全动态弓网电弧模型及其构建方法与流程

1.本发明属于弓网电弧仿真研究技术领域，更具体地说，是涉及一种全动态弓网电弧模型及其构建方法。


背景技术：

2.弓网离线放电作为动车组传导干扰与辐射干扰的一个来源，是动车组电磁兼容问题最重要的研究热点之一，在搭建模型时通常以mayr模型、cassie模型、habedank等经典黑盒稳态电弧模型为基础，对模型参数进行优化来反映弓网离线电弧的动态过程，并体现出离线距离等外部参数对电弧电气特性的影响。
3.但弓网离线不仅产生弓网电弧，还伴随着电弧的熄灭与重燃过程，具体而言，一次弓网离线过程可以包含若干次的熄灭与重燃过程，每次电弧发生重燃和熄灭的瞬间都可能产生暂态过电压。电弧发生熄灭瞬间，电弧阻抗在10-50ns时间内从稳定燃烧时的数十欧姆迅速上升至数百量级，其过程与断路器的断闸类似，高压系统在外部电源作用下产生零状态响应，在主回路上呈现高频振荡过渡过程，并传递到车体和控制电路。电弧发生重燃瞬间，弓网间隙被高电压击穿，弓网间等效阻抗迅速下降到稳定燃烧时的数十欧姆，牵引供电系统向高压线缆电容充电，产生高频振荡与暂态过电压。因此，模拟升降弓完整动态过程不仅需要稳定燃烧状态下的电弧建模，还需要模拟电弧熄灭、重燃过程，才能体现离线放电的完整过程。
4.但目前国内外对于弓网离线问题的研究模型中普遍只关注电弧存在时的状态，而忽略了电弧熄灭及电弧重燃的瞬态过程，缺乏对弓网离线电弧动态过程的深入研究。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种全动态弓网电弧模型及其构建方法，旨在解决目前国内外对于弓网离线问题的研究模型中普遍只关注电弧存在时的状态，而忽略了电弧熄灭及电弧重燃的瞬态过程，缺乏对弓网离线电弧动态过程的深入研究的问题。
6.为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：提供一种全动态弓网电弧模型构建方法，包括如下步骤：
7.建立电弧等效电路模块及熄弧重燃等效电路模块；
8.获取弓网离线距离，并将弓网离线距离引入电弧等效电路模块及
9.熄弧重燃等效电路模块中，熄弧重燃等效电路模块用于切换电弧等效电路模块的熄弧及燃弧状态。
10.在其中一个实施例中，电弧等效电路模块根据habedank模型建立，且数学模型为：
[0011][0012]
式中，gc和θc分别为cassie电弧模型的电导常数和时间常数，uc为电弧电压常数，gm和θm分别为mayr电弧模型的电导常数和时间常数，p0为电弧耗散功率。
[0013]
在其中一个实施例中，其中：
[0014]
uc设置为15l，p0设置为kg-βl，l为弓网离线距离，g为电弧电导，k取3000，β取-1。
[0015]
在其中一个实施例中，熄弧重燃等效电路模块通过计算电弧熄灭临界长度及重燃击穿电压后分别与弓网离线距离及电弧电压比较，以切换电弧等效电路模块的熄弧或燃弧状态，其中临界长度计算公式为：
[0016][0017]
式中，为临界长度，iam为潜供峰值电流，uam为恢复峰值电压；
[0018]
击穿电压计算公式为：
[0019][0020]
式中，ub为击穿电压，l为弓网离线距离；
[0021]
且当弓网离线距离大于临界长度时，熄弧重燃等效电路模块通过理想开关关断电弧等效电路模块，当电弧电压大于击穿电压时，熄弧重燃控制电路模块通过理想开关开启电弧等效电路模块。
[0022]
一种全动态弓网电弧模型，由上述全动态弓网电弧模型构建方法构建，包括离线轨迹输入模块、电流测量模块、电弧等效电路模块及熄弧重燃等效电路模块，离线轨迹输入模块用于获取弓网离线距离，并将弓网离线距离引入电弧等效电路模块及熄弧重燃控制电路模块中，熄弧重燃等效电路模块用于切换电弧等效电路模块的熄弧及燃弧状态。
[0023]
本发明提供的全动态弓网电弧模型构建方法的有益效果在于，上述全动态弓网电弧模型构建方法只需要获取弓网离线轨迹，即可自动仿真出从电弧产生、电弧熄灭、电弧重燃的完整离线过程，从而完整地反映弓网离线动态特性。
附图说明
[0024]
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。
[0025]
图1为本发明一实施例提供的全动态弓网电弧模型构建方法的流程图；
[0026]
图2为本发明一实施例提供的全动态弓网电弧模型基于simulink搭建的仿真模型；
[0027]
图3为本发明一实施例提供的离线轨迹输入模块基于simulink搭建的仿真模型；
[0028]
图4为本发明一实施例提供的电弧等效电路模块基于simulink搭建的仿真模型；
[0029]
图5为本发明一实施例提供的熄弧重燃等效电路模块基于simulink搭建的仿真模型。
具体实施方式
[0030]
以下描述中，为了说明而不是为了限定，应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0031]
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
[0032]
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0033]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0034]
请参阅图1，现对本发明一实施例提供的一种全动态弓网电弧模型构建方法进行说明，上述全动态弓网电弧模型构建方法包括如下步骤：
