电气化铁路钢轨消磁系统的设计及试验研究

为消除钢轨的异常剩磁,考虑铁路的工作环境,基于永磁体消磁法的原理设计了针对钢轨的永磁体消磁阵列,并通过仿真和试验验证了消磁阵列的可靠性。基于消磁阵列、钢轨结构及铁路环境研制出适用于钢轨的永磁体消磁装置,并进行功能验证试验。试验结果表明:永磁体消磁装置可将钢轨表面磁场从100 Gs降至5 Gs以内,低于机车车感器的感应阈值36 Gs,表明消磁效果达到要求。

数字孪生在轨道交通电力牵引系统应用的探讨与展望

随着我国轨道交通电力牵引系统的快速发展与技术成熟,其可靠性评估与智能化监控技术逐渐引起关注,数字孪生是基于数据与机器学习对实际物理系统的虚拟刻画技术,可以实现对实际物理系统的行为特征模拟与参数监测,因此将数字孪生技术引入轨道交通电力牵引系统领域,可为其数字化、智能化监控与运维提供发展思路与技术手段。文章首先对数字孪生技术目前在电力牵引系统中的应用现状进行了综述,进而列举了电力牵引系统数字孪生构建过程中所需的关键技术及其发展情况——在电力牵引系统领域,数字孪生及其相关技术仍在理论研究阶段,只有针对部分子系统的探索性研究,尚未形成完善的系统建模与智能监控体系;最后,文章展望了数字孪生技术在电力牵引系统领域的工程化实现前景,探讨了其投入工程应用可能会面临的内部技术问题与外部客观挑战,旨在为后续技术研究与实践提供参考。

基于RPC的光储接入牵引供电系统协调控制方法

为将光伏发电接入牵引供电系统进行有效利用,同时兼顾牵引供电系统电能质量改善及列车再生制动能量回收利用,提出了一种基于铁路功率调节器的光储系统接入牵引供电系统的协调控制方法.首先,搭建基于铁路功率调节器的光储系统接入牵引供电拓扑结构,并对其电能质量补偿机理进行理论分析;在此基础上,充分考虑光储系统的运行条件以及列车牵引、制动、空载或惰行工况,提出光储系统接入牵引供电的联合协调控制方法,实现了“光+储+荷”三者间的协调控制、牵引供电系统负序的动态补偿以及谐波的有效抑制;在RT-Lab实时仿真系统中建立了基于铁路功率调节器的光伏接入牵引供电系统仿真模型,并结合实际光照和牵引工况数据验证本文所提出的系统结构以及协调控制方法的有效性.结果表明:本文所提出的系统结构以及协调控制方法能够实现牵引供电系统中光储系统的有效接入,再生制动能量回收率提升至86.7%,功率因数提升6.4%,对谐波特别是高次谐波含有率有较大改善,满足光伏电能高效消纳及综合利用、电能质量动态综合补偿、再生制动能量回收多重需求.

电气化铁路分区所再生制动能量利用系统及其控制策略

电气化铁路发展迅速,其牵引能耗高、再生制动能量利用率低等问题日益突出。为有效提高电气化铁路再生制动能量利用效率,实现电气化铁路节能减排,该文研究一种分区所再生制动能量利用系统及其控制策略。首先,基于典型重载和高速铁路实测负荷数据分析,提出基于功率融通和储能的分区所再生制动能量利用系统,并分析其运行原理。为保证再生制动能量利用系统在电气化铁路复杂负荷工况下实现再生制动能量的高效利用,提出一种含能量管理层与变流器控制层的双层控制策略。其中,能量管理层接收来自相邻变电所的实时测量信息,基于变电所工况及系统模式管理,执行能量管理策略计算得到系统运行参考功率。变流器控制层跟踪能量管理层给出的参考功率协调控制变流器,实现电气化铁路的潮流管理。最后,通过仿真验证所提分区所再生制动能量利用系统及其控制策略的正确性与有效性。结果表明,所提出的分区所再生制动能量利用系统及控制策略能够有效实现电气化铁路再生制动能量的转移利用与储能利用,提高再生制动能量利用率,有助于电气化铁路节能高效运行。

