动车组列车接地系统等效电路模型构建方法与流程

1.本发明属于动车组列车接地系统技术领域，更具体地说，是涉及一种动车组列车接地系统等效电路模型构建方法。


背景技术：

2.目前，我国的高速铁路均采用25kv的接触网对动车组列车供电，为了使主电路电流及列车上的车体电流能通过轨道回流到变电所，进而保障动列车车组人员的人身安全以及相关电气设备的可靠运行，列车相应须具备良好的接地性能。具体而言，列车的接地性能由其接地系统优劣决定，当接地系统设计不佳时，易导致列车电磁兼容效果较差，进而产生电磁干扰，或者导致接地电流过大，致使列车牵引电流回流不畅，进而腐蚀轮轴及碳刷，给动车组列车的正常运行带来安全隐患。
3.因此，动车组列车的接地系统设计十分重要，且为了分析接地系统的性能，一般需要对接地系统进行仿真建模分析，虽然前人已经针对不同型号的动车组列车接地系统分别建立了具有针对性的等效电路模型，但目前仍然缺乏普适性的建模方法，致使分析效率不佳。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种动车组列车接地系统等效电路模型构建方法，旨在解决目前对接地系统进行仿真建模分析时，缺乏普适性的建模方法，致使分析效率不佳的问题。
5.为实现上述目的，本发明采取的技术方案是，提供一种动车组列车接地系统等效电路模型构建方法，包括如下步骤：
6.根据动车组列车的接地系统拓扑结构及编组方式得到动车组列车的接地回流网络，接地回流网络包括车体回流路径、接地线缆回流路径、钢轨回流路径、车体等电位线缆回流路径及接地电阻回流路径；
7.计算各车体回流路径的接地阻抗、各接地线缆回流路径的接地阻抗、各所钢轨回流路径的接地阻抗、各车体等电位线缆回流路径的接地阻抗及各接地电阻回流路径的接地阻抗；
8.根据接地回流网络及各车体回流路径的接地阻抗、各接地线缆回流路径的接地阻抗、各所钢轨回流路径的接地阻抗、各车体等电位线缆回流路径的接地阻抗，以及各接地电阻回流路径的接地阻抗建立动车组列车接地系统等效电路模型。
9.在其中一个实施例中，车体回流路径的接地阻抗的计算公式为：
10.zr＝lr(r1 jωl1)
11.式中，zr为各车体回流路径的接地阻抗，r1为车体单位长度电阻，l1为车体单位长度电感，lr为各车体回流路径分别对应的每段车体长度；
12.接地线缆回流路径的接地阻抗的计算公式为：
[0013][0014][0015]zn
＝ln(r1 jωl2)
[0016]
式中，zn为各接地线缆回流路径的接地阻抗，r2为接地线缆单位长度电阻，l2为接地线缆的单位长度电感，ρ1为接地线缆电阻率，r为接地线缆截面半径，μ1为真空磁导率，ln为各接地线缆回流路径分别对应的每段接地线缆长度；
[0017]
钢轨回流路径的接地阻抗计算公式为：
[0018][0019][0020]
zg＝lg(r3 jωl3)
[0021]
式中，zg为钢轨回流路径的接地阻抗，r3为钢轨单位长度电阻，l3为钢轨单位长度电感，k为修正系数，p为钢轨横截面周长，ρ2为钢轨电阻率，f为钢轨垂向振动频率，μ2为钢轨的相对磁导率，lg为各钢轨回流路径分别对应的每段钢轨长度。
[0022]
本发明提供的动车组列车接地系统等效电路模型构建方法的有益效果在于，上述动车组列车接地系统等效电路模型构建方法中可以根据各种动车组列车的接地系统拓扑结构及编组方式得到动车组列车的接地回流网络，并计算接地回流网络中每一回流路径的接地阻抗值，即可以通过接地回流网络及此接地回流网络中每一回流路径的接地阻抗值构建动车组列车接地系统等效电路模型，针对不同的动车组列车系统都具有较好的普适性，提升了对动车组列车接地系统的分析效率。
附图说明
[0023]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024]
图1为本发明一实施例提供的动车组列车接地系统等效电路模型构建方法的流程图；
[0025]
图2为本发明一实施例提供的动车组列车编组方式结构示意图；
[0026]
图3为图2所示动车组列车的接地系统部分拓扑结构示意图；
[0027]
图4为图2所示动车组列车中3号车的工作接地等效电路模型；
