[发明专利]一种高铁站场内电弧烧损钢轨绝缘节的暂态过程分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及电气化铁路动车组安全运行技术领域，特别是一种高铁站场内电弧烧损钢轨绝缘节的暂态过程分析方法。

背景技术

为保证轨道电路断轨检查，在高速铁路站场侧线处设有切断点。设置切断点会使得站内侧线接发车的动车组牵引回流只能从股道一侧流回牵引变电所，牵引电流单向回流的方式造成动车组轮对在过切断点绝缘节时发生电流的瞬时联通和瞬时切断，可能引发高强度电弧。现场勘查和已有研究表明，电弧会造成轨道电路绝缘节处钢轨轨头的烧损，缩短钢轨使用寿命，影响列车运行安全，并且在国内的高铁站场内已多次发现。

国内外已有部分学者对电弧灼烧钢轨绝缘节的问题做了一些研究。现场调查发现电弧灼烧钢轨绝缘节的烧熔痕迹均为列车运行时轮对离开的钢轨侧。由于在高铁运营条件下组织现场测试非常困难，且直接测试钢轨中的电流也不具备可行性，因此现有的关于电弧灼烧切断点绝缘节的研究均基于电力系统电磁暂态仿真软件搭建电磁暂态模型。鉴于并非所有非线性电弧等效模型及其它时变模型均可以用相同模块替代，且对于不同模块均存在参数匹配及初始化设置问题，当网络拓扑结构变化时，需要重新放置和逐个修改各单元模块参数，操作复杂，不便于普遍应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高铁站场内电弧烧损钢轨绝缘节的暂态过程分析方法，根据牵引网和动车组的网络拓扑结构，构建等效电路状态空间模型，求解对应的微分方程，得到轮对过站场钢轨绝缘节时电气参数瞬态变化情况。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种高铁站场内电弧烧损钢轨绝缘节的暂态过程分析方法，包括以下步骤：

步骤1：将轮对跨接切断点绝缘节的过程分为三个暂态过程，分别是轮对到达切断点、轮对跨接切断点两侧钢轨、轮对离开切断点后侧钢轨产生电弧；

第一暂态过程分析轮对到达切断点前绝缘节两端电位差；第二暂态过程分析轮对跨接切断点两侧钢轨后，流过切断点绝缘节的牵引电流；第三暂态过程分析轮对离开切断后侧钢轨产生的电弧电压及电流特征；

步骤2：根据每个暂态过程中牵引网、动车组、钢轨的电气结构，分别建立对应的等效电路状态空间模型；建立的等效电路状态空间模型由n个R、L、C、G构成的π型单元串联而成，R、L、C、G分别代表给定长度钢轨的电阻、电感、对地电容和泄漏电导；

所述π型单元为：电感L、电阻R、对地电容C串联，对地电容C并联泄漏电导G，所述泄漏电导G两端连接下个单元；

步骤3：选择钢轨线路的电压和电流为系统的状态变量，由轮对注入钢轨的牵引回流为系统的输入变量，基于每个暂态过程的等效电路状态空间模型，选取状态变量，列写对应的状态方程：

式中：x(t)表示系统的状态变量矩阵，表示的x(t)导数矩阵，u(t)表示系统的输入变量矩阵，A和B分别表示等效电路状态空间模型的系统矩阵和输入矩阵；

步骤4：确定各个暂态过程的电气参数并代入步骤3中列写的状态方程中，具体为牵引回流确定系统输入变量，牵引回流汇入钢轨的位置与牵引变电所间距离确定n，钢轨的电阻、电感、对地电容和泄漏电导，然后在Matlab中求解状态方程得到钢轨电压值和电流值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过对牵引网和动车组进行等效电路状态空间模型的建立，分析并计算得到轮对过站场钢轨绝缘节时电气参数瞬态变化情况，为研究和解决高速铁路站内钢轨绝缘节电弧烧损现象提供依据和参考；本发明方法对于研究牵引供电系统中其他非线性时变的电磁暂态过程同样适用。

附图说明

图1为动车组普通轮对过钢轨回流切断点的三个暂态过程示意图。

图2为动车组泄流轮对过钢轨回流切断点的三个暂态过程示意图。

图3为站场侧线示意图。

图4为CRH380BL动车组电气结构示意图。

图5为CRH380BL动车组电气结构简化示意图。

图6为第一暂态过程等效电路状态空间模型示意图。

图7为第二暂态过程牵引电流分流示意图。

图8为第二暂态过程等效电路状态空间模型示意图。

图9为第三暂态过程等效电路状态空间模型示意图。

图10为第一暂态过程中ul1波形图和第二暂态过程中il1波形图。

图11为轮对过钢轨绝缘节切断产生的电弧电压电流波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。