接觸網分布參數對供電系統功率因數的影響

金柏泉

0 引言

目前，國內客運專線均采用交直交動車組，機車牽引功率大，功率因數高（大于0.95），供電質量良好[1，2]。但在開通初期運營單位發現牽引變電所功率因數明顯偏低，造成了不必要的罰款。由于客運專線設計階段使用的專業供電計算軟件（如WEBANET）均采用集中參數模型[3，4]]，忽略了導線的分布參數，無法定量計算不同列車對數下的客運專線功率因數。

本文基于電磁場理論計算多導線系統在靜電場條件下的分布參數[5]，建立牽引供電系統仿真模型計算了不同列車對數下的變電所功率因數。討論了開通初期客運專線功率因數偏低的主要原因。

1 導線分布參數計算原理[6]

根據電磁場理論，設有n 條平行架設的導線均與地面平行，這樣就和大地共同構成一個多導線系統，在某一確定頻率下，沿輸電線路單位長度內的電壓降與導線電流和阻抗矩陣相關，即

式（1）即為一組頻域中的線路方程，U、I 分別為n 相導線的電位和電流矢量，Z 就是n 相導線系統的阻抗矩陣。可計算得到單位長度接觸網分布參數，根據該參數可以建立仿真模型對供電系統有關參數進行仿真。

2 仿真計算

2.1 仿真模型的搭建

運用MATLAB/SIMULINK可以搭建牽引供電系統模型[7]（仿真模型圖略），其中牽引網采用分布參數模型。

2.2 仿真計算結果

根據分布參數搭建的仿真模型，對線路空載和有機車運行情況下功率因數進行仿真，仿真結果如表1 所示。

由表2 知，功率因數隨著列車對數的增多將顯著升高。

根據牽引計算及列車對數，日平均功率因數計算結果如表2 所示。

3 工程實例分析

3.1 實測數據統計

對國內開通初期的某客運專線牽引變電所進行測試，該線路日列車對數為10 對。將測試結果與仿真計算進行對比分析，測試時間大于24 h。牽引變電所瞬時有功功率如圖1 所示，瞬時功率因數如圖2 所示。

表1 不同列車對數下主要電氣參數表

表2 不同列車對數下日平均功率因數表

圖1 變電所瞬時有功功率變化圖

根據實測數據統計，該變電所日平均功率因數為0.653 8。實測結果與仿真結果一致，驗證了仿真模型的正確性。

圖2 變電所瞬時功率因數變化圖

3.2 功率因數分析

在實測數據統計基礎上對功率因數進行分析。供電臂全天負荷按照空載、牽引、制動3 種工況進行劃分，計算該供電臂全天牽引工況概率p1，制動工況概率p2，線路空載概率p0分別為0.042 7，0.026 9，0.930 4。

在測試期間動車組牽引工況最大有功功率P1= 12 000 kV?A，最大無功功率Q1= 3 000 kvar；制動工況最大有功功率P2= 7 000 kV?A，最大無功功率Q2= 1 000 kvar。

利用對地等效電容計算結果，計算線路空載無功功率Q0= 476 kvar。又根據供電臂不同工況概率及動車組功率，計算出供電臂全天平均功率因數：

由分析結果可知，由于客運專線開通初期列車發車密度小、線路空載密度大，線路的空載電容累計的無功功率總量導致日平均功率因數偏低。

4 結論

本文根據電磁場理論計算了導線分布參數，建立了供電系統仿真模型，運用該仿真模型對不同發車密度下客運專線功率因數進行了定量計算。主要結論如下：

（1）基于電磁場理論計算多導線系統在靜電場條件下的分布參數，并建立牽引供電系統仿真模型用于計算功率因數。計算結果與實測數據吻合，驗證了理論分析與模型的正確性。

（2）常規的供電分析方法不能準確評估不同發車密度下供電系統的功率因數。本文提出的接觸網分布參數的分析方法考慮了分布電容的影響，能夠準確計算不同發車密度下的功率因數。

（3）客運專線開通初期線路功率因數較低，但隨著列車密度的增大功率因數將滿足相關的供電要求。

（4）本文建立的仿真模型，還可以用于分析牽引供電系統的阻頻特性，用于工程中分析高頻諧振產生的諧波放大等問題。

[1] 張曙光.京滬高速鐵路系統優化研究[M].北京：中國鐵道出版社，2009.

[2] 鐵道科學研究院高速鐵路技術研究總體組.高速鐵路技術[M].北京：中國鐵道出版社，2005.

[3] 曹建猷.電氣化鐵道供電系統[M].北京：中國鐵道出版社，1982.

[4] 鐵道部電氣化工程局電氣化勘測設計處，電氣化鐵道設計手冊 牽引供電系統[M].北京：中國鐵道出版社，1988.

[5] 吳命利.牽引供電系統電氣參數與數學模型研究[D].北京交通大學，2006.

[6] 姚楠.電氣化鐵道牽引網基波與諧波模型研究[D].北京交通大學，2008.

[7] 喻奇.客運專線牽引供電系統電氣模型的研究[D].西南交通大學，2009.