重载铁路钢轨电位和牵引回流的确定方法、装置及设备与流程

本发明实施例涉及铁路电气化，具体涉及一种重载铁路钢轨电位和牵引回流的确定方法、装置及设备。

背景技术：

1、重载铁路多用于煤炭等重型货物的输送，其牵引负荷甚至可以达到万瓦级，以大准线为例，其牵引电流超过了500安培，较大的牵引电流会导致变压器铁芯磁化，从而降低变压器性能；同时较高的钢轨电位还会劣化钢轨和枕木之间的绝缘垫片，侵入轨道电路影响弱电控制系统的安全运行。因此准确地确定重载铁路的钢轨电位和牵引回流对于重载铁路的安全稳定运行分析至关重要。

2、重载机车的正常运行依靠牵引供电系统驱动，牵引供电系统包含有承力索、接触线、回流线、钢轨和铁路沿线敷设的综合接地系统，这些传输导线在电力传输过程中构成多导体系统。重载铁路多为东西向设置，所经地区的地形地势变化较大，通常需要经过桥梁区段和隧道区段，与路基区段相比其接地系统的存在较大差异。目前常采用链式网络法对重载铁路的钢轨电位和牵引回流进行分析，其将线路划分微元，采用电流源、阻抗矩阵和导纳矩阵形式给出数学模型，利用节点电压法建立方程组，自激励源开始计算每个节点的电压和电流。然而现有方法并未考虑重载铁路沿线的地形地势信息，对于不同铁路沿线需要重新修改每个分段的参数矩阵，泛用性差、计算误差大且计算效率低，不适合长线路计算。

技术实现思路

1、本发明实施例提供一种重载铁路钢轨电位和牵引回流的确定方法、装置及设备，用以解决现有方法泛用性差、计算误差大且计算效率低的问题。

2、第一方面，本发明实施例提供一种重载铁路钢轨电位和牵引回流的确定方法，包括：

3、获取目标重载铁路牵引供电系统的基本参数、桥梁每米接地阻抗和隧道每米接地阻抗；

4、根据目标重载铁路的地形地势信息将目标重载铁路划分为路基区段、桥梁区段和隧道区段；

5、根据牵引供电系统的基本参数确定牵引供电系统的电容矩阵和电感矩阵；

6、根据电容矩阵、电感矩阵、桥梁每米接地阻抗和隧道每米接地阻抗分别确定路基区段阻抗矩阵、桥梁区段阻抗矩阵和隧道区段阻抗矩阵；

7、根据路基区段阻抗矩阵、桥梁区段阻抗矩阵和隧道区段阻抗矩阵分别构建路基区段、桥梁区段和隧道区段对应的电压方程和电流方程；

8、根据电压方程、电流方程和牵引供电系统变压器的等值模型确定目标重载铁路的钢轨电位和牵引回流。

9、一种实施例中，根据电容矩阵、电感矩阵、桥梁每米接地阻抗和隧道每米接地阻抗分别确定路基区段阻抗矩阵、桥梁区段阻抗矩阵和隧道区段阻抗矩阵，包括：

10、路基区段阻抗矩阵根据如下表达式确定：

11、hs＝hij]＝lij][cij]

12、其中，hs表示路基区段阻抗矩阵，l表示电感矩阵，c表示电容矩阵，h表示阻抗矩阵，i＝1……10，j＝1……10，i＝1对应上行接触线，i＝2对应下行接触线，i＝3对应上行回流线，i＝4对应下行回流线，i＝5对应上行第一钢轨线，i＝6对应上行第二钢轨线，i＝7对应下行第一钢轨线，i＝8对应下行第二钢轨线，i＝9对应上行综合地线，i＝10对应下行综合地线；

13、桥梁区段阻抗矩阵根据如下表达式确定：

14、

15、其中，hb表示桥梁区段阻抗矩阵，zb表示桥梁每米接地阻抗；

16、隧道区段阻抗矩阵根据如下表达式确定：

17、

18、其中，ht表示隧道区段阻抗矩阵，zt表示隧道每米接地阻抗。

19、一种实施例中，根据路基区段阻抗矩阵、桥梁区段阻抗矩阵和隧道区段阻抗矩阵分别构建路基区段、桥梁区段和隧道区段对应的电压方程和电流方程，包括：

20、

21、

22、其中，t表示karrenbauer变换矩阵，x表示到激励源的距离，um表示电压，im表示电流，hk＝hs、hb或者ht，hk＝hs时上式分别表示路基区段的电压方程和电流方程，hk＝hb时上式分别表示桥梁区段的电压方程和电流方程，hk＝ht时上式分别表示隧道区段的电压方程和电流方程。

