基于PSCAD的電力機(jī)車HEMP注入效應(yīng)仿真?

周 行，范麗思，魏子鵬，趙 強(qiáng)

(石家莊鐵道大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 石家莊050043)

0 引言

高空核電磁脈沖（High-altitude Electromagnetic pulse, HEMP）峰值場強(qiáng)高達(dá)5 kA、上升沿僅20 ns、瞬時能量與高頻成分均遠(yuǎn)高于雷電流脈沖，對各類電子設(shè)備及各種長度導(dǎo)線、電纜的響應(yīng)最大可以造成暫時或永久的功能損傷．目前的文獻(xiàn)研究多是牽引供電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)諧波干擾及雷電流防護(hù)，而對于HEMP的防護(hù)研究較少．文獻(xiàn)[1]研究了穩(wěn)態(tài)情況下機(jī)車的諧波情況；文獻(xiàn)[2]研究了HEMP輻照下的線纜耦合情況；文獻(xiàn)[3]比較了1976和IEC 1996兩種標(biāo)準(zhǔn)下的HEMP電纜耦合情況；文獻(xiàn)[4]利用PSCAD/EMTDC仿真軟件，研究了電力機(jī)車升弓浪涌過電壓水平；文獻(xiàn)[5]研究了注入式HEMP對電子設(shè)備的損傷效應(yīng)；文獻(xiàn)[6]研究了架空線路的電磁脈沖暫態(tài)響應(yīng)計算；文獻(xiàn)[7]研究了車輛的強(qiáng)電磁防護(hù)措施．上述研究成果多集中于對電力系統(tǒng)的HEMP線纜耦合效應(yīng)或電力機(jī)車的穩(wěn)態(tài)諧波影響，而缺乏對機(jī)車的HEMP防護(hù)研究．然而隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鐵路在國民生產(chǎn)生活中的作用也愈加重要，因此對其電磁防護(hù)研究有著十分重要的意義．

本文利用PSCAD/EMTDC仿真軟件建立了簡化的牽引供電系統(tǒng)、電力機(jī)車以及HEMP電流源模型，分析了HEMP注入某接觸網(wǎng)點時，對電力機(jī)車內(nèi)部的影響效應(yīng)．

1 牽引網(wǎng)仿真建模

針對某單線鐵路的一個供電區(qū)間進(jìn)行建模和仿真，其牽引網(wǎng)長度為左臂30 km、右臂20 km，采用AT供電方式．其牽引供電系統(tǒng)仿真模型如圖1所示．

圖1 牽引供電系統(tǒng)仿真模型Fig 1 Simulation model of traction power supply system

其中部分模塊的參數(shù)設(shè)置如表1所示.

表1 牽引供電系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置Tab 1 Setting of simulation parameters for traction power supply system

牽引供電回路是牽引變電所、正饋線、接觸線、電力機(jī)車、鋼軌、回流線等組合的回路，其簡化示意圖如圖2所示．

圖2 系統(tǒng)簡化示意圖Fig 2 System simplified schematic diagram

仿真模型各子模型包括牽引變電所，機(jī)車接觸網(wǎng)．

1.1 牽引變電所

其功能是將110 kV的三相交流電轉(zhuǎn)變?yōu)?7.5 kV的單相交流電供機(jī)車使用，核心部件為置于其中的牽引變壓器，本文中采用的是V/X接線的牽引變壓器，其原理圖如圖3（左）所示、仿真模型圖如圖3（右）所示．

圖3 V/X接線牽引變壓器Fig 3 V/X wiring traction transformer

1.2 機(jī)車接觸網(wǎng)

機(jī)車接觸網(wǎng)各導(dǎo)線分布關(guān)系如圖4所示，圖4中數(shù)據(jù)均為實際現(xiàn)場典型數(shù)據(jù)．

對圖4所示的接觸網(wǎng)建模，地面簡化為無限大理想導(dǎo)體，對承力索(M)、接觸線(T)、負(fù)饋線(F)和鋼軌(R)進(jìn)行簡化：由于兩條鋼軌對稱分布，故將鐵軌等效為對稱軸的單根導(dǎo)線；將承力索與接觸線等效為一根平行于鋼軌與正饋線的導(dǎo)線，接觸網(wǎng)被簡化為三根相互平行的導(dǎo)線，簡化模型如圖5所示．

