電纜牽引供電方式電氣特性研究

肖楚鵬，張靖宇，劉大崗，夏 亮

0 引言

目前，國內電氣化鐵路發展迅速，但多集中于中東部地區。而面積遼闊的西部及高原地區，電氣化鐵路發展仍然薄弱。經初步研究，電纜牽引供電方式凈空和絕緣要求低，牽引網供電臂長，而且電纜埋于地下，免維護性好，適用于西部及高原地區。而隨著經濟的發展，電力電纜應用日益普及，價格有一定程度的降低。因此，研究電纜牽引供電方式，對電氣化鐵路的建設和發展具有一定的意義。

1 電纜牽引供電方式

電纜牽引供電方式是一種新型的電氣化鐵路供電方式，該供電方式采用雙芯電力電纜沿鐵路線路埋設，內部芯線之一作為供電線與接觸線連接，另一芯線作為回流線與鋼軌連接，每隔5～10 km做一個分段，如圖1所示[1]。

圖1 電纜牽引供電方式原理示意圖

電纜牽引供電方式的饋電線和回流線在同一電纜中，間隔很小，使得互感系數很大。電力電纜的阻抗比接觸網和鋼軌的阻抗小得多，牽引電流和回流基本從電纜中流過，電纜中 2根芯線電流相等，方向相反，二者形成的磁場互相抵消，對鄰近的通信線路干擾很小[2]。

2 電纜供電方式牽引網電流分配

電纜供電方式牽引網各區段電流分布見圖2。

圖2 電纜供電方式牽引網各區段電流分布示意圖

對有車區段（BC）列回路電壓方程和電流方程：

解該方程組有：

且有：

對于無車區段，同樣可以建立電流和電壓方程：

解方程組可得：

3 電纜供電方式牽引網仿真模型

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110 kV進線和接觸網，即可組建牽引變電所的仿真模型。

電纜牽引網仿真模型采用8根導線等值模型，其組成為上行接觸線（C1）、上行鋼軌（T1）、上行電纜饋線（F1）、上行電纜回流線（R1）和下行接觸線（C2）、下行鋼軌（T2）、下行電纜饋電線（F2）、下行電纜回流線（R2）。

通過MATLAB/SIMULINK中的“Series RLC Branch”模塊和“Mutual Inductance”模塊，可以搭建電纜供電方式牽引網模型，并將其分裝成模塊。

4 仿真模型分析結果

仿真模型基本參數設置見表1和表2。

表1 牽引變壓器參數表

表2 線路參數表

牽引網模型中，設置牽引網長度100 km，每隔 10 km將電纜饋線和回流線分別與接觸線和鋼軌橫向并聯并進行分段。

4.1 牽引網短路阻抗分析

根據表 1和表 2中參數，取電纜截面為240 mm2，對牽引網進行短路仿真，得出測試結果如圖3所示。由圖3可知，由于電纜饋電線和回流線與牽引網接觸線和鋼軌并聯，可以使牽引網阻抗大大降低，效果明顯。短路阻抗整體趨勢呈馬鞍形增長，同時不同橫連分段的短路阻抗相差不大。因此，在工程應用中，電纜分段距離可以稍大，取10 km分段可以滿足工程精度需要。

圖3 電纜牽引網短路阻抗曲線圖

4.2 電流分配系數

4.2.1 無車區間電流分配系數

根據仿真模型，對牽引網無車區段接觸線和電纜饋線電流之比（分流系數）進行測試，結果如圖4所示，可以看出隨著電纜截面的增大，電纜阻抗降低，電纜傳輸的電流越來越大。當電纜截面為240 mm2時，電纜電流為接觸線電流的3.496 8倍，可以大大降低電能的損耗，提高供電能力。

圖4 無車區間電流分配系數圖

4.2.2 有車區間電流分配系數

在有車區間內，固定車輛取流位置（93.3 km），當電纜芯線面積變化時，接觸線中的電流要大于電纜饋電線的電流，而且跟電纜芯線截面的關系不大（見圖 5）。因為在有車區間內，車輛電流由取流點前后接觸線提供電流，電纜中的電流主要為取流點遠離變電所接觸線中的電流。

圖5 有車區間電流分配系數圖

4.2.3 車輛位置變化時電流分配系數

在牽引網仿真模型中，以10 km為分段區間，電纜芯線截面為240 mm2，當車輛位于分段區間不同位置時，電流分配系數如圖6所示。由圖6可知，車輛越靠近分段區間起點時，接觸線中電流越大；反之，越靠近分段區間終點，電纜中電流越大。

圖6 車輛位置變化時電流分配系數圖

由上述仿真結果可知，電纜牽引供電方式中電纜饋電線和回流線與接觸線和鋼軌的并聯將大大增強牽引網的供電能力，在正常工作條件下，大部分電流將從電纜饋電線和回流線中流過，降低了接觸線和鋼軌電流，從而降低鋼軌電位，減小對沿線通信的干擾影響。

4.3 牽引網壓降

4.3.1 牽引網空載電壓仿真結果

設置牽引網供電臂為 100 km，電纜截面為240 mm2。從圖7可以看出，由于電纜的容性效應，線路空載時，牽引網電壓有一定程度的升高。如采用不同截面的電纜，容抗有所增加，電容電流進一步加大時，可通過靜態或動態補償來降低線路空載電壓的升高。

圖7 牽引網空載時電壓分布圖

4.3.2 牽引網負載電壓仿真結果

設置牽引網供電臂為100 km，機車取流點為90 km處，負載大小為8+j0.8 MV·A，電纜截面為240 mm2。測試結果如圖8所示，從該圖可以看出，負荷點位于90 km處時，電壓降最大，相對額定電壓降幅為8.545%，但電壓仍在合格范圍內。

圖8 牽引網負載時電壓分布圖

從上述仿真可以看出，電纜供電方式供電能力較強，在長達100 km的供電臂末端，其牽引網電壓降在允許范圍內。相比于直接供電和AT供電方式，這是一個很大的優點，適用于國內西部地區尤其青藏等高原地區。

5 結論

本文研究了電纜牽引供電方式，對牽引網電氣參數進行計算，通過MATLAB/SIMULINK仿真實驗，仿真分析了牽引網短路阻抗、電流分配系數、牽引網空載和負載條件下的供電能力等電氣特性。牽引網的電氣特性決定其供電系統的性能和經濟技術指標。通過該文的研究分析，可以為電纜牽引供電方式的工程應用提供參考。

[1]李群湛，賀建閩.牽引供電系統分析[M].成都：西南交通大學出版社，2007.

[2]李群湛，易東，賀建閩.交流電氣化鐵路牽引電纜供電系統分析[J].西南交通大學學報，2011，（4）.

[3]王健石.電線電纜實用技術手冊[M].北京：中國標準出版社，2004.

[4]喻奇，高仕斌，桑丙玉.計入保護線影響的 AT牽引網等值電路推導[J].電氣化鐵道，2009，（2）.

[5]刑曉乾.帶加強線的全并聯直接供電方式研究[D].西南交通大學碩士論文，2011.