计及光伏和储能接入的牵引供电系统能量管理策略

近年来,为实现电气化铁路“双碳”目标,多项铁路用能优化举措投入实施并取得一定成效,然而,单靠能耗优化治标不治本。为根治电气化铁路碳排放问题,在保证系统稳定运行的基础上,基于智能电网理念,提出计及光伏和储能接入的牵引供电系统能量管理策略。首先,构建计及光伏和储能接入的牵引供电系统;然后,基于电力市场电价及新能源出力,采用日前联合调控、日内滚动调节和实时优化控制铁路用能,并通过分层分级优化,打破各“源”端相对独立、各自为政的壁垒,实现多能互补;最后,通过共享储能模式,降低储能装置闲置率并提高新能源利用率。仿真结果表明,该能量管理策略可在保障系统运行稳定和安全的基础上有效地降低系统的运行成本,同时保持良好的电能质量。

干扰风作用下弓网电弧稳定性及影响因素研究

弓网受流是高速列车获取电能的唯一途径。随着电气化铁路运营速度的不断提升,受电弓与接触网间电气与机械的耦合损伤加剧,限制了列车速度的进一步提升。电弧具有优异的导电性、导热性,利用电弧作为中间媒介进行大功率能量传输具有可行性,电弧传能技术具有广阔的发展前景。实际应用过程中,弓网电弧处于开放大气环境,干扰气流无法避免,电弧稳定性下降,成为电弧传能技术应用的关键难点。搭建弓网电弧实验平台,系统研究干扰风作用下的电弧稳定性及其影响因素。研究发现:随着电压的提升,纯碳材料电子发射方式由热发射向热场致协同发射转变,电弧维持能力由非线性增长向线性增长转变;电弧电流的增大可显著提高电弧维持能力,但也使得电弧电压波动范围减小;不同间隙、不同电流大小条件下,电弧运动模式存在“弧根随机跳跃型-弧根规则跳跃型-钟罩型”的转变。研究结果可丰富特殊环境下的空气电弧理论,并为未来高速铁路的柔性电弧传能技术奠定基础。

高速铁路大跨度钢桁架桥接触网腕臂安装技术研究

高速铁路大跨度钢桁架桥纵向伸缩量大且变位复杂,是影响接触网腕臂偏移等系统能否正常、安全运行的重要因素,如何解决接触网腕臂安装、偏移调整与钢梁伸缩之间的协同配合,目前国内在此方面鲜有研究。通过阐述受导线伸缩影响的腕臂偏移机理和大跨度钢桁架桥梁体纵向伸缩机理,分析在不同接触网锚段布置方式下大跨度钢桁架桥梁体伸缩对腕臂偏移的影响,并采用逐工点分析法总结不同工况下钢梁伸缩与导线伸缩对腕臂偏移影响的相互关系,揭示了接触网腕臂安装曲线在导线伸缩及钢梁伸缩共同作用下的计算方法。结合典型案例计算分析,建议采用不同钢梁跨度下的推荐锚段布置方式能有效降低腕臂偏移量,并提出应重点关注伸缩缝两侧锚段腕臂偏移问题、腕臂偏移为叠加关系时缩小半锚长度、钢梁跨度大于720 m时应重点计算伸缩缝两侧双腕臂间距等优化事项。研究内容及计算公式可为系统性解决高速铁路大跨度钢桁架桥接触网腕臂偏移设计、施工及运营维护等技术难题提供理论支持。

