劉雨欣 劉光輝

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 鄭州 450052)

電力機(jī)車(chē)是電氣化鐵道迅速發(fā)展中的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備。電力機(jī)車(chē)的安全運(yùn)行直接影響鐵路運(yùn)輸質(zhì)量的優(yōu)劣。電力機(jī)車(chē)通過(guò)電分相[1-2]過(guò)程中在不同的狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，使“機(jī)車(chē)-牽引網(wǎng)-電分相”電路參數(shù)發(fā)生變化。電路參數(shù)的變化必然會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的電壓電流等參量發(fā)生變化，從而使系統(tǒng)出現(xiàn)暫態(tài)過(guò)電壓[3-4]。過(guò)電壓有可能使車(chē)頂避雷器進(jìn)行放電，造成車(chē)頂擊穿，保護(hù)電容受到損害等事故，嚴(yán)重影響機(jī)車(chē)的高效、安全運(yùn)行[5-6]。本文主要利用PSCAD/EMTDC[7]仿真軟件，結(jié)合電分相與CRH1的相關(guān)參數(shù)，建立機(jī)車(chē)過(guò)分相產(chǎn)生過(guò)電壓的仿真模型，研究過(guò)電壓產(chǎn)生的原因，保證機(jī)車(chē)的高效運(yùn)行[8]。

1 PSCAD/EMTDC介紹

1976年Dennis Woodford博士開(kāi)發(fā)完成一種能被全世界使用的電力系統(tǒng)仿真軟件即PSCAD/EMTDC。其中PSCAD為用戶(hù)界面，它的成功開(kāi)發(fā)使得用戶(hù)可以更加便捷的通過(guò)EMTDC對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行分析，使復(fù)雜的電力系統(tǒng)可視化，而且也能作為電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真的前置端。PSCAD/EMTDC具有計(jì)算容量大、元件模型庫(kù)完整精準(zhǔn)、計(jì)算內(nèi)核效率高、界面友好、開(kāi)放性較強(qiáng)等特點(diǎn)，因此被各個(gè)機(jī)構(gòu)廣泛使用，特別是在電磁暫態(tài)方面。

PSCAD/EMTDC軟件的元件模型主要有幾下幾個(gè)方面：集中參數(shù)與隨時(shí)間變化參數(shù)的R/L/C元件；電源-電壓源和電流源等；變壓器-單相或三相的變壓器；PI等值電路；電機(jī)-旋轉(zhuǎn)電機(jī)；繼電器；測(cè)量元件庫(kù)；控制系統(tǒng)模型庫(kù)；邏輯電路庫(kù)；控制面板等各個(gè)模擬元件。

PSCAD/EMTDC軟件的功能主要有：①對(duì)電力系統(tǒng)的時(shí)域和頻域進(jìn)行仿真計(jì)算，主要用來(lái)仿真模擬電力系統(tǒng)受到擾動(dòng)或者其線(xiàn)路參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，電力系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)與時(shí)間變化的關(guān)系；②對(duì)交流系統(tǒng)出現(xiàn)的諧波和暫態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；③對(duì)直流系統(tǒng)的各個(gè)過(guò)程(啟動(dòng)或換相)等進(jìn)行模擬仿真等。

2 機(jī)車(chē)過(guò)分相過(guò)程的建模

2.1 牽引供電系統(tǒng)的參數(shù)與建模

2.1.1牽引供電系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算

(1)變壓器的等效參數(shù)

牽引變壓器主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1 牽引變壓器的主要參數(shù)

由表1參數(shù)可求得牽引變壓器的等值電抗[9]為：

(1)

(2)

所以：

(3)

(2)接觸網(wǎng)的等效參數(shù)

接觸網(wǎng)的主要參數(shù)，如表2所示。

表2 接觸網(wǎng)的主要參數(shù)

由表2可知：

接觸線(xiàn)與承力索的平均中心距離d為：

(4)

中性線(xiàn)與承力索的等值半徑req為：

(5)

考慮大地影響對(duì)干燥地帶卡爾遜等效深度為Dg=935 m，接觸網(wǎng)電感L為：

=18.546×10-4(H/km)

(6)

(3)電容參數(shù)計(jì)算

關(guān)節(jié)式電分相無(wú)電區(qū)導(dǎo)線(xiàn)對(duì)地電容C2為：

(7)

接觸網(wǎng)和中性線(xiàn)的平行段對(duì)地電容C20為：

(8)

=0.69×10-11(F/m)

接觸網(wǎng)供電臂與中性線(xiàn)之間的電容C12為：

(9)

(4)接觸網(wǎng)供電臂等效電感X1和電阻R1

供電臂長(zhǎng)度為30 km，則接觸網(wǎng)供電臂電抗L1的計(jì)算式為:

(10)

(11)

接觸網(wǎng)供電臂的電阻率為ρ=0.179(Ω/km)，接觸網(wǎng)供電臂的阻抗R1為：

R1=ρ×l=0.179×30=5.37(Ω)

