逼近接觸網(wǎng)的波動速度,接觸網(wǎng)波動使得弓網(wǎng)耦合振動發(fā)生突變,弓網(wǎng)滑動向滑跳運動轉(zhuǎn)化,弓網(wǎng)離線更加頻繁。當(dāng)受電弓和接觸網(wǎng)良好接觸并給機(jī)車供電時,弓網(wǎng)受流系統(tǒng)主要考慮載流摩擦的影響;當(dāng)受電弓和接觸網(wǎng)隨著速度增加而離線頻繁時,弓網(wǎng)受流系統(tǒng)主要考慮弓網(wǎng)電弧的影響。這種弓網(wǎng)電弧雖然能維持電力機(jī)車取流的持續(xù)性,但是會使車載變壓器承受高頻振蕩過電壓,會燒蝕接觸線,縮短接觸線使用壽命,嚴(yán)重時會燒斷接觸網(wǎng)導(dǎo)線,造成重大事故。因而對高速鐵路弓網(wǎng)電弧進(jìn)行研究對于掌握高速弓網(wǎng)受流的本質(zhì)具有積極的現(xiàn)實意義。1低光刻磁體的產(chǎn)生和動態(tài)特性的分析1.1弓網(wǎng)接觸壓力波動加劇在弓網(wǎng)系統(tǒng)的滑動接觸中,受電弓與接觸網(wǎng)相互振動,接觸網(wǎng)周期性的彈性變化及受電弓通過不規(guī)則地方時,如硬點、接觸線不均勻抬升量、接觸線安裝缺陷、接觸線本身缺陷、單一質(zhì)量塊等,特別是硬點處,會導(dǎo)致弓網(wǎng)接觸壓力波動加劇[1~3]。當(dāng)接觸壓力逐漸下降時,滑板和接觸線的接觸面積減小,兩者之間的接觸電阻增加,電流通過接觸電阻引起的焦耳熱增加,基礎(chǔ)面的溫度上升。當(dāng)滑板和接觸線之間的接觸壓力為零時,兩者之間機(jī)械脫離,弓網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生電弧。當(dāng)滑板與接觸線恢復(fù)良好接觸后,電弧立即熄滅。1.2電弧電壓隨電流的變化電弧動態(tài)特性的定義為:對于一定弧長的電弧,當(dāng)電弧電流發(fā)生連續(xù)的快速變化時,電弧電壓與電流瞬時值之間的關(guān)系[4~5]。由于電弧電流是時間的函數(shù),則電弧弧柱中帶電粒子的密度以及弧柱半徑和溫度等都隨之變化,同時陰極與陽極的溫度也隨之變化,因此電弧電壓也必然隨時間而變化。電弧動態(tài)特性如圖1所示。2虛擬弧值模型的構(gòu)建2.1動態(tài)電弧模型的建立式中,p1為以熱量形式散發(fā)到周圍環(huán)境中的功率,p2為增加電弧內(nèi)部能量從而影響其半徑的功率,p3為電弧功率和轉(zhuǎn)換為熱能的功率之和。假設(shè)冷卻效果只與電弧半徑r有關(guān),則有:如果電弧周圍的環(huán)境很熱,電弧的冷卻就與電弧的半徑完全無關(guān),n=0。如果不是該情況而且電弧很長,則散熱的區(qū)域主要是電弧的側(cè)表面,n=1。如果電弧很短,則冷卻就與電極的橫截面積成正比,n=2。p2與電弧內(nèi)部能量的導(dǎo)數(shù)成正比,而該能量與r2成正比,則:假設(shè)弧柱的電阻率與rm成反比,則:電弧半徑越大,內(nèi)部溫度就可能越高。由式(2)—式(4)可以得到電弧的微分方程:電弧電壓u由式(6)給出:式(5)和式(6)表示動態(tài)電弧模型能夠反映出電弧伏安特性隨牽引供電系統(tǒng)運行環(huán)境改變而變化的實際情況。所以,它優(yōu)于其他僅反映電弧靜態(tài)伏安特性,或者使用經(jīng)驗公式建立的模型。因弓網(wǎng)產(chǎn)生的電弧,其半徑較小,弧長也較短,所以本文中選擇n=2,m=1。則由式(5)可得:解微分方程得:2.2基于引水供電的設(shè)備參數(shù)計算2.2.1額定電流、靜態(tài)電流和實際損耗變壓器的主要參數(shù):額定容量為20000kV·A;額定電壓為110/27.5kV;額定電流為105/4.02A;空載電流為2.0%;空載損耗為28.6kW;短路損耗為132.0kW。