[0028]
图5为图2所示动车组列车中3号车的保护接地等效电路模型；
[0029]
图6为根据本发明一实施例提供的动车组列车接地系统等效电路模型所得的1-4车的轴端接地电流幅值仿真统计结果图。
具体实施方式
[0030]
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0031]
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
[0032]
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0033]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0034]
请参阅图1，现对本发明一实施例提供一种动车组列车接地系统等效电路模型构建方法进行说明，上述动车组列车接地系统等效电路模型构建方法包括如下步骤：
[0035]
步骤s10:根据动车组列车的接地系统拓扑结构及编组方式得到动车组列车的接地回流网络，接地回流网络包括车体回流路径、接地线缆回流路径、钢轨回流路径、车体等电位线缆回流路径及接地电阻回流路径；
[0036]
步骤s20：计算各车体回流路径的接地阻抗、各接地线缆回流路径的接地阻抗、各所钢轨回流路径的接地阻抗、各车体等电位线缆回流路径的接地阻抗及各接地电阻回流路径的接地阻抗；
[0037]
步骤s30：根据接地回流网络及各车体回流路径的接地阻抗、各接地线缆回流路径的接地阻抗、各所钢轨回流路径的接地阻抗、各车体等电位线缆回流路径的接地阻抗，以及各接地电阻回流路径的接地阻抗建立动车组列车接地系统等效电路模型。
[0038]
本发明提供的动车组列车接地系统等效电路模型构建方法的有益效果在于，上述动车组列车接地系统等效电路模型构建方法中可以根据各种动车组列车的接地系统拓扑结构及编组方式得到动车组列车的接地回流网络，并计算接地回流网络中每一回流路径的接地阻抗值，即可以通过接地回流网络及此接地回流网络中每一回流路径的接地阻抗值构建动车组列车接地系统等效电路模型，针对不同的动车组列车系统都具有较好的普适性，提升了对动车组列车接地系统的分析效率。
[0039]
进一步地，在上述步骤s20中，车体回流路径的接地阻抗的计算公式为：
[0040]
zr＝lr(r1 jωl1)
[0041]
式中，zr为各车体回流路径的接地阻抗，r1为车体单位长度电阻，l1为车体单位长度电感，lr为各车体回流路径分别对应的每段车体长度。
[0042]
需要说明的是，上式中车体单位长度电阻r1及车体单位长度电感l1可以根据动车组列车车厢参数或实际测量确定，每段车体长度lr根据每节车厢中设置的接地座的数量及位置确定，在一个具体地实施例中，动车组列车的每节车厢均设置有一个接地座，且接地座
设置于相应每节车厢中部，则每节车厢相应形成两段车体回流路径，并且每段车体回流路径中对应的车体长度lr即为车厢长度的二分之一。
[0043]
进一步地，在上述步骤s20中，接地线缆回流路径的接地阻抗的计算公式为：
[0044][0045][0046]zn
＝ln(r1 jωl2)
[0047]
式中，zn为各接地线缆回流路径的接地阻抗，r2为接地线缆单位长度电阻，l2为接地线缆的单位长度电感，ρ1为接地线缆电阻率，r为接地线缆截面半径，μ1为真空磁导率，ln为各接地线缆回流路径分别对应的每段接地线缆长度。
[0048]
进一步地，在上述步骤s20中，钢轨回流路径的接地阻抗计算公式为：
[0049][0050][0051]
zg＝lg(r3 jωl3)
[0052]
式中，zg为钢轨回流路径的接地阻抗，r3为钢轨单位长度电阻，l3为钢轨单位长度电感，k为修正系数(在本实施例中，k取值为1)，p为钢轨横截面周长，ρ2为钢轨电阻率，f为钢轨垂向振动频率，μ2为钢轨的相对磁导率，lg为各钢轨回流路径分别对应的每段钢轨长度。
[0053]
