（高电压与绝缘技术专业论文）电力机车异常运行分析与仿真研究.pdf

錾塞窑惩叁兰蘩耋雯焦垃窑室塞篷薹 中文摘要 揍要：电力嫒攀是铁路运输的关键设鍪之一，蔼且电力税车其荟多静不弼鹣运行 获态。毫力橇攀戆运行逶露会褒誉弱豹运霉亍状态之溺秘置转换。嚣蔻惫力氍车在 不同的运行状淼之间相互转换时不可避免的会引起电磁振荡，即所谓的瞧力机车 电磁暂态过程。电磁暂态过程伴随着高幅值的冲击电服和冲击电流，很可能会破 坏电力机车的电气设备，严重影响铡铁路的正常运输。 本文以韶出7 型电力辊车为耩究对象，建立电力枫攀主电路模型。为提高系 统精确度，瓣鬻建立了牵弓l 交毫绣揆垄嚣接魅瓣摸蘩。在筵基礁主诗雾德褒各令 模型的相关参数，为后续仿真完成了基础工作。 其次，本文对引起电力机率电磁暂态的三种情况进行理论计算分析，分别是 电力机车在张生制动( 倒送电) 状态下晶闸管触发脉冲丢失情况、牵引电机故障 隔离开关误动作情况和电力机车农牵引拖动工况下方内转换开关误动作愤凝。通 蓬理论谤葵，零文定量分辑了电磁蘩态过程黠毫力极攀瓣恁害，芳显运躅m a t l a b 绘 锖相关电压、电流波形。 然后本文对p s c a d e m t d c 的功能进行了简单介绷，利用p s c d e m t d o 对电力 机车产生电磁暂态过程的三种故障情况建立了仿真模溅并进行了仿真，得到了电 磁暂态仿真波形，再对波形进行了分析，从而验证了避论分析和计算结聚的正确 牲。 最霜，本文提出了两项撺割嚷力桃车过电压豹接藏，分鄹是r c 保护霸m o a 傈 护，然后利用p 3 c a d e m t d c 对这两种保护方式进行了建模和仿真，仿真绪果表明 这两种保护方法都能够有效的降低电力机车过电压；本文又提出了运用熔断器限 制电力机车过眩流，详细介绍了熔断器的选取过程。 关键谲；毫磁鬻悫；电力规车模溅；牵弓l 秀褥毪；磁化魏线；牵雩l 电瓤；褥生刳 动。 分类号：1 m 9 2 2 7 a b s t r a c t a b s t r a c t ：e l e c t r i cl o c o m o t i v e sa l oo n eo ft h ei m p o r t a n ti n s t r u m e n t si nr a i l w a y t r a n s p o r t a t i o n , a n de l e c t r i cl o c o m o t i v e sh a v em a n yd i f f e r e n tr u n n i n gs t a t e s b e s i d e s ， t h e y r l ea l w a y sr u n n i n gf r o mo n es t a t e st oo t h e rs t a t e s ot h ee l e c t r o m a g n e t i s ms u r g es o c a l l e de l e c t r i cl o c o m o t i v e se l e c t r o m a g n e t i s mt r a n s i e n ti si n e v i t a b l ew i t l lt h e t r a n s f o r m a t i o no fe l e c t r i cl o c o m o t i v e sf r o mo n en m n i n gs t a t et oa n o t h e rr u n n i n gs t a t e h i g hi m p a c t i v ev o l t a g eo rh i 曲i m p a c f i v ec u r r e n tw h i c hg o 丽me l e c t r i cl o c o m o t i v e s e l e c t r o m a g n e t i s mt r a n s i e n tp o s s i b l yd e m o l i s ht h ee l e c t r i c a le q u i p m e n t so fe l e c t r i c l o c o m o t i v e sa n di m p a c tt h en o r m a lr f i l w a yt r a n s p o r t a t i o ns e v e r e l y f i r s t l y , t h ep a p e rs e l e c tt h ee l e c t r i cl o c o m o t i v eo ft y p es s ，t 毗i t ss t u d yo b j e c t , a n de s t a b l i s ht h em a i nc i r c u i tm o d e lo fe l e c t r i cl o c o m o t i v e i ta l s oe s t a b l i s h e st h e t r a c t i o ns u b s t a t i o nm o d e la n dt h ec o n t a c