全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)建模與仿真

高強(qiáng)

摘要：為了更好地分析全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)的正常運(yùn)行以及異常情況，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，并做一些合理的簡(jiǎn)化，在此基礎(chǔ)上建立全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)的Simulink仿真模型，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，得到牽引網(wǎng)正常空載及短路狀況下電壓及電流的狀態(tài)值，驗(yàn)證了模型具有一定的準(zhǔn)確性，可用來(lái)進(jìn)一步計(jì)算，為繼保整定提供數(shù)據(jù)，為饋線保護(hù)仿真模塊奠定基礎(chǔ)。

Abstract： Inorder to better analyze the normal operation and abnormal situation of thefully parallel AT traction network， according to the actual situation on thesite， and some reasonable simplifications， based on this， a Simulink simulationmodel of the fully parallel AT traction network is established， and thesimulation results are performed. After analysis， the voltage and current statevalues of the traction network under normal no-load and short-circuitconditions are obtained， which verifies that the model has certain accuracy andcan be used for further calculations， providing data for relay protectionsetting， and laying the foundation for the feeder protection simulation module.

關(guān)鍵詞：全并聯(lián);AT牽引網(wǎng);仿真模型;短路阻抗

Key words： fullparallel;AT traction network;simulation model;short-circuit impedance

中圖分類號(hào)：U223 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）06-0292-03

0 ?引言

在我國(guó)高速鐵路不斷發(fā)展的今天，鐵路運(yùn)量迅猛增加，這就要求牽引供電容量隨之增加，因此，全并聯(lián)AT供電方式被廣泛采用。通過(guò)MATLAB/Simulink建立全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)仿真模型，并進(jìn)行短路情況下的仿真，得到仿真結(jié)果。

1 ?全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)模型的建立

1.1 高壓電源模型

牽引供電系統(tǒng)的高壓電源是由電網(wǎng)的110kV或220kV系統(tǒng)提供[1]，一般地，普通電氣化鐵路接入的是110kV，而容量較大的高速或重載鐵路接入的是220kV，這是由于220kV電壓等級(jí)的供電能力更強(qiáng)。

在仿真模型中采用三相電壓源模型來(lái)等效外部接入的220kV系統(tǒng)，在基準(zhǔn)容量為100MVA、基準(zhǔn)電壓為230kV的情況下，某牽引變電所220kV側(cè)電抗的標(biāo)幺值為0.0304，則其電抗有名值為

1.2 牽引變壓器模型

在牽引供電中，在地方電網(wǎng)引入的220kV電壓要經(jīng)過(guò)降壓和分相的變換后才能供給牽引網(wǎng)，以便機(jī)車隨時(shí)獲取電能。這就需要一種不同于普通變電所應(yīng)用的變壓器，即牽引變壓器。目前，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中多采用四臺(tái)單相變壓器，通過(guò)V/X接線，組成牽引變壓器，將三相220kV變成單相2×27.5kV[2]。在模型搭建時(shí)，采用兩個(gè)“Linear Transformer”模塊，每個(gè)模塊有三個(gè)繞組，第一繞組為高壓繞組，第二和第三繞組為低壓繞組，兩個(gè)“Linear Transformer”模塊互聯(lián)構(gòu)成V/X接線的兩個(gè)牽引變壓器，為左右兩供電臂提供電能，其容量均為40MVA。

根據(jù)變壓器的實(shí)際參數(shù)，得到每個(gè)“Linear Transformer”模塊需要設(shè)置的參數(shù)。第一繞組的電阻和電感的標(biāo)幺值分別為0.0018和0.1484，第二繞組的電阻和電感的標(biāo)幺值分別為0.0036和0.0375，第三繞組的電阻和電感的標(biāo)幺值分別為0.0036和0.0375，勵(lì)磁繞組的電阻和電感標(biāo)幺值分別為1466.8和478.1。牽引變壓器模型如圖2所示。