(12)

(5)關(guān)節(jié)式電分相結(jié)構(gòu)中性線(xiàn)等效電抗L2和電阻R2為：

(13)

(14)

中性線(xiàn)電阻率ρ≈0.179 (Ω/km)，長(zhǎng)度為280 m則有：

R2=ρ×l=0.179×0.28=0.050 1(Ω)

(15)

2.1.2牽引供電系統(tǒng)仿真模型

(1)電力系統(tǒng)與牽引變電所仿真模型

電力系統(tǒng)為牽引變電所提供110 kV的電源，牽引變壓器采用Scott接線(xiàn)形式,它可以實(shí)現(xiàn)三相-兩相的變換。Scott變壓器各個(gè)參數(shù)同2.1.1，在PSCAD/EMTDC軟件的元件庫(kù)中找到單相三繞阻變壓器和單相雙繞阻變壓器，根據(jù)其連接方式，建立仿真模塊，如圖1所示。

圖1 電力系統(tǒng)與牽引變電所模型

(2)牽引網(wǎng)模型

電力機(jī)車(chē)通過(guò)牽引網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)式電分相過(guò)程中，主要通過(guò)以下幾個(gè)區(qū)段：A相接觸網(wǎng)區(qū)段、平行段、無(wú)電區(qū)、平行段、B相接觸網(wǎng)區(qū)段。A相接觸網(wǎng)區(qū)段與B相接觸網(wǎng)區(qū)段結(jié)構(gòu)相似，同理兩個(gè)平行段結(jié)構(gòu)也相似。其模型如下：

①接觸網(wǎng)模型

電力機(jī)車(chē)通過(guò)受電弓從接觸網(wǎng)取流，經(jīng)2.1.1節(jié)接觸網(wǎng)的參數(shù)計(jì)算，等效電路模型，如圖2所示。

圖2 接觸網(wǎng)等效電路模型

②平行段模型

機(jī)車(chē)駛離A相接觸線(xiàn)，進(jìn)入無(wú)電區(qū)之前，經(jīng)過(guò)一段過(guò)渡區(qū)。在此區(qū)段內(nèi)接觸線(xiàn)和中性線(xiàn)平行懸掛，相距500 mm。在此區(qū)段內(nèi)，機(jī)車(chē)受電弓同時(shí)跨接接觸線(xiàn)和中性線(xiàn)，稱(chēng)為平行段。

(3)電分相中性線(xiàn)無(wú)電區(qū)模型

機(jī)車(chē)在無(wú)電區(qū)受電弓僅與中性線(xiàn)接觸，在此區(qū)段內(nèi)沒(méi)有與任何電氣相連，所以處于不帶電狀態(tài)。機(jī)車(chē)在該區(qū)段內(nèi)靠慣性緩慢行駛。無(wú)電區(qū)等效電路模型，如圖3所示。

圖3 電分相中性線(xiàn)無(wú)電區(qū)等效電路模型

2.2 CRH1仿真模型

2.2.1CRH1型動(dòng)車(chē)組主電路結(jié)構(gòu)

CRH1型動(dòng)車(chē)組主要特點(diǎn)是采用交-直-交變換電機(jī)系統(tǒng)。它的轉(zhuǎn)化過(guò)程是將接觸網(wǎng)上的工頻25 kV的高壓電交流降低至車(chē)底主變壓器900 V的交流電，然后將900 V的低壓交流整流成1 650 V的直流，最后將該直流電逆變成電壓和頻率可變的三相交流供給CRH1的牽引電機(jī)。CRH1的它的電路主要由主電路、控制電路和輔助電路三部分。其主電路如圖4所示。

圖4 CRH1主電路結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2CRH1仿真模型

CRH1動(dòng)車(chē)組的主要參數(shù)，如表3所示。

表3 CRH1動(dòng)車(chē)組的主要參數(shù)[10]

根據(jù)表3相關(guān)參數(shù)建立PSCAD仿真模型，如圖5所示。圖中只分析1臺(tái)異步電機(jī)。

2.3 CRH1的整流與逆變控制模型

2.3.1整流控制模型

CRH1型動(dòng)車(chē)組將接觸網(wǎng)25 kV的交流高壓電轉(zhuǎn)化成900 V交流低壓后，通過(guò)整流器將900 V的交流低壓整流成1 650 V的直流電壓，此過(guò)程稱(chēng)為兩電平整流器的整流過(guò)程即PWM整流。CRH1型動(dòng)車(chē)組PSCAD/EMTDC的整流模型，如圖6所示。

圖5 CRH1型動(dòng)車(chē)組動(dòng)態(tài)仿真模型主電路

圖6 CRH1動(dòng)車(chē)組SPWM整流控制模型

2.3.2逆變控制模型

當(dāng)機(jī)車(chē)處于再生制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，脈沖整流器作為逆變器，將直流電轉(zhuǎn)換成可以驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)的交流電，此過(guò)程稱(chēng)為兩電平脈沖整流器的SPWM調(diào)制，CRH1型動(dòng)車(chē)組PSCAD/EMTDC的逆變模型，如圖7所示。

