全并聯(lián)AT供電牽引網(wǎng)短路故障仿真分析

李 波 左 才 李 強

（西南交通大學，四川 成都 610031）

前言：在我國客運專線建設(shè)的大浪潮中，AT供電方式由于其顯著的供電優(yōu)勢得到了廣泛的應用。為進一步提高供電優(yōu)勢，以適應高速客專對牽引供電系統(tǒng)的要求，全并聯(lián)AT供電方式得到應用和發(fā)展。基于MATLAB/Simulink仿真軟件，建立全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)模型，通過仿真得出了牽引網(wǎng)短路仿真結(jié)果。并與文獻[2]中的理論計算進行對比。

1.全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)模型的建立

1.1 全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)

牽引網(wǎng)全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)從牽引變電所到接觸網(wǎng)，是一個十分復雜的系統(tǒng)，架空線包括接觸線、正饋線、加強線、保護線、吊玄和承力索，地面包含鋼軌、大地，每隔一段距離的AT變壓器等電氣因素。線路分單線、復線以及站場咽喉等等。為簡化系統(tǒng)，便于系統(tǒng)模型的建立，忽略了加強線與保護線，將承力索、吊弦與接觸線等效為一條接觸線T，將兩條鋼軌等效為一條線路N，并忽略AT變壓器漏抗。同時，將牽引網(wǎng)視為空載。

1.2 AT模型

AT（Auto-Transformer）變壓器的等值電路和單相雙繞組變壓器相同。AT變壓器仿真模塊采用SimPowerSystems模塊中的單相雙繞組飽和變壓器"SaturableTransformer"來實現(xiàn)，根據(jù)AT變壓器的接線方式，將一次側(cè)繞組和二次側(cè)繞組的異名端連接在一點作為中間抽頭接鋼軌，其他兩端的抽頭作為接觸線和正饋線的抽頭。如圖1-1。

圖1-1 AT變壓器模型及參數(shù)

1.3 牽引網(wǎng)復線模型

由于牽引網(wǎng)供電供電臂相對比較短，一般不會超過50km，因此每個供電臂的線路模型可以用串聯(lián)阻抗矩陣和并聯(lián)導納矩陣的集中參數(shù)模型的π型模型來代替。其中串聯(lián)阻抗矩陣包含導線的自電阻、自電感和導線之間的互阻、互感；并聯(lián)導納矩陣包含導線之間或者導線之間的電容和漏電阻。然而，由于每個供電區(qū)段比較短，并聯(lián)導納通常可以忽略不計。處于同一電壓等級的所有的導線都可以用一根等值導線來代替，同時，假定地導線的電壓為零，等值地導線可以忽略不計。從而復線牽引網(wǎng)系統(tǒng)就可以簡化為上下行之間含有互感的等值模型。

根據(jù)上述的簡化方法，結(jié)合Matlab中的線路模型，采用SimPowerSystems中的“SeriesRLC Branch”模塊和“MutualInductance”模塊來分別表示導線的自電阻、自電感和導線之間的互阻、互感。利用這兩個線路模型，根據(jù)簡化的牽引網(wǎng)模型，建立的牽引網(wǎng)仿真模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。六個輸入、輸出端子分別表示上行簡化的牽引網(wǎng)T線、R線、F線和下行簡化的牽引網(wǎng)T線、R線、F線。

圖1-2 牽引網(wǎng)模塊及參數(shù)

1.4 短路模塊

短路模塊采用SimPowerSystems里的“Breaker”模塊,利用常熟模塊，通過matlab程序利用參數(shù) b1,、b2、b3 控制斷路器（Breaker1～6）的開端來實現(xiàn)距牽引變電所不同距離的牽引網(wǎng)短路。短路時刻從0.05s開始。

1.5 牽引變壓器

牽引變壓器采用“SimPowerSystem”中的“LinearTransformer”模塊，變壓器原本為目前牽引變電所普遍采用的220kV，副邊分別有2,3兩個繞組，分別為左右兩個供電臂供電，其模塊及參數(shù)如圖1-3所示。

圖1-3 短路控制模塊

圖1-4 牽引變壓器模型及參數(shù)

圖1-5 全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)模型

綜合上述各模塊的建立，建立全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)模型如圖1-4所示。短路阻抗測量模塊位于牽引變電所副邊牽引網(wǎng)饋線處，通過MATLAB的M語言編程在距牽引變電所不同距離點出作出各種短路故障仿真，通過模型對接觸網(wǎng)的接觸線（T）、正饋線（F）和鋼軌（N）相互間短路進行仿真。

2.牽引網(wǎng)短路仿真

根據(jù)某實際AT牽引網(wǎng)參數(shù)：L1=15 km，L2=12km，L3=15km；

ZT=0.2314+j0.581；ZF=0.14+j0.740；ZR=0.212+j0.555；ZFR=0.050+j0.315；ZTF=0.050+j0.403；ZTR=0.050+j0.311；其中L1為牽引變電所至第一個 AT（AT1）的距離，L2、L3 分別是 AT1 至 AT2和AT2與AT3之間的距離。

通過短路仿真，得出牽引網(wǎng)分別在T-F短路、T-N短路、F-N短路故障下在牽引變電所饋線處測得短路阻抗曲線如圖2-1所示。從圖中可以看出牽引網(wǎng)接觸線、正饋線、鋼軌之間的短路阻抗曲線呈一系列的鞍形曲線，這與文獻[2]中的理論計算是相符合的。

圖2 -1 牽引網(wǎng)短路故障阻抗曲線

結(jié)論

（1）通過MATLAB/Simulink建立全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)模型，利用短路模塊，測得牽引網(wǎng)短路故障的阻抗曲線，得到一系列的鞍行曲線，這與文獻[2]中理論計算的結(jié)論相符，說明建立的系統(tǒng)模型基本正確。

（2）由于實際電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)是一個復雜的非線性系統(tǒng)，通過簡化，將系統(tǒng)線性化，并忽略了AT的漏抗以及PW線等的影響，所以后續(xù)工作可以將系統(tǒng)模型更加細化，使仿真結(jié)果更加接近實際。

[1]李群湛賀建閩編著.牽引供電系統(tǒng)分析[M].成都：西南交通大學出版社.2007.9.

[2]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.

[3]薛定宇，陳陽泉.基于 MATLAB/simulink 的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應用[M」.北京:清華大學出版社，2002.

[4]褚曉銳，胡可基于MATLAB/Simulink的客運專線牽引供電系統(tǒng)建模[J].鐵路計算機應用，2008,(139):12-14.