弓網(wǎng)滑動(dòng)接觸的電磁暫態(tài)與熱特性及控制研究.pdf

1、自耦變壓器(Auto Transformer，簡(jiǎn)稱AT)牽引網(wǎng)和動(dòng)車組的建模是解決車網(wǎng)關(guān)系問題的重要基礎(chǔ)，現(xiàn)有技術(shù)沒有全面解決車和網(wǎng)聯(lián)合仿真中的簡(jiǎn)易性和真實(shí)性問題;接觸電阻和弓網(wǎng)溫升建模是弓網(wǎng)關(guān)系電接觸特性的核心問題，現(xiàn)有的研究更依賴于實(shí)測(cè)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的擬合;主動(dòng)式受電弓可以有效降低弓網(wǎng)離線電弧離線率，有效改善弓網(wǎng)受流質(zhì)量，但由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的受電弓主動(dòng)控制裝置尚不多見。本文綜合運(yùn)用理論建模、仿真分析、實(shí)驗(yàn)研究的方法，主要解決車網(wǎng)耦合、熱電耦合

2、、主動(dòng)式受電弓的基礎(chǔ)性建模問題，主要結(jié)論如下:
　　1.為研究弓網(wǎng)滑動(dòng)接觸的過(guò)電壓與電流分布問題，本文建立了將接觸線與承力索分開的單線AT牽引網(wǎng)電氣模型，可以計(jì)算承力索和吊弦的電流;建立含牽引計(jì)算的CRH2動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合等值模型，對(duì)整流器詳細(xì)建模，將逆變器及其負(fù)載進(jìn)行等值，考慮了起動(dòng)和運(yùn)行工況，該模型在真實(shí)模擬牽引工況的同時(shí)，簡(jiǎn)化了計(jì)算。通過(guò)車網(wǎng)耦合模型證明了考慮牽引特性時(shí)，在網(wǎng)側(cè)列車可視為非線性負(fù)荷，其穩(wěn)態(tài)具有弱容性特

3、點(diǎn)。
　　2.基于上述車網(wǎng)耦合模型，分析單線AT牽引網(wǎng)距離牽引變電所10km范圍內(nèi)的電壓電流分布以及車載過(guò)分相過(guò)電壓全過(guò)程電磁暫態(tài)，研究表明:靠近牽引變電所的第一根吊弦、列車所在處的吊弦以及與AT所最近的吊弦上的電流不能忽略，這三處吊弦的發(fā)熱問題以及機(jī)械性能應(yīng)加強(qiáng)計(jì)算;AT所的鋼軌電流對(duì)軌道電路的影響應(yīng)高度重視;CRH2工作在單線AT上時(shí)，不用加裝限制過(guò)分相過(guò)電壓的措施。
　　3.為研究弓網(wǎng)滑動(dòng)接觸性能，本文推導(dǎo)了弓網(wǎng)靜態(tài)接

4、觸電阻理論最小值的計(jì)算公式，用于弓網(wǎng)靜態(tài)接觸性能的理論估算;提出摩擦系數(shù)為常數(shù)時(shí)的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸電阻理論計(jì)算公式，該公式考慮了動(dòng)態(tài)接觸力變化，不需要實(shí)測(cè)的擬合參數(shù)。通過(guò)上述模型的對(duì)比分析表明:弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸電阻遠(yuǎn)大于弓網(wǎng)靜態(tài)接觸電阻;在額定工況附近，動(dòng)態(tài)接觸電阻為毫歐級(jí);在升降弓時(shí)，動(dòng)態(tài)接觸電阻較大，為歐姆級(jí)。
　　4.為提供一套完整的用于弓網(wǎng)滑動(dòng)接觸溫度場(chǎng)計(jì)算的系統(tǒng)化理論分析方法，本文建立了弓網(wǎng)電流溫升、接觸溫升和電弧溫升的暫、穩(wěn)態(tài)

5、熱傳導(dǎo)方程，考慮對(duì)流換熱和熱輻射的作用，得到相應(yīng)條件下的解析解，分析對(duì)流換熱系數(shù)、電流、接觸面積等因素對(duì)溫升分布的影響;通過(guò)有限元仿真模型，驗(yàn)證了理論模型的正確性。基于該模型得到:在正常工況下，弓網(wǎng)系統(tǒng)的電流溫升都在熱穩(wěn)定范圍之內(nèi)，但特殊工況使吊弦過(guò)流時(shí)，吊弦容易發(fā)生軟化、斷線;建議弓網(wǎng)離線電弧的判據(jù)從嚴(yán)考慮，單次離線的時(shí)間應(yīng)該在10ms之內(nèi)，盡量避免出現(xiàn)持續(xù)100ms以上的大離線，對(duì)于出現(xiàn)大離線較頻繁的區(qū)域，應(yīng)加裝受電弓主動(dòng)控制裝置。

6、本套模型作為一種通用方法，可以為現(xiàn)場(chǎng)弓網(wǎng)溫度檢測(cè)提供理論指導(dǎo)。
　　5.為研究弓網(wǎng)離線電弧物理性質(zhì)與弓網(wǎng)滑動(dòng)接觸規(guī)律，本文研制剛性和柔性兩套弓網(wǎng)離線電弧發(fā)生裝置，進(jìn)行電氣、光學(xué)、力學(xué)、熱傳導(dǎo)等不同物理量的測(cè)量。結(jié)果表明:弓網(wǎng)運(yùn)動(dòng)電弧比靜止電弧的諧波多且以三次諧波為主，其直流成分已不能忽視;弓網(wǎng)運(yùn)動(dòng)電弧比靜止電弧更容易發(fā)生電弧重燃，重燃過(guò)電壓數(shù)值也較大。
　　6.為改善弓網(wǎng)滑動(dòng)接觸性能、提高弓網(wǎng)受流質(zhì)量，本文建立二階弓網(wǎng)耦合狀

7、態(tài)方程，利用李雅普諾夫穩(wěn)定性理論設(shè)計(jì)了模型參考自適應(yīng)控制策略，仿真結(jié)果表明:與不加控制相比，弓頭位移和接觸力的波動(dòng)范圍都明顯減少，其穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)運(yùn)行指標(biāo)得到了明顯的改善。研制主動(dòng)式受電弓的模擬實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)試結(jié)果表明了該裝置的有效性。
　　本文建立的車網(wǎng)耦合、熱電耦合分析方法將有助于解決車網(wǎng)匹配等實(shí)際問題，將使目前弓網(wǎng)系統(tǒng)溫度檢測(cè)偏重實(shí)測(cè)研究轉(zhuǎn)向定量的理論分析，二者的有機(jī)結(jié)合將更好地服務(wù)于鐵路供電6C系統(tǒng)的建設(shè)。本文設(shè)計(jì)的主動(dòng)式受電弓