牽引供電系統(tǒng)電磁暫態(tài)計(jì)算研究綜述

翟亞婷 楊理威

1.國網(wǎng)河北省電力有限公司石家莊供電分公司 河北石家莊 050000;2.長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 湖南長沙 410011

電氣化鐵路具有能效水平高、牽引功率大、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn),已在全世界范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展。到2021年底,我國高速鐵路已達(dá)40000km,居世界首位。隨著我國高速鐵路大范圍建設(shè),鐵路數(shù)字化、電氣化水平也逐步提升。為電力機(jī)車提供牽引動力源的牽引供電系統(tǒng)是一種不同于大電網(wǎng)的特殊輸、變、配電系統(tǒng),其主要由牽引網(wǎng)和牽引變電所組成。目前我國的電氣化鐵路一般采用25kV、50Hz單相交流供電模式。高速鐵路的牽引供電系統(tǒng)與一般的大電網(wǎng)輸、變、配電模式有較大區(qū)別,發(fā)生電磁暫態(tài)過程也較為頻繁,并且會伴隨產(chǎn)生高頻電磁脈沖與暫態(tài)過電壓,極易對列車上的電力電子設(shè)備、牽引網(wǎng)、牽引供電所的電力設(shè)備、鐵路通信信號設(shè)備造成干擾,對高速鐵路的運(yùn)行安全產(chǎn)生極大威脅,基于此對高速鐵路牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行電磁暫態(tài)計(jì)算研究是十分必要的。

一、高速鐵路牽引供電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

目前高速鐵路牽引供電系統(tǒng)主要采用的是全并聯(lián)AT供電方式,此類供電方式由牽引變電所、牽引網(wǎng)和自耦變壓器3個主要部分構(gòu)成,外部供電一般取自220kV大電網(wǎng),由牽引變壓器降壓為高鐵列車所需單相交流電,見圖1。而牽引網(wǎng)包含接觸網(wǎng)、回流線、正負(fù)饋線、鋼軌等,自耦變壓器每隔40～50km布置,當(dāng)一側(cè)供電臂故障時可由相鄰變電所跨區(qū)供電。

圖1 高速鐵路牽引供電系統(tǒng)全并聯(lián)AT供電方式

二、牽引供電系統(tǒng)常見的電磁暫態(tài)現(xiàn)象

高鐵列車運(yùn)行速度快,從電網(wǎng)側(cè)看是快速移動的沖擊性負(fù)荷,機(jī)車頂部受電弓與接觸網(wǎng)之間進(jìn)行滑動電接觸,機(jī)車底部車輪與軌道之間是滾動電接觸,其運(yùn)行速度快,并且加速、怠速、制動狀態(tài)切換頻繁。常見的電磁暫態(tài)過程及影響危害有:

(一)對周圍線路產(chǎn)生感性耦合

由于牽引功率大,在牽引網(wǎng)中將產(chǎn)生很大的牽引電流,導(dǎo)致電感耦合,在電力、信號電纜及各種設(shè)備電路中引起感應(yīng)電動勢,對鐵路通信、信號和電氣設(shè)備造成嚴(yán)重影響;當(dāng)牽引網(wǎng)發(fā)生故障時,瞬時極大的短路電流對通信、信號設(shè)備將產(chǎn)生災(zāi)難性影響。此外牽引供電系統(tǒng)電流由接觸網(wǎng)饋電,由鋼軌回送,是典型的單相不對稱供電系統(tǒng),當(dāng)牽引網(wǎng)存在短路故障時,瞬時短路電流極大,將沿鋼軌產(chǎn)生加大的對地漏泄電流。

(二)升降受電弓產(chǎn)生電弧擾動

高鐵列車頂部受電弓后先接入一段高壓電纜,再接入主斷路器,對受電弓進(jìn)行升降操作時,也引起了高壓電纜的分布電容充放循環(huán)操作,在受電弓與接觸網(wǎng)接觸瞬間將引發(fā)強(qiáng)烈的電弧擾動,見圖2。這類電弧與弓網(wǎng)接觸分離時間、高壓電纜、接觸網(wǎng)的電氣參數(shù)等因素有關(guān)。高壓電弧擾動將干擾周圍電磁環(huán)境,并降低受電弓滑板壽命,升受電弓時對高壓電纜電容充電還可引起過電壓。