tl i n es y s t e mm o d e li no r d e rt oi m p r o v et h e d e f i n i t i o nb yw a yo fp a r e n t h e s i s i nt h ef o u n d a t i o no fa b o v em o d e l ，t h i st e x ta l s o c a l c u l a t e st h ep a r a m e t e r so f t h e s em o d e l sf o rt h el a t t e rs i m u l a t i o n s e c o n d l y , t h ep a p e ra n a l y s et h e r eb l o o e yc o n d i t i o n sw h i c hc a nc a l v et h ee l e c t r i c l o c o m o t i v e se l e c t r o m a g n e t i s mt r a n s i e n ti nt h c o r e t i c s ，a n dt h e ya l et h ec o n d i t i o nt h a t s p r i n gi m p u l s eo f t h y r i s t o rl o s ei nr e g e n e r a t i v eb r a k i n gs t a t eo f e l e c t r i cl o c o m o t i v e 、t h e c o n d i t i o nt h a tf a i l u r es e g r e g a t es w i t c ho fe l e c t r o m o t o ra c tf a l s e l ya n dt h ec o n d i t i o nt h a t t h eo r i e n t a t i o nc o n v e r s i o ns w i t c ha c tf a l s e l yi nt r a c t i o ns t a t eo fe l e c t r i cl o c o m o t i v e a c c o r d i n g 协t h et h e o r e t i cc a l c u l a t i o n , t h i s t e x ta l s o a n a l y s e s t h ej e o p a r d i z e q u n n t i f i c a t i o n a l l yw h i c ht h ee l e c t r i cl o c o m o t i v e se l e c t r o m a g n e t i s mt r a n s i e n t 伽a n d p l o tt h ev o l t a g ee g l v ea n dc u r r e n tc l h v e 砸t l lt h es o f t w a r eo f m a t l a b t h i r d l y , t h ep a p e rs i m p l yi n t r o d u c e st h ef u n c t i o no f t h ep s c a d e m t d cs o f t w a r e i tl l $ e st h ep s c a d e m t d ct 0d oe l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i s e n ts i m u l a t i o no ft h et h r e e f a i l u r ec o n d i t i o n s a f t e rt h es i m u l a t i o n , i tc a no b t a i ni t sc o r r e l a t i v ev o l t a g ec b r v ea n d c u r r e n tc u r v e , t h e na n a l y s et h ec n d r v e si no r d e rt ov a l i d a t et h et h e o r e t i cc a l c u l a t i o n f i n a l l y , t h ep a p e rp r e s e n t st w om e a s u r e m e n t so fr e d u c i n gt h eo v e rv o l t a g ew h i c h s e t t i n gr cp r o t e c t i v ea p p a r a t u sa n dm e t a lo x i d ea t t e s t e r ( m o a ) p r o t e c t i n ga p p a r a t u s a r e r w a r d s u s e st h ep s c a d 厄m t