客運專線牽引供電系統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的結構

客運專線采用供電距離長、供電能力強、牽引網電壓損失小、對通訊干擾小的全并聯AT牽引供電方式。其牽引網主要由接觸懸掛、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設置。保護線（PW）與軌道（R）并聯，同時在AT所內采用橫向連線實現軌道、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。

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。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。由于斷軌檢查的需要，該距離長度一般設置為1.5 km。回流線（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。客運專線牽引網結構示意圖如圖1所示。

圖1 客運專線牽引網結構示意圖

2 客運專線牽引供電系統的仿真模型

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，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。自耦變壓器的參數設置與單相雙繞組變壓器的參數設置相同，都是通過空載試驗和短路試驗確定其阻抗參數。分區所與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牽引網模型

牽引網每條供電臂的線路模型可以用包含串聯阻抗矩陣和并聯導納矩陣的集中參數模型—π型模型來建模，串聯阻抗矩陣包含導線的自阻抗和導線之間的互阻抗。并聯導納矩陣包含導線之間或導線對地電容和漏電阻。由于每條供電臂比較短，一般為30 km，因此并聯導納通常可以忽略。

在MATLAB/SIMULINK中，可以采用“Series RLC Branch”模塊和“Mutual Inductance”模塊搭建AT牽引網模型，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見表1、表2。

表1 牽引變壓器和自耦變壓器參數表

表2 線路參數表

利用表1、表2參數進行短路試驗，短路阻抗測試結果如圖 2所示。客運專線采用綜合接地系統，導致牽引網阻抗（即T-R短路阻抗）進一步降低。在AT段內，牽引網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 客運專線牽引網短路阻抗特性圖

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

圖3 客運專線牽引網正常運行電流分布示意圖

圖4 客運專線牽引網正常運行T線電流分配關系圖

如圖4所示，在列車運行的AT段內，It1a/I與It1b/I在AT段內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段內某位置發生反向，It2/I在AT段內與L呈分段線性。

圖5 客運專線牽引網正常運行R線電流分配關系圖

如圖5所示，在列車運行的AT段內，Ir1a/I與Ir1b/I在2個相鄰完全橫向連接內與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某位置發生反向，Ir2/I在2個相鄰完全橫向連接內與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，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

客運專線牽引網的電氣特性決定供電系統的性能和經濟技術指標。采用該仿真模型可以對客運專線牽引網電壓損失、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設計問題。

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