圖2 升受電弓時發(fā)出明顯的電弧

(三)高鐵列車過分相擾動

高鐵列車過分相時相當(dāng)于進(jìn)行一系列主動、被動的開關(guān)操作,相當(dāng)于牽引供電系統(tǒng)處于“干擾源”工況。過分相時產(chǎn)生的擾動,有可能導(dǎo)致列車頂部的放電間隙或絕緣子擊穿、避雷器、電壓互感器燒毀炸裂、牽引變電所開關(guān)跳閘、列車通信、信號、控制設(shè)備故障,見圖3。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況和測試來看,過分相后閉合高鐵列車主斷路器時,還可能在干式電壓互感器上發(fā)生鐵磁諧振以及導(dǎo)致勵磁涌流,導(dǎo)致電力設(shè)備事故頻繁發(fā)生。

圖3 燒損和炸裂的列車頂部設(shè)備

三、車—網(wǎng)耦合系統(tǒng)穩(wěn)定性

研究工作中經(jīng)常將高鐵列車與牽引供電系統(tǒng)結(jié)合形成車—網(wǎng)耦合系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一分析,其穩(wěn)定性將直接影響高速鐵路日常運(yùn)營。這類系統(tǒng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象可根據(jù)頻率劃分為兩類:

(1)由正常工頻50Hz與附近諧波相互作用,使?fàn)恳╇娤到y(tǒng)的電壓呈現(xiàn)低頻波動,此現(xiàn)象稱為低頻振蕩。這種不穩(wěn)定現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生在多列同型號高鐵列車集中在同一供電區(qū)間的相近位置進(jìn)行行駛前升弓整備,此時機(jī)車尚未運(yùn)行,牽引功率較小,牽引供電系統(tǒng)處于輕載工況。

(2)耦合系統(tǒng)中電流諧波含量持續(xù)增加,疊加50Hz工頻導(dǎo)致牽引網(wǎng)過電壓。此時高鐵列車正常行駛,危害車頂避雷器、斷路器、高壓電纜、列車變壓器等列車設(shè)備,甚至觸發(fā)牽引變電所主變壓器保護(hù)動作。這些不穩(wěn)定現(xiàn)象所引起的牽引供電系統(tǒng)過電壓、過電流,對鐵路系統(tǒng)正常運(yùn)營秩序造成的干擾十分嚴(yán)重。

目前對諧波振蕩的不穩(wěn)定現(xiàn)象已有一些基礎(chǔ)研究,但深入的理論分析仍然十分缺乏,缺乏清晰準(zhǔn)確的發(fā)生機(jī)理的分析研究,根源防治手段不足。諧波振蕩已成為牽引供電系統(tǒng)一種嚴(yán)重的電能質(zhì)量問題,進(jìn)行深入研究有必要意義。

四、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

(一)牽引網(wǎng)導(dǎo)線參數(shù)計(jì)算方面

牽引網(wǎng)主要由鋼軌和架空接觸網(wǎng)組成,架空接觸網(wǎng)主要包含接觸線、承力索、正饋線、保護(hù)線。對牽引網(wǎng)各導(dǎo)體的不同類型,需要考慮導(dǎo)體是否為非規(guī)則截面及其不同的材料類型。常規(guī)電力系統(tǒng)分析研究中,一般認(rèn)為非磁性導(dǎo)體的內(nèi)部阻抗做總電抗的一小部分,這個參數(shù)精確度對計(jì)算準(zhǔn)確性影響不大。對接觸網(wǎng)中導(dǎo)線參數(shù)的計(jì)算,可應(yīng)用Carson公式對圓形實(shí)心導(dǎo)線的等效參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,并應(yīng)用聶曼公式對鋼軌阻抗進(jìn)行計(jì)算。考慮到電氣化鐵路的特殊運(yùn)行環(huán)境,在計(jì)算長大隧道中導(dǎo)線等效參數(shù)時可應(yīng)用Tylavsky公式。而鋼軌電流中諧波成分含量較多,需要考慮寬頻范圍鋼軌阻抗和分布參數(shù)的確定。目前對于牽引網(wǎng)模型搭建,其多導(dǎo)體傳輸線鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)模型已得到認(rèn)可和應(yīng)用。

