基于PSCAD的高速鐵路全并聯(lián)AT牽引供電系統(tǒng)短路故障仿真計算研究

竇雪薇,郎 兵,陳秀廷,劉 蘋,馬紅學,趙 雋

(1.北京交通大學電氣工程學院,北京 100044； 2.昆明鐵路局昆明供電段,昆明 650100)

自《中長期鐵路網規(guī)劃》實施以來，我國高速鐵路已成網運行，列車旅行時間大幅縮短[1]。在電氣化鐵路的發(fā)展進程中，供電方式除了直接供電外，牽引供電相繼使用了BT供電、AT供電以及帶架空回流線的直接供電方式等。在這幾種供電方式中，AT供電方式具有供電能力強、對沿線的通信干擾小等優(yōu)點，在我國高速鐵路中普遍采用。AT供電方式具有牽引網絡結構復雜，供電回路多等特點，因此對其搭建準確的仿真模型，通過仿真分析的方法來研究AT供電方式的供電特性十分必要。

牽引供電系統(tǒng)模型的搭建方法有多種，其中數(shù)學建模方式能比較準確地對其進行分析計算，但是需要使用編程語句來實現(xiàn)，從而使操作難度增大。使用Matlab/Simulink搭建的AT牽引供電系統(tǒng)仿真模型，不能直觀表現(xiàn)出牽引供電系統(tǒng)的全部特性。PSCAD/EMTDC是目前使用最為廣泛的電磁暫態(tài)分析程序[2-3]，其在電力系統(tǒng)暫態(tài)分析、故障分析及諧波分析等領域具有重要作用。

本文在對牽引供電特性分析的基礎上，利用PSCAD/EMTDC，結合長昆高鐵鄧家山變電所至廖家田分區(qū)所供電區(qū)間實際系統(tǒng)的接線形式，搭建全并聯(lián)AT牽引供電系統(tǒng)模型，對短路故障進行仿真計算。仿真數(shù)據和人工短路試驗實測數(shù)據對比結果驗證了該仿真模型能夠準確地進行各種短路故障計算，有助于牽引供電系統(tǒng)故障分析及繼電保護、故障測距的原理及技術方案的研究。

1 全并聯(lián)AT牽引供電系統(tǒng)

全并聯(lián)AT供電方式是由AT供電方式進一步發(fā)展而來的[4]，它的基本供電原理與AT供電方式相同，不過其在每個AT處采用橫向聯(lián)接(在工程中，保護線和鋼軌可以在每一區(qū)段進行多處橫向電聯(lián)接)的方法將上、下行牽引網并聯(lián)起來，來減少牽引網單位長度的阻抗，降低電壓損耗，從而使供電能力增強，改善電能質量，降低鋼軌電位。全并聯(lián)AT供電方式牽引網包括接觸線(T)、正饋線(F)、鋼軌(R)、保護線(PW)、貫通地線(GW)以及橫聯(lián)線(CPW)[5-6]，其電氣連接復雜，牽引電流流通路徑更加多樣，如圖1所示。

圖1 復線全并聯(lián)AT供電示意

2 牽引供電系統(tǒng)元件仿真模型

2.1 外部電源模型

電力系統(tǒng)能夠為電氣化鐵路供應高壓電源，其電壓是110 kV或220 kV，如圖2所示。本文的電力系統(tǒng)電源使用參數(shù)包括序阻抗的三相電壓源為模型，電壓設置為220 kV[7-8]。本文研究內容為牽引網的電氣特性，對外部電源簡單建模，如圖3所示。

圖2 外部電源原理

圖3 外部電源仿真模型

2.2 牽引變壓器模型

牽引變電所主要有降壓、分相以及供電的功能，牽引變壓器為所內主要設備。牽引變壓器可采用三相YNd11接線、Scott接線、V/X接線、V/V接線以及阻抗匹配平衡接線等不同接線方式。分體式V/X牽引變壓器在AT牽引供電系統(tǒng)中普遍應用，該變壓器由2臺二次側帶中點抽頭的單相牽引變壓器組成[9]，如圖4所示。在高速鐵路供電系統(tǒng)中，在2臺單相變壓器外殼外部連線構成V/X接線方式，2臺單相變壓器之間由防火墻隔開。在PSCAD提供的變壓器模型庫中，該模型使用變壓器磁路模型UMEC(Unified Magnetic Equivalent Circuit)[10]。該模型從變壓器電磁轉化的激勵出發(fā)，很好的描述變壓器的磁路特征，具有較高的仿真精度。本文使用2臺單相三繞組變壓器接線構成V/X接線牽引變壓器，一次側、二次側額定電壓設置為220 kV、27.5 kV，如圖5所示。