3 機(jī)車(chē)過(guò)分相過(guò)程仿真分析

機(jī)車(chē)通過(guò)電分相(A相過(guò)渡至B相)過(guò)程主要幾個(gè)區(qū)段，如圖8所示，分別是：A相供電臂、A相接觸線(xiàn)與中性線(xiàn)的平行段、無(wú)電區(qū)、B相接觸性與中性線(xiàn)的平行段、B相供電臂。

圖7 CRH1型動(dòng)車(chē)組逆變模型

圖8 七跨錨段關(guān)節(jié)式電分相

(1)機(jī)車(chē)離開(kāi)A相供電臂，進(jìn)入A相接觸線(xiàn)與中性線(xiàn)的平行段的過(guò)程中，受電弓與中性段垂直距離逐漸減小，減小到二者之間空氣間隙的耐電小于中性段和受電弓之間的電壓差，使其空氣間隙被擊穿。從而使受電弓和中性段之間出現(xiàn)電弧放電。隨后機(jī)車(chē)?yán)^續(xù)運(yùn)行一段距離，受電弓和中性線(xiàn)的距離持續(xù)減小，兩者之間氣隙的耐壓程度持續(xù)降低，所以受電弓與中性線(xiàn)之間保持放電現(xiàn)象，形成1條較長(zhǎng)的電弧。直至機(jī)車(chē)運(yùn)行到受電弓與接觸線(xiàn)和中性線(xiàn)等高的位置，電弧熄滅。仿真結(jié)果如圖9所示。由仿真圖可知：機(jī)車(chē)進(jìn)入電分相過(guò)程中，由電弧放電產(chǎn)生過(guò)電壓。

圖9 機(jī)車(chē)通過(guò)平行段1的仿真圖

(2)機(jī)車(chē)駛離平行段進(jìn)入無(wú)電區(qū)時(shí)，由于A相接觸線(xiàn)的抬高，受電弓只與接觸線(xiàn)相連，惰性通過(guò)無(wú)電區(qū)。機(jī)車(chē)進(jìn)入無(wú)電區(qū)后并非無(wú)電，中性線(xiàn)上可能由于低頻震蕩產(chǎn)生感應(yīng)殘壓，幅值如圖10所示。

圖10 機(jī)車(chē)通過(guò)無(wú)電區(qū)的仿真圖

(3)機(jī)車(chē)離開(kāi)無(wú)電區(qū)，進(jìn)入中性線(xiàn)與B相接觸線(xiàn)形成的平行段的過(guò)程中，與過(guò)程(1)相似，隨著受電弓與接觸線(xiàn)和中性線(xiàn)距離關(guān)系的變化產(chǎn)生第二次電弧，維持一段時(shí)間電弧熄滅。機(jī)車(chē)由無(wú)電區(qū)進(jìn)入B相電分相產(chǎn)生的電弧放電可能產(chǎn)生過(guò)電壓，如圖11所示。

圖11 機(jī)車(chē)過(guò)渡至平行段2的仿真圖

在(1)和(3)兩次電弧放電的過(guò)程中，電弧將受電弓與中性段、供電臂之間的氣隙被擊穿，使其導(dǎo)通聯(lián)系在一起。兩次電弧放電導(dǎo)致導(dǎo)致“機(jī)車(chē)-牽引網(wǎng)-電分相”的潛在電氣結(jié)構(gòu)發(fā)生突變。

4 結(jié)論

電力機(jī)車(chē)運(yùn)行通過(guò)電分相過(guò)程中，由機(jī)車(chē)-電分相-接觸網(wǎng)構(gòu)成的系統(tǒng)電氣參數(shù)時(shí)刻在變化，它們所構(gòu)成的電力系統(tǒng)的狀態(tài)也隨之變化。電力系統(tǒng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)化必然會(huì)引起系統(tǒng)電磁參量的變化，從而容易出現(xiàn)過(guò)電壓，對(duì)機(jī)車(chē)的安全運(yùn)行造成影響。本文主要從以下幾點(diǎn)進(jìn)行研究：

(1)對(duì)牽引供電系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行工程計(jì)算，主要為牽引變壓器、接觸網(wǎng)、相關(guān)的電容、電阻、電感等參數(shù)，根據(jù)計(jì)算出來(lái)的數(shù)據(jù)利用PSCAD/EMTDC軟件建立牽引網(wǎng)的仿真模型。

(2)研究CRH1型動(dòng)車(chē)組的主電路、控制電路與輔助電路，分析其原理并建立CRH1型動(dòng)車(chē)組的PSCAD/EMTDC仿真模型。

(3)將建立的模型結(jié)合在一起進(jìn)行聯(lián)合仿真，分析機(jī)車(chē)過(guò)分相過(guò)程產(chǎn)生過(guò)電壓的位置，為提出抑制過(guò)電壓的方法提供一定的理論依據(jù)。