轨道交通“网-源-储-车”协同供能技术体系

为降低轨道交通系统牵引能耗,轨道交通“网-源-储-车”协同供能技术通过可再生能源的就地消纳,构建新型协同供能技术体系,实现跨时空高效用能.针对此新型供电系统结构,本文全面分析协同供能系统的物理架构、信息架构和社会架构的基本组成及类型特征;在此基础上,围绕资产能源化的基本概念,总结“荷-源”时空匹配评估方法与优化技术,并从系统角度阐述多源融合技术、保护重构、弹性评估等重要技术体系;重点分析“网-源-储-车”协同的高效能与高弹性的能源自洽技术,并基于人工智能和信息技术构建多层级能量管控系统,实现不同能量流的高效耦合,保障系统安全稳定经济运行.本文系统性地总结了轨道交通“网-源-储-车”协同供能系统的架构特征、评估优化、安全运维及协同运行等关键技术,阐述协同供能系统的技术组成体系,为协同供能系统的工程实践提供相应参考.

考虑架构灵活重构的混合式贯通牵引供电装置应急管控与故障恢复策略

基于牵引变压器与两相交流输入至单相交流输出(两相-单相)变换单元的混合式贯通牵引供电系统(HATPSS)凭借其设备利用率高、改造成本低等优势而受到关注。然而,两相-单相变换单元作为系统中的薄弱环节,其任意端口故障会导致系统出现负序电流与功率缺失等问题,严重者将引发整个贯通系统失稳。此外,受HATPSS供电架构特殊性及其控制目标多样性的影响,传统牵引系统冗余备用方案与应急管控技术适用性差等问题突出。鉴于此,该文针对两相-单相变换单元的输入/输出端故障工况,综合考虑牵引站中既有设备应急管控潜能与两相-单相变换单元控制自由度的特点,分别提出面向HATPSS的应急管控与故障恢复策略。仅通过牵引变压器、联络开关、两相-单相变换单元等系统既有装置间的协同配合,实现在不同故障工况下HATPSS额定功率运行与负序电流抑制。最后,仿真与实验验证了在不同工况下该文所提应急管控策略的可行性与有效性。

高速接触网静/动态几何参数及误差特性

接触网几何状态是决定高铁供电安全与弓网受流质量的关键因素。根据接触网静/动态属性,明确接触网静/动态几何参数与静/动态检测涵义。针对接触网动态检测时车辆姿态变化、轨面弹性变形、接触线动态抬升与环境扰动问题,开展动力激扰下接触网几何动态检测复合误差形成机理与补偿方法研究。通过轨道、车辆、接触网系统动力耦合及环境扰动作用下复合误差分解、溯源与辨识,分析车辆姿态误差特性及其表征模型,结合轨面弹性变形、接触线动态抬升、风载动态响应,阐述轮轨、弓网、风场多重耦合下接触网几何动态检测误差补偿方法。旨在揭示动力激扰作用下接触网几何动态检测误差产生、传播、复合与演变过程,形成面向高速接触网几何动态检测的复合误差控制基础理论方法,为提高我国接触网检测水平和保障接触网高品质维修起到科学有效的促进作用。

刚性接触网磨耗动态检测系统视觉标定方法研究

接触线磨耗是综合反映接触网服役性能的重要指标。针对接触线空间布置范围大,磨耗检测精度要求高,人工检测效率低的难题,提出综合运用激光三角和沙姆成像原理,研究构建基于线结构光测量技术的车载接触线磨耗主动视觉检测方法。提出采用高斯-牛顿非线性最小二乘优化方法,对像平面与光平面单应性矩阵、镜头畸变参数进行交叉迭代求解,建立面向接触线磨耗动态检测的大视场、高精度视觉模型及其参数标定方法,解决接触线磨耗检测系统视觉建模及参数标定难题。立足现场实际需求,研制接触线磨耗车载检测装置,分步开展室内静态标定实验和现场动态检测试验。结果表明,实验室标定重投影误差控制在0.083 mm以内,与传统模型相比提高53.1%。接触线磨损宽度、磨损深度及磨损面积动态检测数据与人工静态测量数据相比,RMS误差分别控制在0.119 mm, 0.115 mm, 0.788 mm2以内。

