高速鐵路牽引供電系統等值電路與短路計算

2012-06-27 05:11:48魏光

電氣化鐵道 2012年2期

魏光

0 概述

國內電氣化鐵道采用單相工頻交流電流制。為順應客運高速化、貨運重載化的趨勢，采用AT供電方式。V,x接線變壓器具有明顯優勢[1]，在客運專線及城際高速鐵路中得到廣泛應用。作為電氣化鐵道設計的基礎計算，選取等值電路及計算短路電流對繼電保護的整定、接地跨步電勢的校驗等起到關鍵性作用，有必要研究基于V,x接線的AT牽引供電系統等值電路及其短路計算。

文獻[1-3]推導了純單相接線、V,v接線、YN,d11接線、Scott接線、阻抗匹配平衡接線牽引變壓器的數學模型，已成熟應用于電鐵設計中。近年來，客運專線及城際鐵路多采用V,x接線牽引變壓器，尚無文獻對其模型進行明確的推導。文獻[1，2]推導了基于Carson理論的牽引網模型，文獻[3]建立了基于多導體傳輸線的牽引網鏈式網絡模型，計算繁雜，不利于工程設計及現場計算。在分析AT牽引供電系統等值電路時，一般忽略 AT漏抗[1，2]，導致計算結果不夠準確。

結合工程實際，棄輕取重，本文建立了基于V,x接線的AT牽引供電系統等值電路，并給出了短路電流計算公式，為高速電鐵的設計提供了理論依據。仿真計算與實測數據的對比驗證了模型的正確性。

1 等值電路推導

1.1 電路模型

V,x接線變壓器可看作由2個三繞組變壓器連接而成。為簡化起見，僅分析一側供電臂的變壓器等值電路。設繞組AB、TN、NF的匝數分別為ω1、ω2、ω3，且有ω2= ω3，k = ω1/ω2。其單臂結構及電氣量參考方向設置如圖1所示。

圖1 V,x接線變壓器原理圖

由磁路定律可導出磁動勢平衡方程：

忽略勵磁支路，并考慮歸算到2側的電力系統阻抗，三繞組變壓器近似等值電路如圖2 a所示。

圖2 V,x接線變壓器等值電路圖

由圖2 a可得電壓端口方程：

據式（3）可得如圖2 b所示的Y型等值電路。其中

設AT變壓器串聯及公共繞組漏抗Xσ1= Xσ2，歸算到低壓側的漏阻抗為ZAT= 0.5 Xσ1。ZAT可認為是接入自耦變壓器中點的阻抗，負載或短路電流全部流過該阻抗，其值對系統的影響不能忽略。

設計中，往往先計算牽引網當量阻抗，在進行短路計算時，無需再重復計算。綜上所述，AT牽引供電系統等值電路如圖3所示。

圖3 AT牽引供電系統等值電路圖

1.2 參數計算

圖3中所有參數均為歸算到27.5 kV側的值，此后不再贅述。設基準容量為100 MV·A，電力系統阻抗為

忽略電阻，牽引變壓器漏抗為

其中

短路電壓需歸算到額定電流時的值，一般變壓器廠家提供數據大多已經歸算，若未歸算，則：

自耦變壓器阻抗為

2 短路計算

2.1 高壓側三相接地短路

當與電力系統配合設置保護時，需要高壓側三相接地短路電流，其值可由下式計算：

其中，UeH為高壓側額定電壓，Zs*為電力系統阻抗標幺值。

2.2 牽引變電所近端短路

當發生27.5 kV側T或F母線單相接地短路時，回流幾乎全部流過N線，短路等效電路如圖4a、4b所示；當發生TF線相間短路時，回流全部經過F線，短路等效電路如圖4 c所示。

圖4 牽引變電所近端短路等效電路圖

由圖4易得，27.5 kV母線單相接地、相間短路電流分別為

2.3 牽引網末端短路

在牽引網末端，當發生T或F線單相接地短路時，T或F線僅供給短路電流的一半，另一半由AT供給，鋼軌不通過短路電流，短路等效電路如圖5 a、5b所示；當發生TF線相間短路時，回流全部經過F線，短路等效電路如圖5 c所示。

圖5 牽引網末端短路等效電路圖

由圖5可得，牽引網末端短路電流為

其中，ZqT、ZqF分別為接觸線與負饋線阻抗。

3 案例分析

對圖 3所示的等值電路模型建立了基于Matlab/Simulink的仿真模型，并編制了基于LabVIEW的計算軟件。負載采用100 Ω的恒阻模型，電力系統及牽引變壓器參數采用如圖6所示的某客運專線某牽引變電所實際參數，牽引網采用均勻分布參數，為簡化起見，接觸線、負饋線及鋼軌單位阻抗均取0.3 Ω/km，供電臂設2個AT段，每個AT段10 km。仿真計算結果如圖6所示。