1.3 牽引網(wǎng)模型

牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其是全并聯(lián)AT牽引系統(tǒng)，其包含承力索、吊弦、接觸線、正饋線、鋼軌等，而鋼軌直接與大地接觸并相連接。為建模分析，忽略一些次要因素，將主要的導(dǎo)體分類，然后進(jìn)行等效。將承力索—地回路、接觸線—地回路與等效成T線，將鋼軌—地回路、保護(hù)線—地回路等效成R線，將正饋線—地回路等效成F線。

根據(jù)電力系統(tǒng)的短線和長(zhǎng)線的劃分，100km以內(nèi)的線路為短線，在等值時(shí)可采用“一”字等值，忽略對(duì)地的電導(dǎo)和電納。每個(gè)供電臂長(zhǎng)度一般為30-50km，其在等效模型時(shí)，不需考慮并聯(lián)的導(dǎo)納，但要計(jì)及其他近鄰線路的互阻抗。搭建模型時(shí)，采用“Series RLC Branch”和“Mutual Inductance”兩個(gè)模塊互聯(lián)來(lái)等效上行和下行的T線、R線、F線[3]。根據(jù)計(jì)算，上行和下行T線的自阻抗為（0.142+j0.5916）Ω/km，上行和下行R線的自阻抗為（0.099+j0.4411）Ω/km，上行和下行F線的自阻抗為（0.13+j0.717）Ω/km，上行T線和R線的互阻抗為（0.05+j0.3169）Ω/km，上行T線和F線的互阻抗為（0.05+j0.3143）Ω/km，上行F線和R線的互阻抗為（0.05+j0.3369）Ω/km，上行T線和下行T線的互阻抗為（0.05+j0.3283）Ω/km，上行R線和下行R線的互阻抗為（0.05+j0.3067）Ω/km，上行F線和下行F線的互阻抗為（0.05+j0.2653）Ω/km，上行T線和下行R線的互阻抗為（0.05+j0.2959）Ω/km，上行T線和下行F線的互阻抗為（0.05+j0.2665）Ω/km，上行R線和下行F線的互阻抗為（0.05+j0.2701）Ω/km。將采用“Series RLC Branch”和“Mutual Inductance”模塊搭建完?duì)恳W(wǎng)模型，并根據(jù)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，再將其封裝設(shè)置，這樣就可以在外部直接設(shè)置其等效的線路長(zhǎng)度。牽引網(wǎng)模型如圖3所示。

1.4 AT變模型

AT供電方式最大的特點(diǎn)就是采用了AT變壓器，在牽引網(wǎng)沿線每隔8-12km左右裝設(shè)一臺(tái)AT變壓器，而在仿真元件庫(kù)中沒(méi)有指定的AT變模型，需要采用“Linear Transformer”模型通過(guò)連線獲得，將其原邊及副邊的非同名端互聯(lián)并引出抽頭，用于接R線，原邊的另一端用于接T線，副邊的另一端用于接F線。其容量為20MVA，原邊及副邊繞組的電阻和電感標(biāo)幺值分別為0.0015和0.0033，勵(lì)磁電阻和電感標(biāo)幺值分別為1318.5654和885.8131。AT變模型如圖4所示。

1.5 短路控制模型

短路控制模型是由四個(gè)“Breaker”模塊搭建而成，封裝后的短路控制模型，通過(guò)控制端輸入不同的值，來(lái)控制相關(guān)斷路器的閉合，實(shí)現(xiàn)T-R、T-F、F-R短路。若短路控制模型控制輸入端輸入[1 1 0 0]，實(shí)現(xiàn)T-R短路;若短路控制模型控制輸入端輸入[1 0 1 0]，實(shí)現(xiàn)T-F短路;若短路控制模型控制輸入端輸入[0 1 1 0]，實(shí)現(xiàn)F-R短路。短路控制模型如圖5所示。

1.6 全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)仿真模型

根據(jù)上述模塊，搭建的全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)仿真模型如圖6所示。一共設(shè)置了5個(gè)短路點(diǎn)，第一個(gè)位于牽引變電所出口，第二個(gè)位于牽引變電所與AT所之間，第三個(gè)位于AT所出口，第四個(gè)位于AT所與分區(qū)所之間，第五個(gè)位于分區(qū)所出口。附加的測(cè)量模塊可以測(cè)量不同點(diǎn)的電壓及電流有效值，便于直觀查看各點(diǎn)電壓和各線路中電流的大小，據(jù)此可對(duì)模型作進(jìn)一步分析。