圖4 V/X接線牽引變壓器原理

圖5 V/X接線牽引變壓器仿真模型

2.3 AT所、分區(qū)所模型

牽引供電系統(tǒng)采用AT供電方式時，在沿線每隔10～15 km設置1處AT所。通常在供電區(qū)間設置分區(qū)所以增加供電的靈活性，并且使運行可靠性提高。自耦變壓器是AT所和分區(qū)所內部主要設備，如圖6所示。仿真模型中將單相變壓器的原邊及次邊繞組的非同名端相連，串聯(lián)起來并抽出中點接于鋼軌，從而構成自耦變壓器模型，如圖7所示。

圖6 自耦變壓器原理

圖7 自耦變壓器仿真模型

2.4 牽引網參數(shù)計算

牽引網是電氣化鐵路供電系統(tǒng)的重要組成部分，由接觸網和軌地回路構成供電回路。AT供電方式下，牽引網主要由接觸線，承力索，正饋線，鋼軌，保護線以及貫通地線構成，其空間分布如圖8所示。參數(shù)計算時，將2條鋼軌合并歸算成一條處于二者中間的等值鋼軌，將承力索與接觸線合并歸算成一根等值接觸線[11-13]，最終仿真模型中牽引網等效為相互平行的上、下行各5根導體(等值接觸線、等值鋼軌、正饋線、保護線、貫通地線)。結合各條導線的具體參數(shù)，計算出各條導體的單位長度自阻抗以及導體間單位長度互阻抗的數(shù)值。

圖8 AT牽引網導線空間分布

導線-地回路等值自阻抗

(1)

式中

(2)

兩條導線-地回路間的等值互阻抗

(3)

式中，r為導線有效電阻，Ω/km;Rε為導線等效半徑,mm；f為電流頻率,Hz;σ為大地電導率1/(Ω·cm);d12為兩導線之間的距離,mm。

對于單鏈形懸掛的牽引網而言，接觸線、承力索分別和大地構成回路。所以，需要把這兩個回路歸算，等效成單鏈形懸掛接觸網-地回路。由Carson公式可以分別計算得到接觸線自阻抗ZT、承力索自阻抗ZC以及導線間互阻抗ZCT。接觸網-地回路等值自阻抗的計算公式為

z等值T=zCT+(zT-zCT)∥(zC-zCT)(Ω/km)

(4)

同理，將2根鋼軌地回路等效成位于鋼軌中間的一條等值的鋼軌-地回路，其自阻抗計算公式為

式中,rR為鋼軌有效電阻,Ω/km;Rε為鋼軌等效半徑mm;f為電流頻率Hz;dRR′為兩根鋼軌兩導線之間的距離,mm。

計算出自阻抗和互阻抗之后，將互阻抗分別折算到相應導線上，根據電抗值計算出對應的電感值，利用PSCAD/EMTDC建立單位長度的牽引網等效模型，如圖9所示。在此基礎上，根據實際長度設置牽引網長度并進行橫聯(lián)，每隔1 km設置接地電阻，由不同接地電阻值反映高架橋、隧道、路基等不同情況的影響。

3 牽引供電系統(tǒng)仿真

利用系統(tǒng)仿真元件針對長昆高速鐵路鄧家山變電所至廖家田分區(qū)所供電區(qū)間搭建的全并聯(lián)AT高速鐵路牽引供電系統(tǒng)仿真模型如圖10所示。通過對模型中斷路器的控制，可實現(xiàn)上下行全并聯(lián)供電或上下行分開供電等不同供電模式的仿真。變電所至分區(qū)所供電臂全長29.975 km，其中變電所至AT所供電臂長為17.119 km。通過故障點的設置可以實現(xiàn)對牽引網及變電所母線發(fā)生的短路故障的仿真。模型運行總時間設置為0.4 s，0.24 s為故障發(fā)生時間。牽引供電系統(tǒng)實際參數(shù)如表1所示。