(二)牽引供電系統(tǒng)阻抗頻率特性分析方面

分析車—網(wǎng)耦合系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題依賴于阻抗頻率特性的準(zhǔn)確建模,對鐵路電能質(zhì)量優(yōu)化提升和深入研究諧波諧振機(jī)理也至關(guān)重要。阻抗頻率特性分析領(lǐng)域,一般采用一種僅由鋼軌和接觸線組成的簡化模型,其與復(fù)雜的現(xiàn)場實(shí)際情況,一般僅用于定性分析。電氣化鐵路的諧波阻抗可采用Matlab[16,27,28]、EMTP和PSCAD等軟件來模擬。這些研究方法都缺乏對外部電力系統(tǒng)和牽引變壓器諧波特性的準(zhǔn)確建模分析。外部電力系統(tǒng)會影響牽引供電系統(tǒng)阻抗特性,進(jìn)而影響其阻抗計(jì)算,但還缺乏準(zhǔn)確性的牽引供電系統(tǒng)阻抗分析計(jì)算方法,牽引供電系統(tǒng)阻抗特性曲線也依賴現(xiàn)場試驗(yàn)測定,進(jìn)一步影響針對牽引供電系統(tǒng)開發(fā)阻抗頻率建模仿真方法。

(三)牽引供電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型搭建方面

數(shù)學(xué)模型是分析電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)的基礎(chǔ),可通過簡化模型形成牽引供電系統(tǒng)等值電路,進(jìn)而建立系統(tǒng)狀態(tài)方程,考慮到高鐵列車這一負(fù)載的移動性和牽引供電系統(tǒng)發(fā)生故障的變化,都將引起牽引供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,有必要在系統(tǒng)求解層面搭建針對牽引供電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。穩(wěn)態(tài)分析方面,基于鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)模型,采用精確的等效π型電路對牽引網(wǎng)多導(dǎo)體傳輸線進(jìn)行建模,并對橫向并聯(lián)元件與縱向串聯(lián)元件分別建立數(shù)學(xué)模型,聯(lián)合形成網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣進(jìn)行求解。暫態(tài)分析方面,目前尚無針對牽引供電系統(tǒng)的有效分析方法,開發(fā)一種類似EMTP的專用分析工具很有必要,并可根據(jù)供電網(wǎng)絡(luò)改變靈活變換。

(四)牽引供電系統(tǒng)電磁干擾傳導(dǎo)分析方面

在電磁干擾傳導(dǎo)分析方面,一般采用多導(dǎo)體傳輸線的時域有限差分法和ATP/EMTP聯(lián)合對牽引網(wǎng)電磁干擾傳播進(jìn)行分析計(jì)算,并且聯(lián)合電磁干擾計(jì)算的電路理論和場論有利于研究分析電氣化鐵路電磁干擾問題,以及系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)之間的電磁兼容問題。考慮到軌道附近安裝有較多的通信、信號設(shè)備,開展自耦變壓器與電磁干擾傳導(dǎo)影響的相互作用是十分必要的,目前采用較多的與ATP/EMTP聯(lián)合計(jì)算的方法還不夠靈活,應(yīng)從電氣設(shè)備模型層面對牽引網(wǎng)上掛接不同負(fù)載的接口建模計(jì)算進(jìn)行研究。

五、研究熱點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)

牽引供電系統(tǒng)中的電磁暫態(tài)過程因供電方式、運(yùn)行方式、設(shè)備結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性都與傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)有所區(qū)別,無法利用電力系統(tǒng)分析方法和仿真軟件進(jìn)行研究,在威脅范圍及發(fā)生機(jī)理上也存在爭議。目前牽引供電系統(tǒng)電磁暫態(tài)基礎(chǔ)分析方法上還比較欠缺,需要開展針對性建模以提供理論模型的支撐。對于牽引供電系統(tǒng)暫態(tài)分析分析方法的針對性建模,歸納了三類關(guān)鍵技術(shù)研究方向:

(一)關(guān)鍵技術(shù)1:牽引供電系統(tǒng)電氣設(shè)備的寬頻參數(shù)數(shù)學(xué)模型與牽引網(wǎng)阻抗頻率特性分析