电气化铁路牵引回流对钢轨磁化的影响研究

针对钢轨产生异常剩磁的现象,建立机车牵引回路三维有限元模型,对钢轨磁化原因进行仿真分析。研究结果表明:机车正常运行时,接触线在钢轨处产生的磁场及钢轨之间互相耦合产生的磁场均小于0.05 mT,远小于实地测量的钢轨剩磁10 mT,影响可以忽略不计;机车牵引电流幅值突变时,钢轨表面产生的磁场可达0.66~0.68 T,该磁场大小经等效计算接近自动过分相区地面磁钢的最小磁场大小1.1 T,从而可能导致机车主断路器异常跳变。

基于潮流转移装置的混合储能接入牵引供电系统控制策略研究

采用单相工频交流制式的电气化铁路具有无污染、运输效率高的优点,但在现有的牵引供电系统中,负序和再生制动能量利用的问题较为突出。因此,文章提出了一种集成混合储能系统的潮流转移拓扑。文章分析了集成混合储能的潮流转移装置的拓扑结构,研究了削峰、填谷、再生制动和同相运行模式及其能量管理策略;为减少系统损耗,进一步提高系统再生制动能量利用率和削峰填谷的控制精度,文章提出了一种协调控制策略,并采用无源控制的非线性电流控制器提升变流器控制响应速度。仿真结果表明,该系统可以充分利用牵引供电系统的再生制动能量,提高系统中能量流动的灵活性,并且解决了牵引供电系统中的负序问题。

大风区段开孔式挡风墙对正馈线气动特性的影响

兰新高速铁路常年遭受风灾,挡风墙的修建虽有效防止了列车倾覆,但加剧了接触网正馈线的舞动。针对大风区段既有挡风墙“防车不防网”的不足,通过设计一种开孔式挡风墙,基于流体力学理论建立计算域模型,对挡风墙的防风效果进行评估,并仿真分析挡风墙孔隙率及开孔角度对于正馈线气动特性响应的规律。结果表明:挡风墙设置一定孔隙率后,会冲击挡风墙后形成的旋涡流场,使流场趋于平稳;随着孔隙率的增大挡风墙尾流接触网正馈线位置处气流增速区范围大幅减小,且正馈线气动力系数呈明显降低趋势;当挡风墙孔隙率为0.3时,挡风墙背风侧风速残余系数为0.46~0.69,此时正馈线升、阻力系数下降率分别超过41.56%和24.59%;在孔隙率为0.3,且挡风墙设置150°开孔角度时,正馈线气动力系数相较其他角度降幅明显,从而对于正馈线的舞动可以起到进一步的抑制作用。研究成果可为兰新高铁大风区段接触网正馈线舞动防治及挡风墙优化提供一定的理论参考。

基于自适应阈值分割的动车组辅助供电系统单芯动力电缆故障定位方法研究

单芯动力电缆是动车组辅助供电系统能量传输通道之一,其故障后准确定位对检修具有重要意义。当前,电缆故障定位使用较为广泛的方法为时频域反射法,但在对反射信号进行时频分析过程中,产生的交叉项是制约定位准确度的重要原因。为此提出一种基于自适应阈值分割的Wigner-Ville变换方法:在70 m长的电缆样品中设置低阻、高阻、开路和短路四种缺陷故障样本,对时频域法检测到的信号使用Wigner-Ville变换进行时频分析,说明原始Wigner-Ville变换产生交叉项的原因,并据此提出基于自适应阈值分割的Wigner-Ville变换方法,解决交叉项干扰问题;将本文方法与当前交叉项抑制方法进行测试效果对比。结果表明:提出的基于自适应阈值分割的Wigner-Ville变换方法可以有效消除交叉项,且对于单个缺陷故障和多个缺陷的电缆均可适用;对于所设置的单个缺陷故障位置的定位误差均小于0.80%,对于双缺陷故障检测结果的定位误差小于0.40%,验证了本文方法的有效性。