2.2.2研發(fā)接觸網(wǎng)-地回路自抗(1)等值接觸網(wǎng)-地回路自阻抗的計算。式中,Dg為等效地回路的入地深度,且,f為牽引電流頻率。b.接觸網(wǎng)-地回路自阻抗:c.承力索-地回路與接觸線-地回路的互阻抗:d.等值接觸網(wǎng)-地回路的自阻抗:(2)等值軌道-地回路自阻抗計算。(3)等值接觸網(wǎng)-地回路與等值軌道-地回路互阻抗計算。(4)牽引網(wǎng)等值阻抗計算。假設(shè)受電弓離線電弧發(fā)生在電力機(jī)車距離牽引變電所15km處,則牽引網(wǎng)的具體阻抗為2.2.3恒功運行速度某型電力機(jī)車的主要技術(shù)參數(shù):電流制式為單相交流50Hz;額定值為25kV;持續(xù)制功率為4800kW;恒功速度范圍為74~250km/h;最高運營速度為250km/h;最高速度為300km/h;功率因數(shù)cosφ=0.96。本文所建立的電力機(jī)車仿真模型是用電阻和電感來代替電力機(jī)車負(fù)載。3拱頂弧形模擬模型3.1furing模塊及其他運算模塊根據(jù)以上由能量守恒得到的方程式用MATLAB的SIMULINK建立電弧模型,見圖2。電弧模型包括:Fourier模塊、myarc_r模塊、myarc_Ron模塊,以及其他運算模塊。Fourier模塊獲得電弧電流的大小,然后通過myarc_r模塊根據(jù)式(10)計算該電流下的電弧半徑,再由myarc_Ron模塊根據(jù)式(12)計算電弧的電阻,最后與電弧電流相乘得到電弧的電壓。3.2等效電路模型弓網(wǎng)電弧簡化仿真電路如圖3所示。圖中Z為供電所電源等效模型,Zc為線路等效模型,Arc為電弧模型,C1為受電弓與高壓線的等效電容,Load為機(jī)車高壓側(cè)互感器等效電路。4弓網(wǎng)電弧模型的建立通過3.2節(jié)中的弓網(wǎng)電弧仿真電路,進(jìn)行仿真研究,仿真曲線如圖4—圖8。對圖4—圖8進(jìn)行分析,可以得出以下結(jié)論:(1)圖4給出了電弧的伏安特性曲線。該曲線具有明顯的非線性特性,符合圖1中電弧的動態(tài)特性,證明本文電弧模型的正確性。(2)由圖5可以看出,電弧半徑隨著電流瞬時絕對值的變化而變化。電流瞬時絕對值變大則電弧半徑變大,反之則變小。(3)由圖6可以看出,電弧電阻波形是時變的。由于電弧電流的“零休”現(xiàn)象,可以看到電弧電阻產(chǎn)生了尖峰狀突起,呈現(xiàn)較高的阻值。電弧電流過零后,電阻又迅速變小。(4)圖7給出了弓網(wǎng)電弧的電壓和電弧之間的關(guān)系。從中可以看出,在電弧電流過零時,因為電弧電阻很小,電弧間隙上電壓梯度很大,所以電弧重燃電壓是個尖峰電壓。并結(jié)合圖8的電力機(jī)車負(fù)載電壓仿真波形,可以看出,該尖峰電壓會使電力機(jī)車負(fù)載電壓發(fā)生突變,影響電力機(jī)車的受流質(zhì)量。如果電弧尖峰電壓值過大,還會對受電弓、接觸線及機(jī)車設(shè)備的使用壽命造成影響,使電力機(jī)車運行存在安全隱患。5弓網(wǎng)電弧非線性模型建立本文建立了一種簡單有效的弓網(wǎng)電弧仿真模型,電弧電壓通過弓網(wǎng)電弧能量守恒微分方程得到。所建立的弓網(wǎng)電弧模型可整體作為一個由電弧電流控制的電壓源接入牽引供電系統(tǒng),便于對弓網(wǎng)電弧引起的諧波和電壓波動問題進(jìn)行仿真研究。該仿真模型的建立,對于理解弓網(wǎng)電弧的非線性時變特性,評估弓網(wǎng)電弧引起的電力機(jī)車受流質(zhì)量問題,提出合理預(yù)防措施、降低不利影響提供了一種簡單有效的研究工具。a.承力索-地回路的自阻抗:(5)接觸網(wǎng)-回流線間電容計算。接觸網(wǎng)和回流線之間電容可按式(25)計算:電弧的功率平衡方程為式中,C為電弧的半徑初始值。設(shè)電弧電流表達(dá)式為則一周期內(nèi)