2 ?牽引網(wǎng)模型仿真

2.1 正常情況下?tīng)恳W(wǎng)仿真結(jié)果

本文研究的正常情況即空載狀態(tài)下，將仿真時(shí)間設(shè)為0.5s，運(yùn)行仿真后測(cè)得牽引變電所出口處T線電壓為27.487kV，供電臂末端T線電壓為27.485kV。因此得出了空載狀態(tài)下T線上電壓損失為0.002kV。全并聯(lián)空載狀態(tài)下，在上行T線中電流為0.3064A，在上行F線中電流為0.2797A，AT1與T線、R線、F線的連接線中測(cè)得電流接近于0，AT2與T線、R線、F線的連接線中測(cè)得電流也接近為0。

2.2 短路情況下?tīng)恳W(wǎng)仿真結(jié)果

在牽引變電所出口處T-R短路情況下，運(yùn)行仿真后測(cè)得T線殘壓為0.1388kV，F(xiàn)線殘壓為4.1752kV。全并聯(lián)短路狀態(tài)下，在上行T線中電流為3.1897kA，在上行F線中電流為0.2850kA，AT1與T線的連接線中測(cè)得電流為0.5342kA，AT1與R線的連接線中測(cè)得電流為1.0684kA，AT1與F線的連接線中測(cè)得電流為0.5342kA，AT2與T線的連接線中測(cè)得電流為36.61A，AT2與R線的連接線中測(cè)得電流為73.25A，AT2與F線的連接線中測(cè)得電流為36.64A。在牽引變電所出口處T-F短路情況下，運(yùn)行仿真后測(cè)得T線殘壓為37.598V，F(xiàn)線殘壓為37.591V。全并聯(lián)短路狀態(tài)下，在上行T線和F線中電流為1.88kA。

在AT所出口處T-R短路情況下，運(yùn)行仿真后測(cè)得T線殘壓為6.8545kV，F(xiàn)線殘壓為7.2696kV。全并聯(lián)短路狀態(tài)下，在上行T線中電流為1.555kA，在上行F線中電流為1.2566kA，AT1與T線的連接線中測(cè)得電流為2.3553kA，AT1與R線的連接線中測(cè)得電流為4.7107kA，AT1與F線的連接線中測(cè)得電流為2.3553kA，AT2與T線的連接線中測(cè)得電流為161.47A，AT2與R線的連接線中測(cè)得電流為322.95A，AT2與F線的連接線中測(cè)得電流為161.48A。在AT出口處T-F短路情況下，運(yùn)行仿真后測(cè)得T線殘壓為6.6447kV，F(xiàn)線殘壓為6.4716kV。全并聯(lián)短路狀態(tài)下，在上行T線和F線中電流分別為1.5021kA、1.3716kA。

3 ?結(jié)論

通過(guò)觀察空載情況下的仿真結(jié)果，空載時(shí)牽引網(wǎng)上的壓降比較小，與實(shí)際情況相符，所建模型基本正確。并得到了牽引網(wǎng)不同情況下的短路電流，為繼保整定提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為研究饋線保護(hù)實(shí)時(shí)仿真模塊奠定了基礎(chǔ)。

本文將上下行鋼軌分開等效，在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，上下行鋼軌一直處于并聯(lián)狀態(tài)，若要研究上下行解列運(yùn)行的情況，可要將上下行鋼軌等效成一根R線，更接近運(yùn)行情況，仿真結(jié)果會(huì)更加準(zhǔn)確。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]趙長(zhǎng)浩.全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)斷線故障測(cè)距研究[D].西南交通大學(xué)，2018.

[3]竇雪薇.高速鐵路牽引供電系統(tǒng)故障及繼電保護(hù)系統(tǒng)的仿真研究[D].北京交通大學(xué)，2018.