基于PSCAD/EMTDC的机车过分相过电压的建模与分析

刘雨欣 刘光辉

(郑州铁路职业技术学院， 郑州 450052)

电力机车是电气化铁道迅速发展中的一个关键设备。电力机车的安全运行直接影响铁路运输质量的优劣。电力机车通过电分相[1-2]过程中在不同的状态之间转换，使“机车-牵引网-电分相”电路参数发生变化。电路参数的变化必然会使整个系统的电压电流等参量发生变化，从而使系统出现暂态过电压[3-4]。过电压有可能使车顶避雷器进行放电，造成车顶击穿，保护电容受到损害等事故，严重影响机车的高效、安全运行[5-6]。本文主要利用PSCAD/EMTDC[7]仿真软件，结合电分相与CRH1的相关参数，建立机车过分相产生过电压的仿真模型，研究过电压产生的原因，保证机车的高效运行[8]。

1 PSCAD/EMTDC介绍

1976年Dennis Woodford博士开发完成一种能被全世界使用的电力系统仿真软件即PSCAD/EMTDC。其中PSCAD为用户界面，它的成功开发使得用户可以更加便捷的通过EMTDC对电力系统进行分析，使复杂的电力系统可视化，而且也能作为电力系统实时仿真的前置端。PSCAD/EMTDC具有计算容量大、元件模型库完整精准、计算内核效率高、界面友好、开放性较强等特点，因此被各个机构广泛使用，特别是在电磁暂态方面。

PSCAD/EMTDC软件的元件模型主要有几下几个方面：集中参数与随时间变化参数的R/L/C元件；电源-电压源和电流源等；变压器-单相或三相的变压器；PI等值电路；电机-旋转电机；继电器；测量元件库；控制系统模型库；逻辑电路库；控制面板等各个模拟元件。

PSCAD/EMTDC软件的功能主要有：①对电力系统的时域和频域进行仿真计算，主要用来仿真模拟电力系统受到扰动或者其线路参数发生变化时，电力系统的各项参数与时间变化的关系；②对交流系统出现的谐波和暂态数据进行分析；③对直流系统的各个过程(启动或换相)等进行模拟仿真等。

2 机车过分相过程的建模

2.1 牵引供电系统的参数与建模

2.1.1牵引供电系统参数计算

(1)变压器的等效参数

牵引变压器主要技术参数，如表1所示。

表1 牵引变压器的主要参数

由表1参数可求得牵引变压器的等值电抗[9]为：

(1)

(2)

所以：

(3)

(2)接触网的等效参数

接触网的主要参数，如表2所示。

表2 接触网的主要参数

由表2可知：

接触线与承力索的平均中心距离d为：

(4)

中性线与承力索的等值半径req为：

(5)

考虑大地影响对干燥地带卡尔逊等效深度为Dg=935 m，接触网电感L为：

=18.546×10-4(H/km)

(6)

(3)电容参数计算

关节式电分相无电区导线对地电容C2为：

(7)

接触网和中性线的平行段对地电容C20为：

(8)

=0.69×10-11(F/m)

接触网供电臂与中性线之间的电容C12为：

(9)

(4)接触网供电臂等效电感X1和电阻R1

供电臂长度为30 km，则接触网供电臂电抗L1的计算式为:

(10)

(11)

接触网供电臂的电阻率为ρ=0.179(Ω/km)，接触网供电臂的阻抗R1为：

R1=ρ×l=0.179×30=5.37(Ω)

(12)

(5)关节式电分相结构中性线等效电抗L2和电阻R2为：

(13)

(14)

中性线电阻率ρ≈0.179 (Ω/km)，长度为280 m则有：

R2=ρ×l=0.179×0.28=0.050 1(Ω)

(15)

2.1.2牵引供电系统仿真模型

(1)电力系统与牵引变电所仿真模型

电力系统为牵引变电所提供110 kV的电源，牵引变压器采用Scott接线形式,它可以实现三相-两相的变换。Scott变压器各个参数同2.1.1，在PSCAD/EMTDC软件的元件库中找到单相三绕阻变压器和单相双绕阻变压器，根据其连接方式，建立仿真模块，如图1所示。

图1 电力系统与牵引变电所模型

(2)牵引网模型

电力机车通过牵引网锚段关节式电分相过程中，主要通过以下几个区段：A相接触网区段、平行段、无电区、平行段、B相接触网区段。A相接触网区段与B相接触网区段结构相似，同理两个平行段结构也相似。其模型如下：

①接触网模型

电力机车通过受电弓从接触网取流，经2.1.1节接触网的参数计算，等效电路模型，如图2所示。

图2 接触网等效电路模型

②平行段模型

机车驶离A相接触线，进入无电区之前，经过一段过渡区。在此区段内接触线和中性线平行悬挂，相距500 mm。在此区段内，机车受电弓同时跨接接触线和中性线，称为平行段。

