帶加強(qiáng)線的全并聯(lián)直供電氣特性研究

邢曉乾

0 引言

隨著國內(nèi)鐵路建設(shè)的發(fā)展，以速度目標(biāo)值200 km/h及以上雙線電氣化鐵道為代表的大運(yùn)量、高標(biāo)準(zhǔn)線路建設(shè)逐步由中東部平原、丘陵地區(qū)向西部山區(qū)推進(jìn)。平原、丘陵地區(qū)多采用AT供電方式，但對于山區(qū)電氣化鐵路，由于具有運(yùn)行速度低、坡道大（往往為一面坡）、橋隧比例高、所址選擇困難等特點(diǎn)，AT供電方式牽引變電設(shè)施較多，站前土建工程較大，運(yùn)營維護(hù)難度也較大[1]。為解決該矛盾，通過初步分析認(rèn)為，帶加強(qiáng)線的全并聯(lián)供電方式在解決供電的同時(shí)，較AT供電方式節(jié)約大量資金，是解決山區(qū)大坡道大負(fù)荷供電需求的較為經(jīng)濟(jì)有效的供電方式。

1 帶加強(qiáng)線全并聯(lián)供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

帶加強(qiáng)線的全并聯(lián)供電系統(tǒng)牽引網(wǎng)主要由接觸線、鋼軌、回流線、加強(qiáng)線構(gòu)成，除此之外還有橫向連接線和輔助連接等[2]。加強(qiáng)線和接觸線并聯(lián)，每隔一定的間隔通過橫向連接線連接起來。上下行鋼軌、回流線每隔一定距離進(jìn)行一次橫向連接，鋼軌只能通過扼流變壓器（或空心線圈）中點(diǎn)和回流線連在一起。由于段軌檢查的需要，該距離長度一般設(shè)置為1.5 km。上下行的接觸懸掛也要每隔一段距離連接一次，構(gòu)成全并聯(lián)系統(tǒng)。帶加強(qiáng)線的全并聯(lián)直接供電系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)的低阻抗，減少電壓損失和增強(qiáng)供電能力，改善供電質(zhì)量[3]。

在山區(qū)鐵路瞬時(shí)負(fù)荷和平衡負(fù)荷差別很大的情況下，V/v接線的安裝容量并不具有明顯優(yōu)勢，故在電力系統(tǒng)較為薄弱，運(yùn)量不是很大的大坡道山區(qū)電氣化鐵路中，平衡變壓器仍是很好的選擇[4]。

2 帶加強(qiáng)線全并聯(lián)直供系統(tǒng)的仿真模型

2.1 牽引變電所模型

牽引變電所的主要設(shè)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(guān)、避雷器等，由于仿真模型主要考慮電氣特性，變電所中的設(shè)備只考慮牽引變壓器以及牽引變電所110 kV進(jìn)線和接觸網(wǎng)，即可組建牽引變電所的仿真模型。

2.2 帶加強(qiáng)線的直供牽引網(wǎng)模型

牽引網(wǎng)從整體上看都是多導(dǎo)線傳輸線，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個(gè)鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，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(dǎo)納矩陣的分布參數(shù)來建模，串聯(lián)阻抗矩陣包含導(dǎo)線的自阻抗和導(dǎo)線之間的互阻抗。并聯(lián)導(dǎo)納矩陣包含導(dǎo)線之間或?qū)Ь€對地電容和漏電抗[5]。

帶加強(qiáng)線的直接供電方式牽引網(wǎng)仿真模型采用8根導(dǎo)線等值模型，其組成為上行接觸線（T1）、上行鋼軌（R1）、上行加強(qiáng)導(dǎo)線（A1）、上行回流線（NF1）和下行接觸線（T2）、下行鋼軌（R2）、下行加強(qiáng)導(dǎo)線（A2）、下行回流線（NF2）。

在MATLAB/SIMULINK中，可以采用“Series RLC Branch”模塊和“Mutual Inductance”模塊搭建帶加強(qiáng)線的全并聯(lián)直供牽引網(wǎng)模型，并將其分裝成模塊。

3 MATLAB/SIMULINK仿真結(jié)果分析

基本參數(shù)設(shè)置見表1、表2。

表1 牽引變壓器參數(shù)表

表2 線路參數(shù)表

3.1 牽引網(wǎng)短路阻抗分析

利用表1、表2參數(shù)進(jìn)行短路試驗(yàn)，短路阻抗測試結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，加強(qiáng)線的作用較為明顯，可以使?fàn)恳W(wǎng)阻抗（即T-R短路阻抗）降低。加強(qiáng)線與接觸線之間連接間隔不同，牽引網(wǎng)短路阻抗也不同，連接間隔越小，T-R短路阻抗也就越小。在全并聯(lián)區(qū)間內(nèi)，牽引網(wǎng)阻抗曲線整體趨勢呈馬鞍形增長。由于橫向連接的影響，牽引網(wǎng)阻抗曲線在 2個(gè)相鄰的橫向連接之間也呈馬鞍形增長。

