基于PSCAD/EMTDC的機車過分相過電壓的建模與分析

劉雨欣 劉光輝

(鄭州鐵路職業(yè)技術學院， 鄭州 450052)

電力機車是電氣化鐵道迅速發(fā)展中的一個關鍵設備。電力機車的安全運行直接影響鐵路運輸質量的優(yōu)劣。電力機車通過電分相[1-2]過程中在不同的狀態(tài)之間轉換，使“機車-牽引網-電分相”電路參數發(fā)生變化。電路參數的變化必然會使整個系統的電壓電流等參量發(fā)生變化，從而使系統出現暫態(tài)過電壓[3-4]。過電壓有可能使車頂避雷器進行放電，造成車頂擊穿，保護電容受到損害等事故，嚴重影響機車的高效、安全運行[5-6]。本文主要利用PSCAD/EMTDC[7]仿真軟件，結合電分相與CRH1的相關參數，建立機車過分相產生過電壓的仿真模型，研究過電壓產生的原因，保證機車的高效運行[8]。

1 PSCAD/EMTDC介紹

1976年Dennis Woodford博士開發(fā)完成一種能被全世界使用的電力系統仿真軟件即PSCAD/EMTDC。其中PSCAD為用戶界面，它的成功開發(fā)使得用戶可以更加便捷的通過EMTDC對電力系統進行分析，使復雜的電力系統可視化，而且也能作為電力系統實時仿真的前置端。PSCAD/EMTDC具有計算容量大、元件模型庫完整精準、計算內核效率高、界面友好、開放性較強等特點，因此被各個機構廣泛使用，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方面：集中參數與隨時間變化參數的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-旋轉電機；繼電器；測量元件庫；控制系統模型庫；邏輯電路庫；控制面板等各個模擬元件。

PSCAD/EMTDC軟件的功能主要有：①對電力系統的時域和頻域進行仿真計算，主要用來仿真模擬電力系統受到擾動或者其線路參數發(fā)生變化時，電力系統的各項參數與時間變化的關系；②對交流系統出現的諧波和暫態(tài)數據進行分析；③對直流系統的各個過程(啟動或換相)等進行模擬仿真等。

2 機車過分相過程的建模

2.1 牽引供電系統的參數與建模

2.1.1牽引供電系統參數計算

(1)變壓器的等效參數

牽引變壓器主要技術參數，如表1所示。

表1 牽引變壓器的主要參數

由表1參數可求得牽引變壓器的等值電抗[9]為：

(1)

(2)

所以：

(3)

(2)接觸網的等效參數

接觸網的主要參數，如表2所示。

表2 接觸網的主要參數

由表2可知：

接觸線與承力索的平均中心距離d為：

(4)

中性線與承力索的等值半徑req為：

(5)

考慮大地影響對干燥地帶卡爾遜等效深度為Dg=935 m，接觸網電感L為：

=18.546×10-4(H/km)

(6)

(3)電容參數計算

關節(jié)式電分相無電區(qū)導線對地電容C2為：

(7)

接觸網和中性線的平行段對地電容C20為：

(8)

=0.69×10-11(F/m)

接觸網供電臂與中性線之間的電容C12為：

(9)

(4)接觸網供電臂等效電感X1和電阻R1

供電臂長度為30 km，則接觸網供電臂電抗L1的計算式為:

(10)

(11)

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

R1=ρ×l=0.179×30=5.37(Ω)

(12)

(5)關節(jié)式電分相結構中性線等效電抗L2和電阻R2為：

(13)

(14)

中性線電阻率ρ≈0.179 (Ω/km)，長度為280 m則有：

R2=ρ×l=0.179×0.28=0.050 1(Ω)

(15)

2.1.2牽引供電系統仿真模型

(1)電力系統與牽引變電所仿真模型

電力系統為牽引變電所提供110 kV的電源，牽引變壓器采用Scott接線形式,它可以實現三相-兩相的變換。Scott變壓器各個參數同2.1.1，在PSCAD/EMTDC軟件的元件庫中找到單相三繞阻變壓器和單相雙繞阻變壓器，根據其連接方式，建立仿真模塊，如圖1所示。

圖1 電力系統與牽引變電所模型

(2)牽引網模型

電力機車通過牽引網錨段關節(jié)式電分相過程中，主要通過以下幾個區(qū)段：A相接觸網區(qū)段、平行段、無電區(qū)、平行段、B相接觸網區(qū)段。A相接觸網區(qū)段與B相接觸網區(qū)段結構相似，同理兩個平行段結構也相似。其模型如下：