[0035]
步骤s10，建立电弧等效电路模块及熄弧重燃等效电路模块；
[0036]
步骤s20，获取弓网离线距离，并将弓网离线距离引入电弧等效电路模块及熄弧重燃等效电路模块中，其中，熄弧重燃等效电路模块用于切换电弧等效电路模块的熄弧及燃弧状态。
[0037]
具体地，上述电弧等效电路模块根据habedank模型建立，且电弧数学模型为：
[0038][0039]
式中，gc和θc分别为cassie电弧模型的电导常数和时间常数，uc为电弧电压常数，gm和θm分别为mayr电弧模型的电导常数和时间常数，p0为电弧耗散功率。
[0040]
更具体地，在本实施中，uc设置为15l，p0设置为kg-β
l，其中l为弓网离线距离，g为电弧电导，k取3000，β取-1。
[0041]
具体地，上述述熄弧重燃等效电路模块通过计算电弧熄灭临界长度及重燃击穿电压后分别与弓网离线距离及电弧电压比较，以切换电弧等效电路模块的熄弧或燃弧状态，其中临界长度计算公式为：
[0042][0043]
式中，为所述临界长度，i
am
为潜供峰值电流，u
am
为恢复峰值电压；
[0044]
考虑模型条件为标准大气状态(p＝101.3kpa、t＝20℃)，击穿电压计算公式为：
[0045][0046]
式中，ub为击穿电压，l为弓网离线距离；
[0047]
且当弓网离线距离大于临界长度时，熄弧重燃等效电路模块通过理想开关关断电弧等效电路模块，当电弧电压大于击穿电压时，熄弧重燃控制电路模块通过理想开关开启电弧等效电路模块。
[0048]
上述全动态弓网电弧模型构建方法的有益效果在于：该方法只需要获取弓网离线轨迹，即可自动仿真出从电弧产生、电弧熄灭、电弧重燃的完整离线过程，从而完整地反映弓网离线动态特性。
[0049]
请参阅图2，本发明一实施例还提供了基于simulink搭建的一种全动态弓网电弧模型，其包括离线轨迹输入模块、电弧等效电路模块及熄弧重燃等效电路模块，离线轨迹输入模块用于获取弓网离线距离，并将弓网离线距离引入电弧等效电路模块及熄弧重燃控制电路模块中，熄弧重燃等效电路模块用于切换电弧等效电路模块的熄弧及燃弧状态。在实际运用过程中，将上述全动态弓网电弧模型串联于需要研究的动车组回路中受电弓与接触网之间，然后将弓网离线函数导入离线轨迹输入模块中，全动态弓网电弧模型即可获取动车组过电压波形。
[0050]
请参阅图3，上述全动态弓网电弧模型中的离线轨迹输入模块设有2个输出端口，其功能由正弦波模块、开关模块、常数模块实现。正弦波模块和一个常数模块(常数设置为0)连至第一个开关模块“switch”上，第一个开关模块的输出与两个常数模块(常数设置为1和0)连至第二个开关模块“switch1”上，第一个开关模块输出连至输出端口1，第二个开关模块连至输出端口2。
[0051]
请参阅图4,上述全动态弓网电弧模型中的电弧等效电路模块4个输入端口，1个输出端口，其功能由电压测量模块、cassie函数方程模块、mayr函数方程模块、受控电压源等组合实现。在电弧等效电路模块封装外部，输入端口in1连接离线轨迹输入模块的输出端口1，输入端口in2连接离线轨迹输入模块的输出端口2，输入端口in3连接电流测量模块的输出端口“i”，输入端口in连接电流测量模块的输出端口
“‑”
，输出端口连至熄弧重燃等效电路的输入端口in3。在电弧等效电路模块封装内部，输入端口连至cassie函数方程模块、mayr函数方程模块，cassie函数方程模块、mayr函数方程模块连至受控电压源，受控电压源连至输出端口。
[0052]
具体地，当电弧等效电路模块运行时，输入端口会向cassie函数方程模块和mayr函数方程模块输入计算参数，两个函数模块经过计算后控制受控电压源的输出电压，以实现habedank电弧的模拟。
[0053]
请参阅图5，上述全动态弓网电弧模型中的熄弧重燃等效电路模块4个输入端口，一个输出端口，其功能由电压测量模块、函数模块、理想开关、开关模块、常数模块、取绝对值模块、求和模块等组合实现。在熄弧等效电路封装外部，输入端口in1连接离线轨迹输入模块的输出端口1，输入端口in2连接电流测量模块的输出端口“i”，输入端口in3连接电弧
等效电路的输出端口，输入端口in连接电流测量模块的输出端口
“‑”
。在熄弧重燃等效电路封装内部，输出端口连接理想开关，理想开关模块的输入端口“1”连接熄弧重燃等效电路的输入端口in3，理想开关模块的输入端口“g”连接一个开关模块“switch5”，该开关模块的两个输入端口分别连接常数模块(常数设置为0)和熄弧重燃等效电路的输入端口in1，另一个输入端口连接开关模块“switch4”的输出端口。开关模块“switch4”的输入端口连接开关模块“switch2”和开关模块“switch3”的输出端口与开关模块“switch4”的输出端口。输入端口“in2”经过一个取绝对值模块和一个函数模块“fcn1”(内部编辑有电弧临界长度公式)和一个求和模块“add2”后连至开关模块“switch2”的输入端口。输入端口in连至电压测量模块，并经过一个取绝对值模块、求和模块“add3”连至开关模块“switch3”的输出端口。函数模块“fcn2”(内部编辑有气体间隙击穿电压公式)输入端口连接输入端口“in1”，输出端口连至求和模块“add3”。
[0054]
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。