縱向分段式全并聯(lián)AT 牽引供電系統(tǒng)建模與仿真

陳海濤，熊列彬

0 引言

隨著高鐵技術(shù)的不斷進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的飛速發(fā)展，中國(guó)高速、重載電氣化鐵路進(jìn)入迅速發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成熟，全并聯(lián)AT 所主接線方案得到廣泛研究和應(yīng)用，目前投入運(yùn)營(yíng)的AT 所主接線方案主要分為2 類：大秦線及京津城際設(shè)計(jì)方案；福夏線及夏深線設(shè)計(jì)方案[1]。不管哪種接線方案，目前投入運(yùn)營(yíng)的全并聯(lián)AT 牽引供電系統(tǒng)主要存在牽引網(wǎng)故障時(shí)，切除故障的方式都是統(tǒng)一跳開牽引變電所處斷路器，然后解列全并聯(lián)系統(tǒng)，再逐一重合閘排除故障。這樣當(dāng)牽引網(wǎng)上行或下行發(fā)生永久性故障時(shí)，將造成上行或下行全線停電，擴(kuò)大停電范圍；故障時(shí)供電方式由全并聯(lián)AT 供電變?yōu)閱尉€直接供電，降低供電可靠性，增大對(duì)沿線通信線路的干擾。因此，一種全新的縱向分段式全并聯(lián)AT 所主接線方案被提出，它最大的優(yōu)點(diǎn)就是故障發(fā)生時(shí)能減小停電范圍，維持AT供電保證供電可靠性。研究縱向分段式全并聯(lián)AT牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立縱向分段式全并聯(lián)AT 牽引供電系統(tǒng)仿真模型，得出短路故障時(shí)牽引變電所、AT 所和分區(qū)所阻抗特性，為繼電保護(hù)的配置和整定提供依據(jù)，下文予以簡(jiǎn)單介紹。

1 AT 所主接線

縱向分段式全并聯(lián)AT 所主接線如圖1 所示[2]。

圖1 縱向分段式全并聯(lián)AT 所主接線圖

該AT 所由4 臺(tái)雙極斷路器和4 組電流互感器分別接入AT 供電方式復(fù)線電氣化鐵路上下行供電臂，與牽引變電所饋線雙極斷路器和末端分區(qū)所雙極斷路器一起，將供電臂分為4 個(gè)供電分區(qū)，每個(gè)分段雙極斷路器接入點(diǎn)設(shè)置由電壓互感器、高壓熔斷器和隔離開關(guān)依次連接后構(gòu)成的供電分區(qū)檢壓支路，該支路外側(cè)在輸電線路和地之間接有氧化鋅避雷器，AT 所通過上網(wǎng)隔離開關(guān)和牽引網(wǎng)連接，AT 變壓器通過雙極斷路器接入上下行牽引網(wǎng)并聯(lián)母線，上下行牽引網(wǎng)并聯(lián)母線間設(shè)置母線分段隔離開關(guān)。這樣通過縱向分段式全并聯(lián)AT 所構(gòu)成的縱向分段式全并聯(lián)AT 牽引供電系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 縱向分段式全并聯(lián)AT 牽引供電系統(tǒng)示意圖

由圖2 可看出，在上下行牽引網(wǎng)AT 所處各增設(shè)1 組錨段關(guān)節(jié)，采用電動(dòng)隔離開關(guān)操作方式，通過復(fù)線上下行供電臂連接，由AT 所處牽引網(wǎng)上絕緣錨段關(guān)節(jié)、相鄰牽引變電所和分區(qū)所相配合，對(duì)供電臂進(jìn)行供電分區(qū)，有效控制故障范圍，平衡供電臂上下行的牽引負(fù)荷，保證繼電保護(hù)的選擇性和速動(dòng)性，避免牽引網(wǎng)上故障時(shí)AT 變壓器退出運(yùn)行，并保證故障情況下供電能力。

2 AT 牽引供電系統(tǒng)仿真模型

2.1 牽引變電所模型

牽引變電所的主要設(shè)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(guān)、避雷器等。由于仿真模型主要考慮整個(gè)系統(tǒng)的電氣性能，因此變電所模型中只考慮供電電源電壓等級(jí)和牽引變壓器。

縱向分段式全并聯(lián)AT 牽引供電系統(tǒng)主要服務(wù)于高速客運(yùn)專線，根據(jù)各方面電氣性能指標(biāo)，該牽引供電系統(tǒng)中牽引變壓器的進(jìn)線采用電力系統(tǒng)220 kV 等級(jí)作為供電電源[3]，因此在MATLAB/Simulink 中，可采用 SimPowerSystems 里面的“Three-Phase Source”模塊作為供電電源仿真模型，見圖3。

圖3 供電電源模型及參數(shù)圖

牽引變壓器模型基于V/v牽引變壓器原型[4，5]，用SimPowerSystems 里面的“Linear Transformer”模塊作為牽引變壓器模型元件，進(jìn)行適當(dāng)電氣連接建立2×27.5 kV 的V/v 牽引變壓器，見圖4。

圖4 牽引變壓器模型及參數(shù)圖

2.2 牽引網(wǎng)模型

縱向分段式全并聯(lián)AT 供電牽引網(wǎng)是由饋電線、接觸網(wǎng)、鋼軌、大地和回流線構(gòu)成的供電網(wǎng)總稱。在盡量減小影響電氣性能前提下可簡(jiǎn)化模型，將牽引網(wǎng)等值模型由6 根等值導(dǎo)線組成：上行接觸網(wǎng)、鋼軌、正饋線和下行接觸網(wǎng)、鋼軌、正饋線。承力索和接觸線合并為接觸網(wǎng)（T 線），回流線和鋼軌合并為回流回路（R 線），正饋線為F 線。