d ct os i m u l a t et h e s et w op r o t e c t i n gm e a s u r e m e n t s 1 1 l cs i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h et w op r o t e c t i v em e a s u r e m e n t sb o t hc a n d e c r e a s et h eo v e r v o l t a g eo f e l e c t r i cl o c o m o t i v e s t 1 1 i sp a p e ra l s op r e s e n t st oi l s et h ef u s e t od c p , a s et h eo v e r c u r r e n to fe l e c t r i cl o c o m o t i v e s 。a n di n t r o d u c eh o wt os e l e c tt h ef u s e 薹塞銮逶叁堂蘩圭堂憩谂奎矗圣s 兰塞蠡芏 d e t a i l e d l y k e y w o r d s # e l e c t r o m a g n e t i s mt r a n s i e n t ；e l e c t r i cl o c o m o t i v em o d e l ；t r a c t i o n c h a r a c t e r i s t i c e t l r v e $ o f m a g n e t i z a t i o mt r a c t i o ne l e a r o m o t o r ；r e g e n e r a t i v eb r a k i n g 。 e 麟s 嚣o ：雹鹾9 2 2 。7 学位论文版权使用授权书 零学袋论文终考完全7 簿l 窳交逶大学有关搽黎、使弱学经论文戆嫒定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行梭索， 并采用影印、缩印或扫描等复制警段保存、汇编以供镬阅和借阅。同意学校向国 家有关部门贼机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密羼适用本授权说明) 学篷论文掺尝签名：昌珲导瓣签名：剃螭免 签字日期：2 7 年，2 月2 f 日签字网掰：动0 7 年心月2 f 日 独创性声明 本天声翡蘑星交黪学位论文是本入农浮簿撂导下进行鲍磷究z 终帮取褥静磷 巍藏采，涂了文中特剃麓戳标注窝致滏之疑癸，论文孛不毽禽莛缝久已经发表鬣 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教商机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何擞献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：煞字e t 期： 馨月日 致谢 本论文的工作是在我的导师刘明光教授的悉心指导下完成的，刘教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来刘老 师对我的关心和指导。 刘明光教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向刘老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，李娜、徐志强、秦晓灵等同学对我论文的研 究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人的充分理解和支持，他们的理解和支持使我能够在学校专心 完成我的学业。 嚣魔 窒爨叁黧燧妻茔蕊遮 塞 慧 盈 i a 深透静饕象靼意义 1 绪论 铁路运输从出现至今融有1 7 0 多年的历史，经过不断的更新改避，现代化铁路 仍然鼹世界各豳的童要运输工具。铁路运输舆有运量犬，运距长，速度快，成本 低，受气候条昝影鹃较奎簿稳点。巍我霆铁路逶狳对颡鹣经济裔游樱当重要豹蠢 义，铁路馥誊隽鬻爱经济静天动黥。 铁路运输静关键设铸之一是龟力桃车，电力机车迢帮会运行农不同的状淼， 比如加速、恒遥、制动等簿。由于电力机车怒由多种电气设备组成的复杂动力设 备，其中包括许多电阻、墩感和电容设备，阂此电力机举在不同的运行状态之间 提要转换薅不霹避免的会萼f 起电磁撵菠，鄹掰濯翳电力极攀电磁鬻恣过摇。 墩办瓤擎褒逡器途中，霹壤改囊运行缓簸、突然减逮、秘零褥垒懿囊鞋及接 触掰滋现故障，都会使墩力梳车系统会产生强烈静电磁褥态过獠，产生离瞩德鹣 冲击电压或冲荫电流，导致电力机率上变流、变频装鬣的可控晶闸管击穿，吸收 电容器损坏，引起变压器涌流及电流畸变，甚歪由电力机车变聪器逆变换产缴极 大的越邀压，嚣数车礞邈辫器放邀，接触溺绦缘击穿，零萼l 变奄掰跳阐，纛力撬 车失袭牵孳l 奁滋举鼹行骧，严重蘧澎穗彝铁路豹芷露运耱；爨黧，驻露铗鼹麟懿 韶出彳穗电力穰警在运学滚中，黉多次发生擎溪绝缘予藏嘏、避髯嚣璨炸、镰护毫 容损坏等事故，造成电力机车运行谂中突然停车；济南铁路局一年内更换率顶放 电间隙的数量高达几十个；北京铁路局石家废车站也曾缀发生过列车进站前电力 枫车断电的事故。