由于牽引供電系統(tǒng)的特殊性,牽引供電系統(tǒng)中電氣設(shè)備參數(shù)計(jì)算方法、數(shù)學(xué)模型建立、牽引網(wǎng)阻抗識別都需要針對性分析。考慮接觸線特殊截面和鋼軌鐵磁特性,進(jìn)行相關(guān)理論與方法的現(xiàn)場測試驗(yàn)證,為牽引供電系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析研究提供理論研究基礎(chǔ)分析與精確數(shù)據(jù)計(jì)算。基于鋼軌的頻域特性、接觸線非規(guī)則截面、軌—地非線性分布參數(shù)等開展電氣設(shè)備精確建模為供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、牽引網(wǎng)諧振計(jì)算提供數(shù)學(xué)模型,對車—網(wǎng)耦合系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、諧波抑制提供理論支撐。進(jìn)行牽引網(wǎng)理論分析與阻抗頻率特性建模,分析牽引供電系統(tǒng)諧波振蕩大致頻率范圍,為鐵路運(yùn)營安全、新車型投運(yùn)前測試和新線聯(lián)調(diào)聯(lián)試減少危害。

(二)關(guān)鍵技術(shù)2:牽引供電系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析計(jì)算的針對性數(shù)學(xué)建模研究

基于牽引供電系統(tǒng)的供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和機(jī)車位置、故障點(diǎn)的隨機(jī)性,針對牽引供電系統(tǒng)的供電網(wǎng)絡(luò)、負(fù)荷特性和運(yùn)行環(huán)境等方面的特殊性,開展針對性電磁暫態(tài)分析計(jì)算建模方法研究。主流的研究方法有:通過傳統(tǒng)仿真軟件搭建車—網(wǎng)耦合系統(tǒng)模型,由于牽引供電系統(tǒng)供電網(wǎng)絡(luò)的特殊性,一般采用簡單的等值電路對系統(tǒng)狀態(tài)方程進(jìn)行描述,而簡化后的系統(tǒng)狀態(tài)方程難以反映真實(shí)狀態(tài)下設(shè)備參數(shù)變化的動態(tài)特性的影響。因此基于多導(dǎo)體傳輸線理論,結(jié)合牽引供電系統(tǒng)牽引網(wǎng)的鏈?zhǔn)诫娐诽攸c(diǎn),開展?fàn)恳W(wǎng)、牽引變壓器的時域數(shù)學(xué)模型計(jì)算,建立全并聯(lián)AT供電方式下的牽引供電系統(tǒng)電磁暫態(tài)計(jì)算模型和數(shù)學(xué)解算方法,可分析明確牽引供電系統(tǒng)電磁暫態(tài)原因機(jī)理和危害范圍,為高速鐵路安全運(yùn)營提供有力支撐。

(三)關(guān)鍵技術(shù)3:牽引供電系統(tǒng)電磁干擾發(fā)生原因傳導(dǎo)過程分析研究

典型高速鐵路牽引供電系統(tǒng)需應(yīng)用大量自耦變壓器和吸流變壓器,這些變壓器的應(yīng)用降低了大地回路電流,提高了供電系統(tǒng)的抗干擾能力,但高鐵列車、牽引變電所、線路沿線這些對外界電磁環(huán)境完全開放的區(qū)域安裝了大量通信、信號、整流功能的電力電子和控制設(shè)備,而牽引變壓器、牽引網(wǎng)為電磁干擾傳導(dǎo)提供了路徑。在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)電磁兼容性研究中,通信設(shè)備、控制設(shè)備一般位于變電站區(qū)域,而高速鐵路通信設(shè)備、控制設(shè)備常常伴隨軌道附近,雷擊電磁干擾、弓網(wǎng)電弧干擾或其他干擾將產(chǎn)生高頻脈沖電磁干擾源,這些高頻干擾會沿接觸網(wǎng)—變壓器—鋼軌發(fā)生反射和折射嚴(yán)重影響附近通信設(shè)備、控制設(shè)備,進(jìn)而影響高鐵行車安全。由于這些電磁干擾中主要是高頻成分,對牽引變壓器、牽引網(wǎng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模時,必須采用頻率相關(guān)電磁暫態(tài)模型,才能進(jìn)行針對性電磁暫態(tài)仿真模擬的理論分析與數(shù)值計(jì)算。電磁干擾的傳導(dǎo)分析還需要結(jié)合現(xiàn)場測試和實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)研究,以預(yù)測真實(shí)運(yùn)營條件下中存在的潛在風(fēng)險(xiǎn),并優(yōu)化工程設(shè)計(jì)。