需要说明的是，动车组列车每节车厢的转向架车轴编号从一位端开始至二位端，分别为1轴、2轴、3轴和4轴，由于每节车厢的1轴与2轴之间以及3轴与4轴之间的距离较短，因此在计算钢轨回流路径的接地阻抗时将这两段的钢轨阻抗忽略，因此对于任意一节车厢而言，钢轨回流路径对应的钢轨长度lg为该节车厢2轴与3轴之间的距离，对于任意相邻的两节车厢而言，钢轨回流路径对应的钢轨长度lg为前车车厢4轴与后车车厢1轴之间的距离。
[0054]
进一步地，在上述步骤s20中，各车体等电位线缆回流路径的接地阻抗及各接地电阻回流路径的接地阻抗根据实际使用到的车体等电位线缆参数及接地电阻参数确定。
[0055]
请参阅图2，在一个具体的实施例中，提供了一种动车组列车编组方式，其中，动车组列车为八辆编组，2、4、5、7号车厢为动车车厢，1、3、6、8号车厢为拖车车厢，动车组列车的牵引变压器分别设置在3号车厢及6号车厢，车载主变压器的原边设有工作接地端子，牵引电流通过牵引变压器接地端设置的工作接地被传输至轮对并流入钢轨，最终回流至牵引变电所。
[0056]
请参阅图3，在上述具体的实施例中，进一步提供了动车组列车接地系统部分拓扑结构(1-4号车厢)示意图，图中接地装置均采用接地线缆连接，标准动车组工作接地采用在变压器车(3号车厢和6号车厢)的2、3轴通过3位和5位轴端接地两个轴端接地装置接地，同时跨邻车(2号、4号车厢或5号、7号车厢)连接邻车的2、3轴的轴端接地装置构成六个接地装置冗余接地。车体保护接地在每节车通过1、4轴的2个齿轮箱接地装置(头车使用轴端接地
装置)接地。车体通过车体接地座及接地线与接地电阻器连接，在相邻车厢之间设置等电位连接电缆。整车接地系统前后对称，工作接地与保护接地可相互独立，也可构成混合接地。
[0057]
进一步地，在上述具体的实施例中，3号车厢的工作接地等效电路模型如图4所示，3号车厢的2、3轴通过两个轴端接地装置接地，同时连接邻车的2、3轴构成六个接地装置冗余接地，中央中继端子台到接地端子台以及到轴端的接地线阻抗分段等效，图4中z1为变压器工作接地端子到中央中继端子台的接地线缆回流路径的接地阻抗；z2为中央中继端子台到接地端子台2的接地线缆回流路径的接地阻抗，z3为中央中继端子台的阻抗到接地端子台3的接地线缆回流路径的接地阻抗，z4为接地端子台2到3位轴端接地的接地线缆回流路径的接地阻抗，z6为接地端子台3到5位轴端接地的接地线缆回流路径的接地阻抗，z5和z7为相应轴端到钢轨的钢轨回流路径的接地阻抗，z8为接地端子台2到一位车端中继端子台以及到车间连接线的接地线缆回流路径的接地阻抗，z8与邻车2号车厢的工作接地电路电性连接，z9为接地端子台3到二位车端中继端子台以及到车间连接线的接地线缆回流路径的接地阻抗，z9与邻车4号车厢的工作接地电路电性连接，z
10
为钢轨回流路径的接地阻抗，且2号、4号车厢的工作接地等效模型与3号车厢类似。
[0058]
进一步地，在上述具体的实施例中，3号车厢的保护接地等效电路模型如图5所示，3号车厢的1、4轴为保护接地轴，中央中继端子台到接地端子台以及到轴端的接地线缆阻抗分段建立，图中z
11
为车体回流路径的接地阻抗，r1为车体等电位连接线阻抗，z
12
为车体接地座到接地电阻器的接地线缆回流路径的接地阻抗，r2为接地电阻器电阻，z
13
为接地电阻器到中央中继端子台的接地线缆回流路径的接地阻抗，z
14
为中央中继端子台到接地端子台1的接地线缆回流路径的接地阻抗，z
15
为中央中继端子台到接地端子台4的接地线缆回流路径的接地阻抗；z
16
为接地端子台1到1位轴端接地的接地线缆回流路径的接地阻抗，z
17
为接地端子台4到7位轴端接地的接地线缆回流路径的接地阻抗，z
18
为轴端到钢轨的钢轨回流路径的接地阻抗，并且所有车厢的保护接地等效模型与3号车厢类似。
[0059]
进一步地，图6为上述具体实施例中动车组列车1号-4号车厢基于得到的接地系统等效电路模型仿真得到的列车各轴端接地电流幅值仿真结果。从图中可以看出，轴端工作接地电流明显大于保护接地电流，由于3号车厢为变压器车，因此3号车厢工作接地电流明显大于邻车，1号车厢1轴保护接地电流较大。
[0060]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。