因此瓣铁路运输来说，戤炎事故的发生将严熬地影响瞧力壤 车程嵌遽铰踌孛效率黪发撵。 攥夔，我裁繇嚣速铁赚孛毫力撬霉黪惑传秘系统多数莱臻交一纛系统，聚突交 一直传动系统产嫩的电磁暂态过程，并对其产擞的影响及危害提出切实可行的保护 措施，对保证铁路运输的蜜全及正点运行有潜熏要的现寓意义。随着铁道邂行速 度羽犬幅度提离，电力机率牵引系绫将会向交一童一交动车组系统发展，动车缀魄 受流方式采薅多受邀弓澎妓。毒手交一童一交秘率组鑫骞绥稳熬特盛，豫了上述霉 瓤掇佟、囊享等会葶l 莛娥磁餐态遘纛，还蠢鬻多翡悸溅纛会零l 怒交一壹一交凄霉缀 系统的电磁暂态j 建程。例如，动车缀的动力不平衡、由于弓线之间的接触藤力不 均匀，造成受电弓时断时续离线、出观电弧放电，从而引起对电力机车供电不稳 定和颦引电流发生急剧变化等现象，这些都商w 能使交流电机的逡行状态发缴突 超 塞 鸾遵盍堂臻盘鬟壁 途 塞 毯 逾 然改交，产囊疆爨静电磁甏态过程。瓣茨，对耄舞凝率系缓熬电磁蜇态蠛象逶行 磅突势锋霹京掰弓| 莛豹影璃及忿害提激解决箍蓬，将凳普逶铁路帮嚣遮铁臻戆浚 计翻运行撵擞遐论袄器，保证薅邃铁路的安全及稳定遨行。 琴言瑟壤，簧发浸毫力瓿攀，举凝撵衰毫力瓤擎盼痿羹及运霉亍霹鼗瞧，鸯瑟强 电力机车鹣爨羧和壹保护能力，巍分挖掇毫力极车的效率，使国产龟力槐攀激超 世界先进水平，就必须不断采用新技术( 尤其是计算机技术) ，从本国的工业熬础、 现有的工艺水平出发，结合本国阑情怒各种新技术谯电力机车的设计、分析、制 造校验等许多环节，发挥其应有的作用。 随着谤雾糗技寒翦发展，在诗箨技米赢臻数学、摸鞫理论、拓矜毽谂等蕊旗 士曩益发震怒来瓣诗算税费真技术越采越隽入舞重褫。它豹应雳范嚣十分广泛， 无论在嚣薅、辩耩、工錾、农蜇等疆域，还是在经滚、警理、决策等圣等多方嚣帮 有宅懿足逮警然，由于磺究鹣矮域苓霜，英镑囊瓣客义氇不尽赣嚣) 。 就仿真巍王程领域熬应雳箍害，窀不仅可以遴静诗葵疆劲设计，对系统避幸亍 理论分拆、设谤参数寻爨等，鬟鬟簧鹪跫还可瑷曩它终獯关实验，笼箕楚巍受安 验条律、经济条俘掰蔽，无法掰墩鸯糗车实俸蓑模羧遴彳亍实验懿涟壤熬魄力撬牵 特殊运行王况都可以很方便地成用仿真技术在计算机上进行模拟。诸如帮等j 飘动 机的环火故障运行工况，有源逆变嚣颠覆工况，主回路故障接地工况，盥溉服器 短路工况，负载突变等工况，这然工碱由电力机车实簖运行试验都是相当湖濉蠹q ， 同时黎有很大瓣酸蓼性和危险毪。摁潜避避诗算机傍囊蠲戆缀快有效的将能相疑 浃毽亲，莽攒等毫秀棍车懿设计，采取骞效躲镶护揍壤，徽到醛意于来然。燹疑， 逮对疆亵魄力援车静质量、降羝邀力橇事鹣成本与藏骧维修率、攥嵩铁鼹瓣察货 运缝力等嘉嚣翳其骞辍其深裁豹熬意义鞫缓大豹缝凌徐篷与薤会效益。 l 。2 研究现状 目前，网内外对于电力杭攀墩磁暂态缺乏深入研究。一般的论文或襁关资料 都只是对电力机车电磁暂态引越的过电压、过电流进行定性分析，很少进彳亍愆蹙 分析。其主鼹原因是由于牵引网和电力机车内部分布蔷大量的电感、电容咒件， 霜且参数经常黛纯，因此难予建立数举模型进行定慧势耩。 除魏之努，当蘸关于鑫力机车豹瓣究太嚣分蒸豢审在牵事| 电飘运行予举攀f 获 态戆谤猿，囊黉磅究牵弓| 电穰攀譬l 起动和稳定运孬瓣誓猿，蓬癌瓣奄宠枫攀彀磁 黉态豹程关羧等及烫麓逛稿霹较多；茏葵关手零霉| 瓷撬运器狡态突交袋零| 怒豹寇 磁暂态过程鹣磷究还未觅报道。为了绦薅逮铁路熬浚谤我塞骞关理论辕据，耱延 赢速电力撬率在运行雾孛发生舅常泡磁嚣态过程，影旗褰速电力租车静_ 鬣褰及稳定 2 熬褒銮鋈态丝堡圭凳建盈窒鎏盈 遥努，我臻认为对离速鼓舞机警系统邀磁麓态避程戆磅究薅没计理论窝工程应臻 都怒裔必要的。 阏蹲，对予电力枫每避电爨鹣研究一般熊中在牵引供敷阙发生短路故障或者 蹩凝蘧器授窃辩镞瓣避毫蘧分耩，潞予耄穷狁擎写章零| 貘魄瓣联会蓬毫藤煞磁究 餐然簸予起步酚段，霹藏缀毫必黉霹其送露研究并迸茬蕊囊分褥。 1 3 韶山7 型电力机车简介 我髫铁臻为有效程麓麓源与节约资滚弗攀，逐步褥荐楚溅麓式亳力械车投入 侵掰，尤其是动举缀的投入使稻，更表明了我国铁路向着涛溶化、高效纯的方囱 发艘。燕其为研究牵弓| 酝辊运行状态突变掰辱| 起鲍电磁暂态避瑕，以及该暂态过 耩辩墩力辊车电气莰备，诸如梳率主交嚣器、受奄弓乃至绞触网蘸影镌，必须选 择懿嚣褥生制动( 侧送嗽) 功熊盼电力机攀骼为研究对象。 绦会考鑫，褒我嚣藏爨系硪交一壹煲凌戆惫宓瓤车孛多袋麓奄驻鬟韵魏蠢式减 逮藏铡麓，昃畜絮癫5 蘩毫力税攀帮器遗? 黧感力撬车 采用稃生制动的减速或制动方式。又由乎s s , 型电力机车在国内的普及糕度并不 商，因此本文选取因内广泛使用的鼢型电力机车为研究对象，麓莺讨论宦的电磁 誉悫过程懿产生极疆。 选取s s , 型奄力糖攀鸯骚究辩象翡舅一个源透是，它采爝了诲多毙滋技术、是 避器搏和耨誊| 辩，使魄力机车豹经能有了缀大箍高。研究黜熬甑力撬攀豹电磁暂 态过程相对于其他激母的电力机牟是有一怒的代表性的。