①接觸網模型

電力機車通過受電弓從接觸網取流，經2.1.1節(jié)接觸網的參數計算，等效電路模型，如圖2所示。

圖2 接觸網等效電路模型

②平行段模型

機車駛離A相接觸線，進入無電區(qū)之前，經過一段過渡區(qū)。在此區(qū)段內接觸線和中性線平行懸掛，相距500 mm。在此區(qū)段內，機車受電弓同時跨接接觸線和中性線，稱為平行段。

(3)電分相中性線無電區(qū)模型

機車在無電區(qū)受電弓僅與中性線接觸，在此區(qū)段內沒有與任何電氣相連，所以處于不帶電狀態(tài)。機車在該區(qū)段內靠慣性緩慢行駛。無電區(qū)等效電路模型，如圖3所示。

圖3 電分相中性線無電區(qū)等效電路模型

2.2 CRH1仿真模型

2.2.1CRH1型動車組主電路結構

CRH1型動車組主要特點是采用交-直-交變換電機系統。它的轉化過程是將接觸網上的工頻25 kV的高壓電交流降低至車底主變壓器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。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主電路結構示意圖

2.2.2CRH1仿真模型

CRH1動車組的主要參數，如表3所示。

表3 CRH1動車組的主要參數[10]

根據表3相關參數建立PSCAD仿真模型，如圖5所示。圖中只分析1臺異步電機。

2.3 CRH1的整流與逆變控制模型

2.3.1整流控制模型

CRH1型動車組將接觸網25 kV的交流高壓電轉化成900 V交流低壓后，通過整流器將900 V的交流低壓整流成1 650 V的直流電壓，此過程稱為兩電平整流器的整流過程即PWM整流。CRH1型動車組PSCAD/EMTDC的整流模型，如圖6所示。

圖5 CRH1型動車組動態(tài)仿真模型主電路

圖6 CRH1動車組SPWM整流控制模型

2.3.2逆變控制模型

當機車處于再生制動狀態(tài)時，脈沖整流器作為逆變器，將直流電轉換成可以驅動牽引電機的交流電，此過程稱為兩電平脈沖整流器的SPWM調制，CRH1型動車組PSCAD/EMTDC的逆變模型，如圖7所示。

3 機車過分相過程仿真分析

機車通過電分相(A相過渡至B相)過程主要幾個區(qū)段，如圖8所示，分別是：A相供電臂、A相接觸線與中性線的平行段、無電區(qū)、B相接觸性與中性線的平行段、B相供電臂。

圖7 CRH1型動車組逆變模型

圖8 七跨錨段關節(jié)式電分相

(1)機車離開A相供電臂，進入A相接觸線與中性線的平行段的過程中，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電弧放電。隨后機車繼續(xù)運行一段距離，受電弓和中性線的距離持續(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之間保持放電現象，形成1條較長的電弧。直至機車運行到受電弓與接觸線和中性線等高的位置，電弧熄滅。仿真結果如圖9所示。由仿真圖可知：機車進入電分相過程中，由電弧放電產生過電壓。

圖9 機車通過平行段1的仿真圖

(2)機車駛離平行段進入無電區(qū)時，由于A相接觸線的抬高，受電弓只與接觸線相連，惰性通過無電區(qū)。機車進入無電區(qū)后并非無電，中性線上可能由于低頻震蕩產生感應殘壓，幅值如圖10所示。

圖10 機車通過無電區(qū)的仿真圖

(3)機車離開無電區(qū)，進入中性線與B相接觸線形成的平行段的過程中，與過程(1)相似，隨著受電弓與接觸線和中性線距離關系的變化產生第二次電弧，維持一段時間電弧熄滅。機車由無電區(qū)進入B相電分相產生的電弧放電可能產生過電壓，如圖11所示。

圖11 機車過渡至平行段2的仿真圖

在(1)和(3)兩次電弧放電的過程中，電弧將受電弓與中性段、供電臂之間的氣隙被擊穿，使其導通聯系在一起。兩次電弧放電導致導致“機車-牽引網-電分相”的潛在電氣結構發(fā)生突變。

4 結論

電力機車運行通過電分相過程中，由機車-電分相-接觸網構成的系統電氣參數時刻在變化，它們所構成的電力系統的狀態(tài)也隨之變化。電力系統狀態(tài)的轉化必然會引起系統電磁參量的變化，從而容易出現過電壓，對機車的安全運行造成影響。本文主要從以下幾點進行研究：

(1)對牽引供電系統的參數進行工程計算，主要為牽引變壓器、接觸網、相關的電容、電阻、電感等參數，根據計算出來的數據利用PSCAD/EMTDC軟件建立牽引網的仿真模型。

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

(3)將建立的模型結合在一起進行聯合仿真，分析機車過分相過程產生過電壓的位置，為提出抑制過電壓的方法提供一定的理論依據。