圖4 機(jī)車接觸網(wǎng)Fig 4 Locomotive catenary

圖5 接觸網(wǎng)仿真模型Fig 5 Simulation model of OCS

根據(jù)多導(dǎo)體傳輸線理論以及各條導(dǎo)線的等效型號參數(shù)，計算得到下列各導(dǎo)體單位長度自、互阻抗數(shù)據(jù)如式(1)所示：

導(dǎo)體單位長度的線間互電容如式（2）所示：

通過擴(kuò)展此模型既可得到任意長度的牽引供電線路．

2 電力機(jī)車仿真建模

仿真的機(jī)車型號為為韶山4改進(jìn)型電力機(jī)車，代號為SS4G，機(jī)車主電路主要由主變壓器、三段不等分半控調(diào)壓整流橋以及牽引電動機(jī)等組成[8]，其中主變壓器用單相四繞組變壓器模擬，牽引電動機(jī)等效為可變電阻R和受控電流源組成的串聯(lián)組合，由自定義控制模塊E0與R0控制．由于三段整流橋完全一致，故只仿真其中一段．根據(jù)機(jī)車工作原理建立仿真模型如圖6所示．

圖6 SS4G機(jī)車仿真模型Fig 6 SS4G locomotive simulation model

其穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時直流側(cè)電壓Ud1電壓峰值約為1.47 kV，與理論波形基本一致，證實仿真模型參數(shù)的準(zhǔn)確性．

3 HEMP電流源仿真與注入

3.1 HEMP電流源仿真建模

HEMP波形表示為雙指數(shù)波，其時域和頻域表達(dá)式如式(3)所示．

注入源采用MIL-STD-188-125-1標(biāo)準(zhǔn)的HEMP波形，α=1.4×106s，β=9.5×107s，k=1.08，Em=5 kV/m，波形的前沿tr=20 ns，脈沖半寬度τ(1/2)=500 ns，根據(jù)上述參數(shù)建立HEMP電流源模塊，如圖7所示．

圖7 HEMP波形發(fā)生模塊Fig 7 HEMP waveform generator module

圖8 HEMP電流仿真波形Fig 8 HEMP current simulated waveform

仿真波形如圖8所示，可見電流仿真波形與理論參數(shù)相符[9]，仿真參數(shù)設(shè)置合理．

3.2 HEMP注入效應(yīng)

設(shè)置注入牽引網(wǎng)上行部分接觸線7 km處，機(jī)車內(nèi)部過電壓仿真結(jié)果如圖9所示．

圖9 機(jī)車內(nèi)部過電壓情況Fig 9 Internal overvoltage of locomotive

機(jī)車內(nèi)部部分觀測點電壓注入前后幅值對照如表2所示．

表2 注入前后電壓幅值Tab 2 Voltage amplitude before and after injection

由表2可知，注入后的內(nèi)部電壓幅值激增約70余倍，遠(yuǎn)超機(jī)車的正常工作電壓[10,11]．而在牽引網(wǎng)上同樣產(chǎn)生了嚴(yán)重的過電壓情況，其部分觀察點幅值如表3所示．

表3 注入后牽引網(wǎng)過電壓幅值Tab 3 Overvoltage amplitude of traction network after injection

4 結(jié)論

(1)注入后機(jī)車內(nèi)部普遍產(chǎn)生過電壓，幅值最高可達(dá)約1 992 kV，注入前后機(jī)車內(nèi)部電壓激增約70余倍，嚴(yán)重超出了機(jī)車內(nèi)部設(shè)備的耐壓水平，且具有能量極高、作用時間極快的特點，會對機(jī)車內(nèi)部的電子器件造成極為嚴(yán)重的破壞．

(2)在接觸線與負(fù)饋線上分別產(chǎn)生了大小相近，方向相反的電壓，幅值分別達(dá)到約1 992 kV和-1 554 kV，鋼軌上電壓幅值可達(dá)4.05 kV，三條導(dǎo)線上產(chǎn)生的電壓幅值均遠(yuǎn)超出其正常工作時的水平．