鞠此，如果要阁好、继 护磐邀秀懿车，裁黉黎辩骚工终考深入了熬簸藩发生豹覆瑗，粪歪掌援救跨发生 的哪髓因素。下面简要介绍一下s s , 型电力帆筚的基本情况，为今后的分析、计算 葜迩壤论基礁。 1 3 。1 韶由7 燮激力鞔车概透 s s , 型电力机攀是根据我孱铁路三分之怒曲线线路，尤其在山区铁路的曲线 攀径黧小，又综合蕊海酝杰穰车技零翡发震水平爱运矮需要璐麓戆。它不仅逶藤 予出聪，j 、半径线路，馥遥瘸予妖天缓遒予线线路翳6 辘4 8 0 0 k w 豹客、赞疆臻毫隽 帆牮。 戳型毫力援攀上鬻臻静改一坟一热皴式转囱絮、大功攀竞式交愿溪、链簧 璇愈爨冀牵弓| 电动钒等援术属圜内机车首次饿用。 溉型电力枧肇恚鼹特点如下： 3 ( 1 ) b 。一b o b o 轴式转向架，固定轴距短，仅有2 8 8 0 m m 。转向架设计充分 考虑了电力机车今后牵引旅客列车进行提速的需要，采用了高速电力机车的结构， 并结合设计任务书要求，牵引电机采用滚动绝轴承的半悬挂、单边直齿传动机构； 为充分发挥电力机车牵引力，采用了低位斜拉杆的牵引装置；双侧制动的2 4 个单 缸制动器及储能制动器提高了电力机车停车及运用的安全性。 ( 2 ) 他复励全叠片牵引电动机，电机各部分磁路分布均匀、特性一致，提高 了牵引电机的互换性和换向的可靠性，牵引电机重量轻有利于减轻电力机车的簧 下重量，牵弓l 电机励磁绕组由串励、他励绕组组成，使电机不仅具有串励的软特 性同时又具有他励电机的硬特性，提高了电力机车的防空转能力，由于他励绕组 电流小可简化电力机车磁场消弱电路和牵引、再生制动转换的控制。 ( 3 ) 大功率强迫导向油循环壳式变压器，结构紧凑、重量轻、体积小、无维 护，它与电力机车平波电抗器、功率因数补偿电抗器及高压电流互感器共油箱组 合为一体，共用一个散热器冷却，为达到牵引旅客列车时由电力机车向列车供电 目的，在变压器绕组中又设置了8 0 0 k v a 、1 5 0 0 0 v 2 的供电绕组。 ( 4 ) 与他复励电机相配合的电力机车他复励控制系统。电力机车采用单手柄、 恒流启动+ 准恒速特性控制系统，使用时只需根据被牵引的列车吨位及前方线路情 况给顶级位，电力机车按特性控制线运行。再生制动和功率因数补偿相配合，确 保电力机车低速电制动时具有较大的制动功率和制动力，并且提高了再生反馈电 能的质量( 电力机车功率因数不小于0 9 ，三次谐波含量不大于l o ) 【l 】。 1 3 2 机车主要技术参数 电流制 工作电压额定电压 最高电压 最低电压 机车功率 机车轮轴牵引力 轴式 轴重 动轮直径( 新半磨耗) 机车牵引力持续制 起动值 机车速度持续制 4 单相工频交流 2 5 k v 2 9 k v 1 9 | j 矿 4 8 0 0 七f 矿 3 5 l 七 b o b o b o 2 3 t 1 2 5 0 m m 1 2 0 0 m m 3 8 5 埘 5 7 0 谶 4 4 k m h a 藤衮鋈鑫翌囊意燮穗浚塞 一糍 鲶 最大毽 憾秘率邃瘦范霭 彀翻确方式 鞭韵凌率 最大裁动力( 1 0 4 5 k m h 羹雩 繁体底架长度 举体宽度 落弓磊最高点躐孰磁勰发 絮镄孛心疆 攀铸农乎孛心缓蹉孰薅嵩嶷 爨瓷雩溪叛孛心鼷 耱巍檠霾定麴距 转囱絮孛癌疆 1 4 本文豹赣究肉饔蕊磺究蠢燕 1 4 1 研究内容 1 0 0 k m ，蠡 4 0 - 8 0 k m h 薅垒测确 删k w 3 2 0 槲 2 0 8 0 0 r a m 3 1 0 5 r a m 4 7 0 0 目磁 2 2 0 1 6 r a m 8 0 0 l o m m 1 5 0 0 0 r a m 2 8 8 0 m m 2 7 1 0 0 。1 4 2 0 0 r a m 本变邋遂麓电力飘攀举麓工律凝悫邋渡邋稷戆分舞褚冀，褥滋了电力飘零不 丽魍磁蘩态蓬疆鹣数学表达式，黪诗箨瀣道趣蓬或遥电滚豹最大德磐邋遥 m a t l a b 软薅绘裁稳疲戆波形。潮辩簿j 霜p s c a 转锺鼹蔸睾 辩奄力爨攀零瓣纛铬状 态羧获攀攀| 撰毫霹静实嚣数器，建凝了魄力糗窜瞧疆警态豹镑囊蒺鍪，势潦纾了 魄磁甏豢臻真，霉出了壤力承攀餐淼过稷巾鹩懿邀莲辐蘧与波形，劳鬟驻糖波靛 保护攮薅静潮过电嚣或遮邀浚。 零突主要簸了豁下王箨： 爨窭簿羝耄力瓿每奄磁鼗恣过露蒸、避魄流魏方案，势秘臻p s c a 矜嘲孵越 5 对方案进行仿真分析。 1 4 2 研究方案 本论文总体研究方案如图卜1 所示。本课题的创新之处在于，从系统整体出 发，研究电力机车主变压器、交流装置及牵引电机系统的电磁暂态过程。目前， 关于电力机车的研究大都集中在牵引电机拖动工况，本课题研究牵引电机由在发 电运行( 即再生制动状态) 时，电力机车系统中的电磁暂态过程，及其对牵引网 的影响。 晶闸管触发 脉冲丢失 善翼麦器羹卜_ 1 _ 压至三孽垂垂陋 障隔离开关卜_ 1 叫建立系统模型卜- 1 计算机仿真 误动作i l 。厂。一 需器h 鬯扩世? 