[发明专利]一种考虑电弧随机特性的弓网电弧建模方法和仿真回路

说明书

本发明公开一种考虑电弧随机特性的弓网电弧建模方法和仿真回路，首先使用Habedank模型建立弓网电弧初始模型；再选用遗传算法优化Habedank模型参数，利用弓网电弧实测波形数据，计算模型参数随时间的变化关系，并考虑燃弧时刻和燃弧时间的随机性，增加一个脉冲发生时刻和脉冲宽度分别按照均匀分布函数和截断正态分布函数变化的脉冲函数，对弓网电弧初始模型进行改进，得到改进后的弓网电弧数学模型。本发明的弓网电弧仿真回路，由电压为36V和频率为50Hz的交流电源、Modified Habedank电弧模块、电压测量模块、电流测量模块和阻性负载组成。本发明能够更加准确地描述弓网电弧的动态伏安特性，可以用于深入研究弓网电弧的动态演变规律。

技术领域

本发明涉及弓网电弧仿真技术领域，尤其涉及一种考虑电弧随机特性的弓网电弧建模方法和仿真回路。

背景技术

高速列车通过受电弓与接触线之间的滑动电接触获得电能，因此运行中的受电弓与接触线总是处于相对运动之中。当列车在高速运行时由于弓网振动、风阻、导线或钢轨的不平顺性、接触网硬点、过分相等因素的影响，将发生弓网离线。弓网离线会产生电弧，烧蚀导线和受电弓滑板、降低列车受流质量、引起电压和电流波形畸变、产生电磁干扰等严重问题，从而威胁列车的安全。

目前建立的弓网电弧数学模型主要是从电弧机理角度，基于经典电弧数学模型考虑弓网离线距离、列车速度等条件对耗散功率、电压梯度等电弧模型参数的影响，并且将模型参数表示为关于弓网离线距离、列车速度的函数。但是这些函数大多是根据开关电弧实验获得的经验公式进行推导的，未必适合用于描述弓网电弧。此外，现有技术大多是针对电弧数学模型的耗散功率和电压梯度常数进行修正，很少有对电弧数学模型中的电弧时间常数进行修正。研究表明，电弧时间常数是随时间而变化的，现有的弓网电弧数学模型没有考虑电弧时间常数的时变特性，同时也没有考虑到弓网电弧的随机特性。因此，有必要对弓网电弧数学模型进行深入研究。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种考虑电弧随机特性的弓网电弧建模方法和仿真回路。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种考虑电弧随机特性的弓网电弧建模方法，包括如下步骤：

步骤1：使用Habedank模型建立弓网电弧初始模型；

Habedank模型将Mayr和Cassie模型串联起来，在电流较大时Cassie发挥主要作用，在电流过零附近的小电流区间Mayr模型占据主导。Habedank模型结合了Mayr模型和Cassie模型各自的优点，可以采用Habedank模型建立弓网电弧初始模型。

Habedank模型表达式为：

式中τ_m、τ_c、P和U_c分别表示Mayr电弧时间常数、Cassie时间常数、耗散功率常数和电压梯度常数，i表示电弧电流，g_m和g_c分别代表Mayr电弧电导和Cassie电弧电导，g为g_m和g_c串联的总电弧电导。

步骤2：利用电弧电压误差最小的原则，选用遗传算法优化Habedank模型的Mayr时间常数、Cassie时间常数、耗散功率及电压梯度常数，过程如下：

步骤2.1：采用电弧电压作为比较对象建立误差目标函数，将误差函数作为目标函数，数学表达式如下：

其中，ε代表误差值，u_mi是实测电压在每个采样点的值，u_si则为模型仿真获得的电压对应点的值；

步骤2.2：选择遗传算法对误差目标函数进行优化；