根據(jù)MATLAB 里面提供的線路模型，可以用SimPowerSystems 里面的“Series RLC Branch”模塊和“Mutual Inductance”模塊分別表示導(dǎo)線的自阻抗和導(dǎo)線之間的互阻抗。根據(jù)全并聯(lián)AT 牽引網(wǎng)原理及電氣特性，牽引網(wǎng)模型可以簡(jiǎn)化為串聯(lián)阻抗和并聯(lián)導(dǎo)納構(gòu)成的集中參數(shù)模型，串聯(lián)阻抗矩陣包括牽引網(wǎng)中各等值導(dǎo)線的自阻抗和各等值導(dǎo)線間的互阻抗，并考慮上下行間的互感，并聯(lián)導(dǎo)納忽略不計(jì)[6]。從而可搭建出全并聯(lián)AT 牽引網(wǎng)仿真模型，如圖5 所示。

圖5 全并聯(lián)AT 牽引網(wǎng)模型示意圖

2.3 AT 所模型

縱向分段式全并聯(lián)AT 牽引供電系統(tǒng)中AT 所模型關(guān)鍵在于AT 變壓器的搭建和斷路器元件的接入，根據(jù)自耦變壓器的接線原理， AT 自耦變壓器選用MATLAB/Simulink 中的單相雙繞組飽和變壓器模塊“Saturable Transformer”，將自耦變壓器一次繞組和二次繞組的異名端相連作為中性點(diǎn)與鋼軌相接，剩下2 個(gè)端口分別連接接觸網(wǎng)T 和饋線F，并根據(jù)縱向分段式AT 所得接線原理，分別在上下行接入斷路器，其仿真模型及參數(shù)如圖6 所示。

圖6 AT 所模型及參數(shù)圖

2.4 縱向分段式全并聯(lián)AT 供電系統(tǒng)模型

根據(jù)縱向分段式全并聯(lián)AT 牽引供電系統(tǒng)的運(yùn)行原理，將已經(jīng)建立的牽引變電所、AT 所、分區(qū)所和牽引網(wǎng)仿真模塊進(jìn)行合理的電氣連接，從而建立整個(gè)系統(tǒng)的仿真模型（圖略）。

3 各種短路故障時(shí)的阻抗特性

假設(shè)牽引變電所至分區(qū)所的距離為30 km，在牽引變電所和分區(qū)所之間設(shè)立一個(gè)AT 所，AT 所位于牽引變電所和分區(qū)所中間，即AT 所到牽引變電所距離為15 km，原理圖如圖7 所示。

圖7 縱向分段式全并聯(lián)AT 供電系統(tǒng)仿真原理圖

3.1 牽引變電所處短路阻抗特性

在牽引變電所至分區(qū)所之間牽引網(wǎng)的不同位置設(shè)置金屬性短路點(diǎn)，本仿真中每隔1 km 設(shè)置一次短路點(diǎn)?？梢詼y(cè)得接觸網(wǎng)與正饋線、接觸網(wǎng)與鋼軌、正饋線與鋼軌短路時(shí)短路點(diǎn)距牽引變電所的距離與短路阻抗之間的關(guān)系曲線。3 種短路故障時(shí)阻抗特性曲線如圖8 所示。

圖8 牽引變電所處3 種短路阻抗曲線圖

3.2 AT 所處短路阻抗特性

牽引網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，AT 所處同樣可以測(cè)得接觸網(wǎng)與正饋線、接觸網(wǎng)與鋼軌、正饋線與鋼軌短路時(shí)短路點(diǎn)距牽引變電所的距離與短路阻抗之間的關(guān)系曲線，故障發(fā)生在牽引變電所至AT 所區(qū)段時(shí)，AT 所QF3（QF4）處阻抗特性圖，如圖9所示；故障發(fā)生在AT 所至分區(qū)所區(qū)段時(shí)，AT 所QF5（QF6）處阻抗特性，如圖10 所示。

圖9 牽引變電所至AT 所3 種短路故障AT 所處短路阻抗曲線圖

圖10 AT 所至分區(qū)所3 種短路故障AT 所處短路阻抗曲線圖

3.3 分區(qū)所處短路阻抗特性

牽引網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，分區(qū)所處同樣可以測(cè)得接觸網(wǎng)與正饋線、接觸網(wǎng)與鋼軌、正饋線與鋼軌短路時(shí)短路點(diǎn)距牽引變電所的距離與短路阻抗之間的關(guān)系曲線，如圖11 所示。

圖11 分區(qū)所處3 種短路阻抗曲線圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了縱向分段式全并聯(lián)AT 所主接線方案的特點(diǎn)，從中可以看出該主接線方案的最大優(yōu)點(diǎn)是可有效控制事故范圍，縮短停電距離。在該基礎(chǔ)上建立了縱向分段式全并聯(lián)AT 牽引供電系統(tǒng)的MATLAB/Simulink 仿真模型，尤其是縱向分段式全并聯(lián)AT 所模型的建立對(duì)于仿真分析該供電系統(tǒng)特性起到了關(guān)鍵作用。最后，仿真得出了3 種短路故障時(shí)牽引變電所、AT 所和分區(qū)所處的短路阻抗特性，對(duì)于繼電保護(hù)的配置有著指導(dǎo)意義。

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[3] 張小瑜，吳俊勇.電氣化鐵路接入電力系統(tǒng)的電壓等級(jí)問題[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，（4）31，（7）：12-17.

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