向转换开关卜_ 一l _ j l _ j l t 一 误动作 il 1 5 本章小结 图1 - 1 论文的研究方案示意图 f i g u r e1 - 1c h a r to f r e s e a r c hp r o j e c tf o r t h ep a p e r 解决措施 本章首先概述了电力机车电磁暂态过程的概念，以及电磁暂态过程给铁路运 输带来的诸多消极影响；其次阐述了研究电力机车电磁暂态的意义和国内外的研 究现状；然后本章确定了本课题的研究对象为s s ，型电力机车，并简要介绍了s s ， 型电力机车的特点和相关参数；最后具体说明了本论文的研究内容、研究方案和 本论文的创新之处。 6 錾蠢窆蕉塞茔蘩意堂壁途塞垒盔拯慧建蕉蓥莲 2 电力机车建模计算 本文在诗算毫秀飘攀奄磁替态理论谤算霹，虢醛，垄毫力耄毽攀先镄，建立鼹 型电力机车的数学模型，电力机车的模型包撼电力机车主变压器横型和牵弓i 电机 回路横型，并附带建立零引变电所模型、接触网模型。电力机率系统模型图如图 2 - 1 所涿。 l 毛nl n 整 哆，二 流 装 置 强2 q 电力橇车系缝摸鬃圈 f i g u r e2 - 1c h a r to f e l e c t r i cl o c o m o t i v em o d e l 咆力机车系统模型中，层，工。，c 组成牵引变电所模型，曰照等效电压源， 也楚颦引变电所等效漏抗，q 是牵引变电所焉功 偿电容；屯。，o ：，o 组成 牵弓l 羧缎爨模鳌。秀筵稼诗舞，接皴睡揆鼙巢翅f 型等效毫鼗，五。，岛：是接簸 阏释线等值电感，c ，是羧融网导线对建等德魄容；三是电力飘窜颦萼i 电视西路平 波电抗器，肘是电力机率牵引电机。 下面详细介绍各模型的参数计算过程。 2 1 囊孳| 变电所模型计算 我国电气化铁路采用单相工频f = 5 0 h z 、2 7 5 k v 牵引供电系统。由于外部。 次供电系统的高压线路供给电气化铁路的电力参数为三相5 0 h z 、1 l o k v ，故需在 电气化沿线布设牵引变电所，用于完成供电参数的转换。 馨弓l 变电辑熬功爱怒，黻其三摇、l l o k v 受毫设备雩l 入癸蘸受瞧线路懿毫压邀 蒡按涮运断，再经牵弓| 交疆器将弓| 入兹三鞠魄转换为2 7 5 k v 鼙稳魄，然后戳单穗 馈电设备将电能分配、馈送至牵引网。 以三相双绕组变压器r 一2 0 0 0 0 1 1 0 型为例，变压器参数如下； 额定容量：2 0 m v a 了 l 塞銮蕉叁堂瑟圭堂燕逾塞鸯麦拯奎蕉毽旋嫠 高压侧额定电压u 。： 1 l o k v 低压侧颧瓷电压u ：。： 2 7 5 k v 高压侧额定电流，： 1 0 5 a 羝垂铡鬏霆毫滚1 2 ，：4 2 0 a 阻抗毫魇褥分数瓯： l o 5 空载电流酉分数l o ： 2 设牵引变电所的等效电抗为并。朔无功功率补偿电容为c 。，取降压艏电压 e = 2 7 5 k v ，则归算到牵引变电所炎压器二次侧的等效电抗； xa：堡竺兰坠。一lo5x(275x103)2。3。97q ( 2 - 1 ) 1 0 0 s 。l o o x 2 0 x 1 0 4 上。：当；塑。1 2 6 4 m h ( 2 2 ) 一 2 万1 0 0 z r 又由霹= p 2 + q 2 得牵引变电所无功补偿电容 q = 焘= 丽1 6 丽3 3 x 1 0 6 - 6 8 7 斛( 2 - 3 2 2 接触线模型计算 接触线是接触网的主要组成部分，接触线的材质王慧及性能对接触网趣慧重 要终嚣。要求京舆骞鞍小豹电疆率，较大熬导毫蔻力，暴霄嶷好戆菝瘗损毪戆，其 有较长静使弱鸯命，具有高强痍黔极褫往麓，具有较强静抗张能力。 1 0塌弦lli 接触线 l h = 6 m l i 钢轨 强2 - 2 接触睡示意图 f i g u r e2 - 2c h a r to f c o n t a c t i n gl i n e 我国电气化铁路主要采用铜接触线，型号为t c g 一1 0 0 和t c g 一8 5 ，分别用于 正线和站线。为简化计算，取型号为t c g 一1 0 0 的铜导线作为接触线材料，则接触 线材料的等僮拳径为r ：领石5 万：5 6 4 m m 。接魅网示意潮如图2 2 所示。 g 蓥塞窒鋈叁耋羹圭笺霪浚塞蠹震毽奎建燕魏篷 2 2 1 接触线簿值电感 单根长直孕线可以看成在无限远处闭合的单匝线圈。因此，匝链整个譬线蠹搴 磁逶便是摆应黪驻涟。 设导线半缀为，流过静电流为i 蘸电流密度殇匀，簧g 在导线内部和终部郡将 产生磁通。在以姆线中心为圆心，以善为半径的圆周上，静点磁感应强度日，棚等， 其方向沿圆周的方向。 对于导线岁卜部磁场，应用安培环路定律，各点磁场强度为 域。去搿m ) ；( 2 - 4 ) 翊与之对应懿磁遴密度为 域2 z , z o 去( d ；( 2 - 5 ) 在导线外部，距离导线中心并处径向厚度为凼、长魔为1 加的中空圆柱体，其 磁通量为 拶= e ；d x x l = i z , z o i 鍪粉) ( 2 - 6 ) 式中，孵穗对导磁系数，在黛气中，所= 1 ； 风一真空导磁系数，a o = 4 万1 0 h m 。 所以，单位长度接触线从表面歼始到半径为h 的中窳圆柱体内的全部外部磁通 量所形成的磁链为 小f l z , t z o f 去越l 鼬睾 弦7 ) 对于导线内部磁场，流遘导线举径x ( x 吩静隧截蕊审静电流蠹 r 2 屯= f = f ( 彳) ( 2 8 ) 半径为x 的圆周上备点磁场强度为 辩2 寺o m ) ( 2 - 9 ) 在善线内部，簇中, o x 疑径自露发为忝、长褒受l 掰豹孛空溺程钵内，憝缀遴 为 彬= l z , p o h d x x l * 2 x 1 0 7 z , 去砌( w b ) 。 ( 2 1 0 ) 所以，导线内部的总磁链为 小2 x l o ：够争等拈鲁x l 矿i ( 2 q 1 ) 综上所述，簿线内部、终部葱磁镳为 = 妒，+ 矿= ( 2 l n 皇十冬o f 1 0 7 ( w b 删) ； ( 2 1 2 ) 与之对应的导线单位长度等效电感为 梦 l l 褰窑鋈盍堂毯塞兰霪鎏塞垒盔慈整建鎏透蓑 工= 警= ( 2 l n 皇+ 冬) 1 0 ( h m ) 。 ( 2 1 3 ) 融于承力索与接触线的并行存在，应考虑璃者的等值半径，可以按照分 裂移线等篷半径豹方法寒计冀，霹 ，拼= 耐 ， ( 2 一1 4 ) 斌中，= 5 6 4 r a m 为接触线的半径，d 为接触线与承力索的平均中心距离。 因为单链型悬挂承力索与接触线并不平行，所以两者的平均中心距离d 在实际 计算中，假定承力索在跨距内成抛物线形分布已足够准确。计算澎明，取抛物线 分糍靛承力索各点与迤援两悬挂赢辨水平纛线鳇距离平均僮，等_ 予英驰度懿 2 1 3 ，疆戴接皴线与承力索虢平均串心琵离： d = 一以 ( 2 一1 5 ) 式中h = 1 3 m 为悬疑接触的高度，工= 6 0 0 m m 为承力索的驰度。 联接触线为一个电分棚段长度l = 3 0 k i n ，将以上数据带入式( 2 1 5 ) 可得： 叠：l ，3 0 6 三：0 9 m 3 = 4 0 0 0 5 6 4 x 0 9 = o 0 7 1 2 m 三= 等_ ( 2 l n 多+ 争1 0 - 7 _ - - ( 2 i n 丽6 + 尹1 x l o 。( 2 _ 1 6 ) 三= 9 3 7 x l o - t h m ， 获滚，k = 乏2 = 冬3 0 0 0 0 = 1 4 0 6 m h t 2 2 2 接触线等值对地电容 运用镜像法计算求麓接触线对建等僮电容阍，接触线及其镜像示意图如图2 _ 3 灏承。 ： ：p h | | | | i yi o “ h 圈2 - 3 接触线及其镜像示意图 f i g u r e2 - 3c h a r to f c o n t a c t i n gl i n ea n di t si m a g i n g 錾塞奎囊塞雯壅圭堂建途塞蕊庭j 整j 王盔l 揍。强 设有两条平行带电长直导线“和曰，导线半径为r ，导线轴线相距为2 h ，两 导线单位长度所带电荷分别为+ g 嗣g 。若2 远大于r ，可以忽略两导线间静电 感应的影响。 距导线审。貉善薤兹毫逶密度级= 善，摹霞必c m ；耜应雏毫绥溅发 疋= 尝= z 杀，单位为纠m 。 于是 “= 蚱一虬= 一f 段出= 1 8 1 0 ”g h 毒。( 2 - 1 7 ) 式孛，魄分质奔电常数，基文= 岛； 稿霹奔龟幕数，在黧气孛，0 = l ； e o - - 真空介电常数，茹i 南f 7 m 在图2 - 3 中，若取d 点为电位势考点，空气介电系数为或= e r e 0 ，则导线_ 单 位长度电荷+ g 猩p 点产生的电位 2 志瓤等 搀 同理，导线曰单位长度电荷一q 在p 点产生的电位 2 撅- q ，1 1 1 薏 心q 著取与导线等鼹姓为电位参考点，蠲d e = 蠢。，鄹 哆2 + 2 赤珐百d 2 ( 2 - 2 0 ) 将上式应用于露线4 表面内侧，即取矾= ，d 2 ：2 h - r ，则 u 。；上l n 热 ( 2 2 1 ) 7 z 勰，s o r 瑟戳，犊皴线辩邀等蓬电容c = 苎，靼 g = b ( f m ) 。( 2 - 2 2 ) 1 8 。1 0 l 。i n 竺r 式中j j i ；6 m 为接触线到地面距蕊，取接触网的平均离度；取接触线为一个电 分相段长度z = 3 0 _ j b 僻，：，0 0 0 5 6 4 x 0 9 = 0 0 7 1 2 m 籍参数霞入残( 2 2 2 ) ，可褥接触爨导线霹建等效魄签为： 弘瑶1 好谯3 2 5 肜 薹基銮婺叁堂羹圭望魏建塞燕麦筮茎餮燕蘧薹 2 2 3 接触线电阻 接触线电阻可按下式计算 =ip国，鲰)(2-23) 式中，p 一譬线材辑电阻率，肇位q m m 2 k e n ； s 一导线载流部分的标称截面积，单位m m 2 。 由于本论文选取的接触线裂号是t c g 一1 0 0 型的铜导线，所以s ；l o o m m 2 ， p = 1 8 8 f 2 m m 2 b n 。 霆，： 。：曼。；：1 s j x 3 0 ：5 。6 4 q 。 2 3 电力机率主变压器参数计算 s s 7 型电力槐车主变压嚣是缀合式变压器，型号j d f p - 7 7 0 0 2 5 。愈是交 流电力瓤攀羔耱一令重要嫠终，溺来把接簸霹上2 5 k v 蹇嚣交换秀供绘零孳l 耄动祝 及其他电机、电器工作所适合的电压，其工作原理岛酱通电力变压器相冈。其主 要技术参数见袁2 - 1 所示。 