客運專線牽引供電系統(tǒng)電氣特性的仿真研究

喻 奇，吳江濤

1 客運專線牽引供電系統(tǒng)的結構

客運專線采用供電距離長、供電能力強、牽引網(wǎng)電壓損失小、對通訊干擾小的全并聯(lián)AT牽引供電方式。其牽引網(wǎng)主要由接觸懸掛、鋼軌、正饋線構成，除此之外還有保護線、橫向連接線和輔助連接，綜合地線由信號專業(yè)設置。保護線（PW）與軌道（R）并聯(lián)，同時在AT所內(nèi)采用橫向連線實現(xiàn)軌道、保護線和AT中點的連接。設置保護線的目的主要是為鋼軌工作回流提供并聯(lián)通道，減小鋼軌中流動的電流，并可兼作閃絡保護接地的作用。為了降低鋼軌電位，提高信號軌道電路的工作可靠性，保障人身和設備安全，客運專線采用綜合接地系統(tǒng)。

客運專線由于牽引電流非常大，為降低軌面電壓，通常采用綜合接地系統(tǒng)。上下行鋼軌、保護線、綜合地線每隔一定距離進行一次完全橫向連接，鋼軌只能通過扼流變壓器（或空心線圈）中點接入綜合接地系統(tǒng)。由于斷軌檢查的需要，該距離長度一般設置為1.5 km?；亓骶€（或PW線）每500 m左右進行一次簡單橫向連接，并接入綜合接地系統(tǒng)?？瓦\專線牽引網(wǎng)結構示意圖如圖1所示。

圖1 客運專線牽引網(wǎng)結構示意圖

2 客運專線牽引供電系統(tǒng)的仿真模型

2.1 牽引變電所模型

牽引變電所的主要設備包括牽引變壓器、電壓互感器、電流互感器、斷路器、隔離開關、避雷器等，由于仿真模型主要考慮電氣特性，變電所中的設備只考慮牽引變壓器以及牽引變電所220 kV進線和接地網(wǎng)，即可組建牽引變電所的仿真模型。

2.2 AT所模型

在MATLAB/SIMULINK中，沒有現(xiàn)成可以利用的自耦變壓器模型，由于AT變比為2∶1，可利用1∶1的單相雙繞組變壓器通過改變接線方式的方法將其改裝成自耦變壓器。自耦變壓器的參數(shù)設置與單相雙繞組變壓器的參數(shù)設置相同，都是通過空載試驗和短路試驗確定其阻抗參數(shù)。分區(qū)所與AT所的仿真模型一樣，只不過自耦變壓器額定容量稍小一些。

2.3 AT牽引網(wǎng)模型

牽引網(wǎng)每條供電臂的線路模型可以用包含串聯(lián)阻抗矩陣和并聯(lián)導納矩陣的集中參數(shù)模型—π型模型來建模，串聯(lián)阻抗矩陣包含導線的自阻抗和導線之間的互阻抗。并聯(lián)導納矩陣包含導線之間或?qū)Ь€對地電容和漏電阻。由于每條供電臂比較短，一般為30 km，因此并聯(lián)導納通?？梢院雎?。

在MATLAB/SIMULINK中，可以采用“Series RLC Branch”模塊和“Mutual Inductance”模塊搭建AT牽引網(wǎng)模型，并將其封裝成模塊。

3 MATLAB/SIMULINK仿真結果分析

甬臺溫客運專線實際參數(shù)見表1、表2。

表1 牽引變壓器和自耦變壓器參數(shù)表

表2 線路參數(shù)表

利用表1、表2參數(shù)進行短路試驗，短路阻抗測試結果如圖 2所示?？瓦\專線采用綜合接地系統(tǒng)，導致牽引網(wǎng)阻抗（即T-R短路阻抗）進一步降低。在AT段內(nèi)，牽引網(wǎng)阻抗曲線整體趨勢呈馬鞍形增長。由于完全橫向連接的影響，牽引網(wǎng)阻抗曲線在2個相鄰完全橫向連接之間也呈馬鞍形增長。對T-F短路阻抗并無影響。

圖2 客運專線牽引網(wǎng)短路阻抗特性圖

以1列車在1個供電臂內(nèi)運行為例，客運專線牽引網(wǎng)正常運行時電流分布示意圖如圖3所示。

圖3 客運專線牽引網(wǎng)正常運行電流分布示意圖

圖4 客運專線牽引網(wǎng)正常運行T線電流分配關系圖

如圖4所示，在列車運行的AT段內(nèi)，It1a/I與It1b/I在AT段內(nèi)與短路點到牽引變電所的距離L呈線性關系。由于It2的電流方向在AT段內(nèi)某位置發(fā)生反向，It2/I在AT段內(nèi)與L呈分段線性。

圖5 客運專線牽引網(wǎng)正常運行R線電流分配關系圖

如圖5所示，在列車運行的AT段內(nèi)，Ir1a/I與Ir1b/I在2個相鄰完全橫向連接內(nèi)與L呈線性關系，并呈此消彼長之勢。由于Ir2的電流方向在 2個相鄰完全橫向連接內(nèi)某位置發(fā)生反向，Ir2/I在2個相鄰完全橫向連接內(nèi)與L呈分段線性，且Ir2相對負荷電流而言比較小。

圖6 客運專線牽引網(wǎng)正常運行F線電流分配關系圖

如圖6所示，在列車運行的AT段內(nèi)，上下行正饋線電流相同，并且與L呈線性關系，相對負荷電流而言，正饋線流過的電流比較小。

如圖7所示，牽引網(wǎng)中流過保護線和綜合地線的電流相對負荷電流而言很小，特別是綜合地線流過的最大電流僅為負荷電流的8%。它們與負荷電流比值關系與Ir2類似。

圖7 客運專線牽引網(wǎng)正常運行PW、GW線電流分配關系圖

4 結束語

客運專線牽引網(wǎng)的電氣特性決定供電系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟技術指標。采用該仿真模型可以對客運專線牽引網(wǎng)電壓損失、短路計算、鋼軌電位情況進行仿真分析，能方便解決牽引供電系統(tǒng)設計問題。

[1]曹建猷.電氣化鐵道供電系統(tǒng)[M].中國鐵道出版社，1993.

[2]高仕斌.高速鐵路牽引供電系統(tǒng)新型保護原理研究[D].西南交通大學博士學位論文，2004.

[3]譚秀炳，等.交流電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)[M].西南交通大學出版社，2007.

[4]辛成山.AT供電系統(tǒng)等值電路推導方法[J].電氣化鐵道，1999，（1）：17-20，35.

[5]李自良，陳薇，黨平，等.電氣化鐵道自耦變壓器供電方式的原理分析[J].電氣化鐵道，1998，（3）：12-18.

[6]余心滬.鐵路高速客運專線牽引供電系統(tǒng)工程設計原則研究與探討[J].電氣應用，2007，（2）：58-61.

[7]楊崗.客運專線綜合接地系統(tǒng)方案研究[J].中國鐵路，2006，（8）：33-35.

[8]楊振龍.V/X接線牽引變壓器的研究和應用[J].電氣化鐵道，2004，（4）：12-15.

[9]張葛祥，李娜.MATLAB仿真技術與應用[M].北京：清華大學出版社，2003.

[10]吳天明，謝小竹，彭彬.MATLAB電力系統(tǒng)設計與分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004.