3.2 牽引網(wǎng)電流分配關(guān)系

以1列車在1條供電臂內(nèi)運(yùn)行為例，帶加強(qiáng)線的全并聯(lián)直供系統(tǒng)中牽引網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)接觸線電流分布示意圖如圖2所示。

圖1 牽引網(wǎng)短路阻抗特性圖

圖2 帶加強(qiáng)線的全并聯(lián)直供牽引網(wǎng)正常運(yùn)行電流分配示意圖

在列車運(yùn)行的并聯(lián)區(qū)間內(nèi)，It1a/I和It1b/I與短路點(diǎn)到牽引變電所的距離L呈線性關(guān)系，并呈此消彼長之勢。It2/I在全并聯(lián)區(qū)間內(nèi)也呈線性關(guān)系，且相對負(fù)荷電流而言比較小。由于橫向連接的影響，It1a/I、It1b/I、It2/I在相鄰的 2個(gè)橫向連接之間均呈馬鞍形增長，如圖3所示。

圖3 牽引網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)T線電流分配關(guān)系圖

在列車運(yùn)行的并聯(lián)區(qū)間內(nèi)，Ia1/I和Ia2/I與短路點(diǎn)到牽引變電所的距離L呈線性關(guān)系，并呈此消彼長之勢，在并聯(lián)點(diǎn)處上下行電流相等。由于橫向連接的影響，Ia1/I和Ia2/I在2個(gè)相鄰的橫向連接之間均呈馬鞍形增長，如圖4所示。

圖4 牽引網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)加強(qiáng)線電流分配關(guān)系圖

在列車運(yùn)行的并聯(lián)區(qū)間內(nèi)，Ir1a/I與 Ir1b/I在2個(gè)相鄰的橫向連接內(nèi)與短路點(diǎn)到牽引變電所的距離L呈線性關(guān)系，并呈此消彼長之勢。Ir2/I在2個(gè)相鄰的橫向連接內(nèi)也呈線性關(guān)系，且相對負(fù)荷電流而言比較小，如圖5所示。

圖5 牽引網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)R線電流分配關(guān)系圖

上下行的回流線電流在列車運(yùn)行的并聯(lián)區(qū)間內(nèi)呈此消彼長之勢，在相鄰的橫向連接內(nèi)變化趨勢是相同的，并且都呈線性關(guān)系，相對負(fù)荷電流而言，回流線流過的電流比較小，如圖6所示。

圖6 牽引網(wǎng)正常運(yùn)行回流線電流分配關(guān)系圖

4 結(jié)束語

隨著渝利線的開工，成九線、云桂線等一大批高標(biāo)準(zhǔn)、大負(fù)荷山區(qū)電氣化鐵路項(xiàng)目的啟動，結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)有效的帶加強(qiáng)線的全并聯(lián)供電方式體現(xiàn)出了極大的優(yōu)越性，因此，對帶加強(qiáng)線的全并聯(lián)供電方式進(jìn)行系統(tǒng)分析和研究，解決工程實(shí)施中的技術(shù)“短板”，具有強(qiáng)烈的必要性和緊迫性。

牽引網(wǎng)的電氣特性決定其供電系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。采用該仿真模型可以對帶加強(qiáng)線的全并聯(lián)直接供電系統(tǒng)牽引網(wǎng)的電壓損失、阻抗特性、電流分布情況進(jìn)行仿真分析，能方便解決牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題。

[1]李群湛，賀建閔.牽引供電系統(tǒng)分析[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2007.

[2]石瑞霞.牽引網(wǎng)故障數(shù)字仿真系統(tǒng)[D].西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.

[3]李群湛，汪永寧.直接供方式及其回流網(wǎng)的技術(shù)指標(biāo)分析[J].鐵道學(xué)報(bào)，1991，（3）：40-47.

[4]鄧云川.關(guān)于山區(qū)電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)問題的討論[J].電氣化鐵道，2萬公里論文集，2005z：188-191.

[5]王繼芳，高仕斌.全并聯(lián)AT供電牽引網(wǎng)短路故障分析[J].電氣化鐵道，2005，（4）：20-23.