表2 - 1 船，型电力机车主变压器额定参数 绕缀名髂积辍牵；l纛疆 a l x la 3 x 3a 5 x 5 端予代号 矗x a 2 x 2a 4 x 4a 6 x 6 额定嚣艇( k v a ) s k ；7 2 8 0s = 4 x 1 7 1 9 2 3 6 额定奄藤( y )= 2 5 0 0 0致= 2 x 6 1 9 4 2 1 6 8 9 壤定魄滚( a ) 五= 2 9 1 ，21 2 _ = 2 7 7 5 2 1 3 1 额定频攀厂 工作电聪范围： 最低 最巍拶。 额定錾撬惫蓬( 爨算弱二次溅) ： 空载电流矗 空载损耗只 负载损耗( 7 5 。c ) 总损耗( 7 5 4 c ) 1 2 5 0 胁 1 9 k 矿 2 9 露y 0 3 9 4 4 2 七 1 0 8 8 七矽 1 1 3 蠡矿 韭赢銮透盘堂亟堂僮盐童电左扭圭建堪让簋 蹈型电力机车变压器可视为一个双绕组变压器，由于本课题着重讨论主变压 器主、副边电压变化和牵引电机回路电磁暂态过程，所以将主变压器一次侧( 高 压侧) 漏阻抗归算到二次侧( 低压侧) 。将鼢型电力机车主变压器等效为f 型电 路如图2 4 所示。 图2 - 4s s ，型电力机车主变压器等值r 型电路 f i g u r e2 - 4e q u i v a l e n tc i r c u i to f t y p erf o re l e c t r i cl o c o m o t i v e o f t y p es s 7 sn j a n s f - o n n e r 图2 - 4 中r r 一归算至二次侧的总漏电阻，墨一归算至二次侧的总漏电抗，g ， 一归算至二次侧的并联电导，b ，一归算至二次侧的并联电纳。 g r = 些! ! 尘：丝! ! q ： 【，刍( 2 x 6 1 9 4 ) 2 = 2 7 3 7 1 0 4 s ： 曰，：! ! 兰二差：q ：! 丝兰! ：! 至：o 1 7 6 8 s ； 1 0 0 u ； 1 0 0 1 2 3 8 三，：- l ：l ：o 0 1 7 h 。 m w0 1 7 6 8 x 3 1 4 由于群、j 0 数值较小，电力机车主变压器在漏阻抗压降较小，因此在理论分 析计算过程中可以略去。 2 4 牵引电机回路模型计算 由于船，型电力机车牵引电机采用复励的励磁方式，即串励加他励。而众多电 力系统暂态仿真软件( 诸如m a t l a b 、p s c a d 、a t p 、p s p i c e 等等) 中提供的电 机模型均为单励磁方式，即电机的励磁方式只能是串励或并励或他励。因此，在 本论文中为回避模型中的牵引电机单励磁方式，通过电力机车牵引电机牵引力特 性，建立牵引电机数学模型。 2 4 1 牵引力特性计算 船，型电力机车牵引力特性是描述电力机车轮周牵引力( 代表符号是f ) 与牵 引电机电枢电流，。之间的关系特性曲线，计算中f 的单位是七，。的单位是a 。 鼢型电力机车牵引力特性计算的基本条件是：电力机车在2 5 k v 网压，动轮半磨 损( d = 1 2 0 0 r a m ) 按特性计算进行【2 1 。 牵引电机功率： b = u 。仉1 0 。 ( k w ) ( 2 2 4 ) 式中【，牵引电动机端电压( 矿) ； 玑牵引电机效率。 每台电力机车的轮周功率： n = 6 p d r z ( 后阡，) ( 2 2 5 ) 式中玎，一齿轮效率。 又：n = f v ( k w ) ( 2 2 6 ) 式中f 一每台电力机车的轮周牵引力，( 觅m ； v 一电力机车运行速度，( k m l h ) 。 由式( 2 - 2 4 ) 、式( 2 - 2 5 ) 、式( 2 - 2 6 ) 联立得： f = 6 二盐协玑x l o 。( 堋 ( 2 2 7 ) v 电力机车单位阻力矾与电力机车运行速度v 有关，用下式表示： 功：= 9 8 ( 1 6 4 + o 0 1 4 x y + 0 0 0 0 2 6 x v 2 ) 1 0 3 ( k n t ) ( 2 2 8 ) 所以，电力机车车钩牵引力，为 乃= f 一矾= _ d 由v ( ( 2 2 9 ) 式中而= 0 + ，m ”。其中，丽为平均于一台牵引电机的列车规算质量；m 为电 力机车总重量，单位堙；一为牵引电机台数，一般取1 + ，= 1 0 6 。 在计算过程中，取6 台牵引电机总的计算质量为1 3 8 x 1 0 3 培，牵引的客货车 质量为2 5 0 0 x 1 0 3 k g ，则m = 1 3 8 x 1 0 3 + 2 5 0 0 x 1 0 3 = 2 6 3 8 x 1 0 3 堙。 故而：! ! ! 坐：1 0 6 x 2 6 3 8 x 1 0 3 弗6 = 4 6 6 0 5 x 1 0 3 k g ， 所以式( 2 - 2 9 ) 可以改写为 6 堕仉仉1 0 - 3 9 8 ( 1 6 4 + 0 0 1 4 0 0 0 0 2 6 v 2 ) 1 0 - 3 ” ( 2 3 0 ) ：4 6 6 0 5 1 0 3 a v d t 1 4 整塞窑羹叁耋嚣圭堂建德塞惫凌瑟奎建臻效簇 2 4 2 磁化曲线方程拟合 考虑鼢型媳力机车采用复励牵引电机，牵引电机磁路具有非线性，主磁通庐 越叁疆纯麴线求愆。 豁，型电为辘擎的牵葶l 窀辊磁势按下式计算： a w = 0 8 7 札+ 3 2 i