23、一种实施例中，当牵引供电系统采用ynd11接线方式时，变压器的等值模型为：

24、eα＝v×cos(ωt)，eβ＝v×cos(ωt+2π/3)，

25、当牵引供电系统采用scott接线方式时，变压器的等值模型为：

26、eα＝v×cos(ωt)，eβ＝v×cos(ωt+π/2)，

27、其中，v表示主变压器二次侧端口电压的峰值，eα表示第一相激励源，eβ表示第二相激励源，z表示阻抗，zt表示归算到一次侧的每相阻抗，zs表示归算到二次侧的等值阻抗，kt表示主变压器的变比，ω表示角频率。

28、一种实施例中，所述方法还包括：

29、根据目标重载铁路中横向连接线的位置信息，将目标重载铁路划分为多个子区段并确定各个子区段的长度；

30、根据各个子区段对应的电压方程和电流方程构建各个子区段的等值模型；根据各个子区段的等值模型确定各个子区段的钢轨电位和牵引回流。

31、一种实施例中，牵引供电系统的基本参数包括各个导线的直流电阻、等值半径、垂直距离和水平距离。

32、第二方面，本发明实施例提供一种重载铁路钢轨电位和牵引回流的确定装置，包括：

33、获取模块，用于获取目标重载铁路牵引供电系统的基本参数、桥梁每米接地阻抗和隧道每米接地阻抗；

34、划分模块，用于根据目标重载铁路的地形地势信息将目标重载铁路划分为路基区段、桥梁区段和隧道区段；

35、容感模块，用于根据牵引供电系统的基本参数确定牵引供电系统的电容矩阵和电感矩阵；

36、阻抗模块，用于根据电容矩阵、电感矩阵、桥梁每米接地阻抗和隧道每米接地阻抗分别确定路基区段阻抗矩阵、桥梁区段阻抗矩阵和隧道区段阻抗矩阵；

37、构建模块，用于根据路基区段阻抗矩阵、桥梁区段阻抗矩阵和隧道区段阻抗矩阵分别构建路基区段、桥梁区段和隧道区段对应的电压方程和电流方程；

38、处理模块，用于根据电压方程、电流方程和牵引供电系统变压器的等值模型确定目标重载铁路的钢轨电位和牵引回流。

39、第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括：

40、至少一个处理器和存储器；

41、存储器存储计算机执行指令；

42、至少一个处理器执行存储器存储的计算机执行指令，使得至少一个处理器执行如第一方面任一项所述的重载铁路钢轨电位和牵引回流的确定方法。

43、第四方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机执行指令，计算机执行指令被处理器执行时用于实现如第一方面任一项所述的重载铁路钢轨电位和牵引回流的确定方法。

44、第五方面，本发明实施例提供一种计算机程序产品，其在处理器上运行时执行如第一方面任一项所述的重载铁路钢轨电位和牵引回流的确定方法。

45、本发明实施例提供的重载铁路钢轨电位和牵引回流的确定方法、装置及设备，通过获取目标重载铁路牵引供电系统的基本参数、桥梁每米接地阻抗和隧道每米接地阻抗；根据目标重载铁路的地形地势信息将目标重载铁路划分为路基区段、桥梁区段和隧道区段；根据牵引供电系统的基本参数确定牵引供电系统的电容矩阵和电感矩阵；根据电容矩阵、电感矩阵、桥梁每米接地阻抗和隧道每米接地阻抗分别确定路基区段阻抗矩阵、桥梁区段阻抗矩阵和隧道区段阻抗矩阵；根据路基区段阻抗矩阵、桥梁区段阻抗矩阵和隧道区段阻抗矩阵分别构建路基区段、桥梁区段和隧道区段对应的电压方程和电流方程；根据电压方程、电流方程和牵引供电系统变压器的等值模型确定目标重载铁路的钢轨电位和牵引回流。针对路基区段、桥梁区段和隧道区段构建不同的电压方程和电流方程来确定路钢轨电位和牵引回流，充分考虑了重载铁路沿线的地形地势信息，不仅能够提高钢轨电位和牵引回流的准确性和计算效率，而且泛用性高。