电气化铁路接触网地震作用与抗震性能分析

研究目的:高地震烈度区域电气化铁路沿线途经多条地震断裂带,接触网系统在地震作用下易出现损坏,影响列车的正常运行。本文结合高地震烈度区电气化铁路,基于接触网系统服役特性,开展了4柱3跨原型足尺振动台试验,建立并验证地震响应下的接触网系统有限元模型,开展地震作用下接触网系统的地震响应仿真计算,对比分析接触网导线、腕臂、定位器、支柱等关键装备的抗震性能,并比较分析不同的接触网导线工作张力、跨距以及锚段长度对接触网系统抗震性能的影响,提出高地震烈度区接触网系统的抗震设计原则及措施,全面分析与研究地震作用下接触网系统响应规律和抗震性能。本文提出的关于接触网系统抗震性能分析数据及研究结论,能有效补充和完善接触网抗震设计规范及标准,有力支撑铁路工程建设,提升电气化铁路防灾抗灾能力。研究结论:(1)地震激励对接触网腕臂装置的影响较小,定位器出现受压,导致钩环结构易脱落;(2)地震激励对接触网支柱、接触线具有十分明显的影响,可造成支柱柱底应力增大和接触线跨中位移增大;(3)锚段长度对抗震性能无明显影响,适当增大接触线工作张力、减小跨距可有效降低接触网系统的地震响应;(4)本研究成果可为轨道交通领域防灾减灾设计提供指导。

牵引供电数字孪生系统框架设计及典型应用

数字孪生是一种将物理实体与数字模型深度融合的新兴产业技术,受到国内外铁路行业广泛关注。基于数字孪生的概念和发展现状,提出牵引供电数字孪生系统的框架设计和关键技术需求。针对基于数字孪生的牵引变压器状态监测及性能预测、牵引开关柜温度监测、系统故障检测与处理等典型应用,探讨数字孪生技术在铁路牵引供电系统领域的应用前景。结果表明,通过数字孪生技术的应用,可实现对设备运行状态的全面监测和优化,提升牵引供电系统的性能及可靠性。

站台门与钢轨等电位连接方式下的绝缘防护测试及保障措施

[目的]站台门系统与钢轨等电位连接方式下,当站台门系统的对地绝缘降低时,容易产生放电现象。为确保乘客的乘坐安全,应基于该方式,建立有效的站台门绝缘保障措施。[方法]从站台门电气绝缘机理和人体电气安全2个维度分析了站台门与钢轨等电位连接的优势。建立了轨电位计算模型,对常规工况、极端工况2种工况下站台门处轨电位进行了仿真。采用多参数单一变化法,分析了常规工况下各回流系统参数不同取值对站台门轨电位的影响,计算了极端工况下的站台门轨电位分布曲线。提出了站台门绝缘的测试方法及站台门绝缘维护的相关措施。[结果及结论]采用站台门系统与钢轨等电位连接方式时,轨电位的最大值不应超过60 V。极端工况下,站台门处轨电位有可能高于该阈值,此时乘客的人身安全可能会受到威胁,须采取有效措施,确保站台门的绝缘有效性。

基于分布式协同控制技术的分散式无功补偿技术方案研究

结合实际工程的应用实例从分散式无功补偿方案的提出、分布式协同吸收方案的理论、具体工程方案的设计进行简单的论述。结合线路开通后的实际运行工况,利用设置于正线的能量回馈吸收装置实现了分散式无功补偿,该方案可减少或完全取消设置于主变电所侧的SVG容量,充分开发和利用了能馈吸收装置的能力,节约了工程投资,实现了既定设计目标。

交流双边供电系统供电能力分析

牵引供电系统采用双边供电方式可以取消相邻牵引变电所供电臂电分相,我国轨道交通直流供电系统基本采用双边供电方式,交流供电系统尚未应用该方式。本文针对交流双边供电系统,从电压损失、电流需求、牵引网能耗等方面进行分析,并给出研究结论。