基于PSCAD的电力机车HEMP注入效应仿真∗

周 行，范丽思，魏子鹏，赵 强

(石家庄铁道大学 电气与电子工程学院，河北 石家庄050043)

0 引言

高空核电磁脉冲（High-altitude Electromagnetic pulse, HEMP）峰值场强高达5 kA、上升沿仅20 ns、瞬时能量与高频成分均远高于雷电流脉冲，对各类电子设备及各种长度导线、电缆的响应最大可以造成暂时或永久的功能损伤．目前的文献研究多是牵引供电系统稳态谐波干扰及雷电流防护，而对于HEMP的防护研究较少．文献[1]研究了稳态情况下机车的谐波情况；文献[2]研究了HEMP辐照下的线缆耦合情况；文献[3]比较了1976和IEC 1996两种标准下的HEMP电缆耦合情况；文献[4]利用PSCAD/EMTDC仿真软件，研究了电力机车升弓浪涌过电压水平；文献[5]研究了注入式HEMP对电子设备的损伤效应；文献[6]研究了架空线路的电磁脉冲暂态响应计算；文献[7]研究了车辆的强电磁防护措施．上述研究成果多集中于对电力系统的HEMP线缆耦合效应或电力机车的稳态谐波影响，而缺乏对机车的HEMP防护研究．然而随着我国经济的发展，铁路在国民生产生活中的作用也愈加重要，因此对其电磁防护研究有着十分重要的意义．

本文利用PSCAD/EMTDC仿真软件建立了简化的牵引供电系统、电力机车以及HEMP电流源模型，分析了HEMP注入某接触网点时，对电力机车内部的影响效应．

1 牵引网仿真建模

针对某单线铁路的一个供电区间进行建模和仿真，其牵引网长度为左臂30 km、右臂20 km，采用AT供电方式．其牵引供电系统仿真模型如图1所示．

图1 牵引供电系统仿真模型Fig 1 Simulation model of traction power supply system

其中部分模块的参数设置如表1所示.

表1 牵引供电系统仿真参数设置Tab 1 Setting of simulation parameters for traction power supply system

牵引供电回路是牵引变电所、正馈线、接触线、电力机车、钢轨、回流线等组合的回路，其简化示意图如图2所示．

图2 系统简化示意图Fig 2 System simplified schematic diagram

仿真模型各子模型包括牵引变电所，机车接触网．

1.1 牵引变电所

其功能是将110 kV的三相交流电转变为27.5 kV的单相交流电供机车使用，核心部件为置于其中的牵引变压器，本文中采用的是V/X接线的牵引变压器，其原理图如图3（左）所示、仿真模型图如图3（右）所示．

图3 V/X接线牵引变压器Fig 3 V/X wiring traction transformer

1.2 机车接触网

机车接触网各导线分布关系如图4所示，图4中数据均为实际现场典型数据．

对图4所示的接触网建模，地面简化为无限大理想导体，对承力索(M)、接触线(T)、负馈线(F)和钢轨(R)进行简化：由于两条钢轨对称分布，故将铁轨等效为对称轴的单根导线；将承力索与接触线等效为一根平行于钢轨与正馈线的导线，接触网被简化为三根相互平行的导线，简化模型如图5所示．

图4 机车接触网Fig 4 Locomotive catenary

图5 接触网仿真模型Fig 5 Simulation model of OCS

根据多导体传输线理论以及各条导线的等效型号参数，计算得到下列各导体单位长度自、互阻抗数据如式(1)所示：

导体单位长度的线间互电容如式（2）所示：

通过扩展此模型既可得到任意长度的牵引供电线路．

2 电力机车仿真建模

仿真的机车型号为为韶山4改进型电力机车，代号为SS4G，机车主电路主要由主变压器、三段不等分半控调压整流桥以及牵引电动机等组成[8]，其中主变压器用单相四绕组变压器模拟，牵引电动机等效为可变电阻R和受控电流源组成的串联组合，由自定义控制模块E0与R0控制．由于三段整流桥完全一致，故只仿真其中一段．根据机车工作原理建立仿真模型如图6所示．

图6 SS4G机车仿真模型Fig 6 SS4G locomotive simulation model

其稳态运行时直流侧电压Ud1电压峰值约为1.47 kV，与理论波形基本一致，证实仿真模型参数的准确性．

3 HEMP电流源仿真与注入

3.1 HEMP电流源仿真建模

HEMP波形表示为双指数波，其时域和频域表达式如式(3)所示．

注入源采用MIL-STD-188-125-1标准的HEMP波形，α=1.4×106s，β=9.5×107s，k=1.08，Em=5 kV/m，波形的前沿tr=20 ns，脉冲半宽度τ(1/2)=500 ns，根据上述参数建立HEMP电流源模块，如图7所示．

图7 HEMP波形发生模块Fig 7 HEMP waveform generator module

图8 HEMP电流仿真波形Fig 8 HEMP current simulated waveform

仿真波形如图8所示，可见电流仿真波形与理论参数相符[9]，仿真参数设置合理．

3.2 HEMP注入效应

设置注入牵引网上行部分接触线7 km处，机车内部过电压仿真结果如图9所示．

图9 机车内部过电压情况Fig 9 Internal overvoltage of locomotive

机车内部部分观测点电压注入前后幅值对照如表2所示．

表2 注入前后电压幅值Tab 2 Voltage amplitude before and after injection

由表2可知，注入后的内部电压幅值激增约70余倍，远超机车的正常工作电压[10,11]．而在牵引网上同样产生了严重的过电压情况，其部分观察点幅值如表3所示．

表3 注入后牵引网过电压幅值Tab 3 Overvoltage amplitude of traction network after injection

4 结论

(1)注入后机车内部普遍产生过电压，幅值最高可达约1 992 kV，注入前后机车内部电压激增约70余倍，严重超出了机车内部设备的耐压水平，且具有能量极高、作用时间极快的特点，会对机车内部的电子器件造成极为严重的破坏．

(2)在接触线与负馈线上分别产生了大小相近，方向相反的电压，幅值分别达到约1 992 kV和-1 554 kV，钢轨上电压幅值可达4.05 kV，三条导线上产生的电压幅值均远超出其正常工作时的水平．