圖9 牽引網單位長度仿真模型

圖10 鄧家山變電所至廖家田分區(qū)所供電區(qū)間牽引供電系統(tǒng)仿真模型

3.1 仿真計算數(shù)據

在上下行全并聯(lián)供電模式下，設置故障位置為下行接觸網29.02 km處，故障類型為F-R短路。電流波形見圖11～圖13。

圖11 牽引變電所電流波形

圖12 AT所電流波形

圖13 分區(qū)所電流波形

圖中，IT231和IF231為變電所上行饋電線電流，IT251和IF251為變電所下行饋電線電流，IR2為變電所吸上電流，IT231AT1和IF231AT1為AT所上行饋電線電流，IT251AT1和IF251AT1為AT所下行饋電線電流，IAT1為AT所吸上電流，IT231AT3和IF231AT3為分區(qū)所上行饋電線電流，IT251AT3和IF251AT3為分區(qū)所下行饋電線電流，IAT3為分區(qū)所吸上電流。

由仿真波形可以分析出，當F-R短路故障發(fā)生在下行牽引網末端時，短路處F線電流明顯增大，短路電流由吸上線流回變電所、AT所以及分區(qū)所。因為采用上下行全并聯(lián)供電方式，所以在牽引變電所處的上下行電流基本相同。整個供電區(qū)間短路電流分布如圖14所示。

圖14 仿真的短路電流分布(單位：A)

3.2 實測數(shù)據

全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)下行接觸網29.202 km處發(fā)生F-R短路故障的實際測量波形見圖15～圖17。

圖15 變電所電壓、電流波形

圖16 AT所電壓、電流波形

圖17 分區(qū)所電壓、電流波形

整個供電區(qū)間實測短路電流分布如圖18所示。

圖18 實測電流分布(單位：A)

3.3 數(shù)據對比

將仿真數(shù)據和現(xiàn)場實測數(shù)據進行對比，結果見表2?？梢姺抡鏀?shù)據與實際數(shù)據大致吻合，滿足工程需要。

3.4 故障測距計算

本文使用“橫聯(lián)線電流比”測距原理[14-15]對短路故障點進行定位測距。“橫聯(lián)線電流比”測距原理是通過計算故障點所在AT段兩端所亭的橫聯(lián)線電流，由式(6)計算得到故障點位置X。T橫聯(lián)線電流ITH是上、下行饋線的T線電流和的平均值，F(xiàn)橫聯(lián)線電流IFH是上、下行饋線的F線電流和的平均值，D為故障點所在AT段的長度。

表2 仿真計算數(shù)據與實測數(shù)據對比

(6)

式中，由于故障點位于第二AT段，所以ITH1、IFH1為AT所橫聯(lián)線電流；ITH2、IFH2為分區(qū)所橫聯(lián)線電流。

根據仿真數(shù)據計算得故障點在第二AT段中的位置。

12.856=12.473km

最終，牽引變電所至故障點測算距離為

L=(17.119+12.473)km=29.592km

由表3可知，根據仿真得到的數(shù)據進行故障測距計算滿足故障測距的要求，進一步驗證了仿真數(shù)據的正確性。

表3 故障測距對比

其他故障類型數(shù)據處理與上文方法相同，不再贅述。由仿真波形、實測波形和仿真數(shù)據、實測數(shù)據的對比結果可得，該模型仿真結果基本符合實際線路短路試驗實測值，滿足故障測距的要求。除去實測測試中設備、測試方法及精度導致的誤差，從工程角度出發(fā)，仿真數(shù)據和實測數(shù)據基本一致。

4 結語

通過分析全并聯(lián)AT牽引供電系統(tǒng)的供電結構以及變電所、AT所、分區(qū)所的接線原理，利用PSCAD豐富的元件庫，根據變電所及牽引網實際參數(shù)搭建了基于PSCAD/EMTDC的全并聯(lián)AT牽引供電系統(tǒng)仿真模型，可針對系統(tǒng)的不同位置、不同類型的短路故障進行仿真計算，并與實測試驗結果進行對比。對比結果表明，基于PSCAD/EMTDC搭建的高速鐵路AT牽引供電系統(tǒng)仿真模型，能夠準確地仿真供電系統(tǒng)中各種短路故障的電流大小以及故障電流分布情況，驗證了該仿真模型的可行性與準確性，可用于實際對于牽引供電計算的故障分析中。仿真計算結果對于牽引供電系統(tǒng)繼電保護裝置的動作分析和故障測距裝置測距計算具有重要意義。

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