(3)电分相中性线无电区模型

机车在无电区受电弓仅与中性线接触，在此区段内没有与任何电气相连，所以处于不带电状态。机车在该区段内靠惯性缓慢行驶。无电区等效电路模型，如图3所示。

图3 电分相中性线无电区等效电路模型

2.2 CRH1仿真模型

2.2.1CRH1型动车组主电路结构

CRH1型动车组主要特点是采用交-直-交变换电机系统。它的转化过程是将接触网上的工频25 kV的高压电交流降低至车底主变压器900 V的交流电，然后将900 V的低压交流整流成1 650 V的直流，最后将该直流电逆变成电压和频率可变的三相交流供给CRH1的牵引电机。CRH1的它的电路主要由主电路、控制电路和辅助电路三部分。其主电路如图4所示。

图4 CRH1主电路结构示意图

2.2.2CRH1仿真模型

CRH1动车组的主要参数，如表3所示。

表3 CRH1动车组的主要参数[10]

根据表3相关参数建立PSCAD仿真模型，如图5所示。图中只分析1台异步电机。

2.3 CRH1的整流与逆变控制模型

2.3.1整流控制模型

CRH1型动车组将接触网25 kV的交流高压电转化成900 V交流低压后，通过整流器将900 V的交流低压整流成1 650 V的直流电压，此过程称为两电平整流器的整流过程即PWM整流。CRH1型动车组PSCAD/EMTDC的整流模型，如图6所示。

图5 CRH1型动车组动态仿真模型主电路

图6 CRH1动车组SPWM整流控制模型

2.3.2逆变控制模型

当机车处于再生制动状态时，脉冲整流器作为逆变器，将直流电转换成可以驱动牵引电机的交流电，此过程称为两电平脉冲整流器的SPWM调制，CRH1型动车组PSCAD/EMTDC的逆变模型，如图7所示。

3 机车过分相过程仿真分析

机车通过电分相(A相过渡至B相)过程主要几个区段，如图8所示，分别是：A相供电臂、A相接触线与中性线的平行段、无电区、B相接触性与中性线的平行段、B相供电臂。

图7 CRH1型动车组逆变模型

图8 七跨锚段关节式电分相

(1)机车离开A相供电臂，进入A相接触线与中性线的平行段的过程中，受电弓与中性段垂直距离逐渐减小，减小到二者之间空气间隙的耐电小于中性段和受电弓之间的电压差，使其空气间隙被击穿。从而使受电弓和中性段之间出现电弧放电。随后机车继续运行一段距离，受电弓和中性线的距离持续减小，两者之间气隙的耐压程度持续降低，所以受电弓与中性线之间保持放电现象，形成1条较长的电弧。直至机车运行到受电弓与接触线和中性线等高的位置，电弧熄灭。仿真结果如图9所示。由仿真图可知：机车进入电分相过程中，由电弧放电产生过电压。

图9 机车通过平行段1的仿真图

(2)机车驶离平行段进入无电区时，由于A相接触线的抬高，受电弓只与接触线相连，惰性通过无电区。机车进入无电区后并非无电，中性线上可能由于低频震荡产生感应残压，幅值如图10所示。

图10 机车通过无电区的仿真图

(3)机车离开无电区，进入中性线与B相接触线形成的平行段的过程中，与过程(1)相似，随着受电弓与接触线和中性线距离关系的变化产生第二次电弧，维持一段时间电弧熄灭。机车由无电区进入B相电分相产生的电弧放电可能产生过电压，如图11所示。

图11 机车过渡至平行段2的仿真图

在(1)和(3)两次电弧放电的过程中，电弧将受电弓与中性段、供电臂之间的气隙被击穿，使其导通联系在一起。两次电弧放电导致导致“机车-牵引网-电分相”的潜在电气结构发生突变。

4 结论

电力机车运行通过电分相过程中，由机车-电分相-接触网构成的系统电气参数时刻在变化，它们所构成的电力系统的状态也随之变化。电力系统状态的转化必然会引起系统电磁参量的变化，从而容易出现过电压，对机车的安全运行造成影响。本文主要从以下几点进行研究：

(1)对牵引供电系统的参数进行工程计算，主要为牵引变压器、接触网、相关的电容、电阻、电感等参数，根据计算出来的数据利用PSCAD/EMTDC软件建立牵引网的仿真模型。

(2)研究CRH1型动车组的主电路、控制电路与辅助电路，分析其原理并建立CRH1型动车组的PSCAD/EMTDC仿真模型。

(3)将建立的模型结合在一起进行联合仿真，分析机车过分相过程产生过电压的位置，为提出抑制过电压的方法提供一定的理论依据。