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(jié)構(gòu)

客運專線采用供電距離長、供電能力強(qiáng)、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(gòu)成，除此之外還有保護(hù)線、橫向連接線和輔助連接，綜合地線由信號專業(yè)設(shè)置。保護(hù)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(hù)線和AT中點的連接。設(shè)置保護(hù)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(luò)保護(hù)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(shè)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(hù)線、綜合地線每隔一定距離進(jìn)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(shè)置為1.5 km。回流線（或PW線）每500 m左右進(jìn)行一次簡單橫向連接，并接入綜合接地系統(tǒng)。客運專線牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 客運專線牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)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(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220 kV進(jìn)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(shè)置與單相雙繞組變壓器的參數(shù)設(shè)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(dǎo)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(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€對地電容和漏電阻。由于每條供電臂比較短，一般為30 km，因此并聯(lián)導(dǎo)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(wǎng)模型，并將其封裝成模塊。

3 MATLAB/SIMULINK仿真結(jié)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(jìn)行短路試驗，短路阻抗測試結(jié)果如圖 2所示。客運專線采用綜合接地系統(tǒng)，導(dǎo)致牽引網(wǎng)阻抗（即T-R短路阻抗）進(jìn)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?fù)耆珯M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(guān)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(guān)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(guān)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?fù)耆珯M向連接內(nèi)與L呈線性關(guān)系，并呈此消彼長之勢。由于Ir2的電流方向在 2個相鄰?fù)耆珯M向連接內(nèi)某位置發(fā)生反向，Ir2/I在2個相鄰?fù)耆珯M向連接內(nèi)與L呈分段線性，且Ir2相對負(fù)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(guān)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(guān)系，相對負(fù)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(hù)線和綜合地線的電流相對負(fù)荷電流而言很小，特別是綜合地線流過的最大電流僅為負(fù)荷電流的8%。它們與負(fù)荷電流比值關(guān)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(guān)系圖

4 結(jié)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(jì)技術(shù)指標(biāo)。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(jìn)行仿真分析，能方便解決牽引供電系統(tǒng)設(shè)計問題。

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