電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)電壓水平評(píng)估

王琦，解紹鋒，馮金博，劉黎

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都610031）

電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)電壓水平評(píng)估

王琦，解紹鋒，馮金博，劉黎

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都610031）

從牽引供電系統(tǒng)電壓水平影響因素出發(fā)，利用多導(dǎo)體傳輸線理論推導(dǎo)了牽引網(wǎng)電壓損失公式，分析了不同供電方式、不同進(jìn)線短路容量、不同牽引變壓器容量對(duì)供電系統(tǒng)電壓損失的影響，提出了改善牽引網(wǎng)供電電壓水平最有效的措施，即盡可能地減小牽引網(wǎng)電壓損失。建議采用AT供電方式。此外，還分析了牽引網(wǎng)電壓損失的實(shí)際值與工程值，提出了利用電壓降模值計(jì)算高速鐵路牽引網(wǎng)電壓損失的方法。研究表明，該方法能有效評(píng)估實(shí)際牽引網(wǎng)供電臂末端電壓水平。

牽引供電；電壓損失；多導(dǎo)體傳輸線；阻抗模型；負(fù)荷特征

牽引網(wǎng)電壓水平直接影響機(jī)車牽引力和運(yùn)行速度，進(jìn)而影響區(qū)段的通過能力和運(yùn)輸量。在實(shí)際設(shè)計(jì)中需要考慮牽引供電系統(tǒng)供電能力，這就需要計(jì)算牽引供電系統(tǒng)的電壓損失。牽引網(wǎng)電壓水平受多種因素的影響，諸如電力系統(tǒng)短路容量及其運(yùn)行方式，牽引網(wǎng)供電系統(tǒng)供電方式，牽引負(fù)荷的大小及功率因數(shù)，這就使得電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)電壓水平的評(píng)估比較復(fù)雜。

本文研究了牽引網(wǎng)阻抗模型，推導(dǎo)了牽引網(wǎng)電壓損失公式，結(jié)合普速鐵路和高速鐵路列車運(yùn)行情況，分析了不同供電方式、不同進(jìn)線短路容量、不同牽引變?nèi)萘繉?duì)牽引網(wǎng)電壓損失的影響，提出了改善牽引網(wǎng)電壓水平的有效措施，為設(shè)計(jì)牽引供電系統(tǒng)提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 供電系統(tǒng)電壓水平

電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的電壓水平受電力系統(tǒng)電壓損失、牽引變壓器電壓損失和牽引網(wǎng)電壓損失三方面的影響[1]，如圖1所示。電力系統(tǒng)電壓損失與電力系統(tǒng)短路容量密切相關(guān)，牽引變壓

圖5 電壓損失工程值與實(shí)際值的比較Fig.5Comparison of voltage-loss between engineering values and theoretical values

3 電力系統(tǒng)及牽引變電壓損失

3.1 電氣化鐵路電力系統(tǒng)電壓損失

電力系統(tǒng)電壓損失受到電力系統(tǒng)運(yùn)行方式和牽引負(fù)荷狀況的影響。GB/T12325中規(guī)定：35 kV及以上供電電壓正、負(fù)偏差的絕對(duì)值之和不超過標(biāo)稱電壓的10%。如供電電壓上下偏差同號(hào)時(shí)，按較大的偏差絕對(duì)值為衡量依據(jù)[2]，即

3.2 電氣化鐵路牽引變壓器電壓損失

圖6所示為目前普遍采用的V/V接線和V/X接線變壓器，兩者均由2臺(tái)單相變壓器組成。V/V接線與V/X接線變壓器數(shù)學(xué)建模相同。

圖6 V/V接線和V/X接線變壓器Fig.6V/V-type and V/X-type transformer

圖中變壓器參數(shù)為

式中：RT、XT為單相變壓器歸算到次邊的電阻和電抗值；UN為變壓器額定電壓，kV；ΔPC為變壓器額定銅耗，kW；SN為變壓器額定容量，MVA；Ud為變壓器短路電壓百分比。

變壓器超前相繞組電壓損失與滯后相繞組電壓損失相同，即

4 牽引供電系統(tǒng)電壓水平與負(fù)荷特征仿真

4.1 基本數(shù)據(jù)

（1）牽引負(fù)荷：普速鐵路單車負(fù)荷為6 400 kW，高速鐵路單車負(fù)荷為13 200 kW；

（2）牽引變壓器：SN=31.5 MVA，Ud=10.5%和SN=80 MVA，Ud=13%；

（3）導(dǎo)線型號(hào)及其參數(shù)：接觸線TCG-100：r= 4.6 mm，R=0.179 Ω/km；承力索TJ-95：r=4.74 mm，R=0.317 Ω/km；鋼軌P60：r=12.79 mm，R= 0.135 Ω/km；回流線、加強(qiáng)線、正饋線、保護(hù)線采用TGJ-185：r=9.03 mm，R=0.163 Ω/km；

（4）各供電臂最大列車數(shù)：供電臂長(zhǎng)度30 km，普速機(jī)車和高速機(jī)車時(shí)速分別為100 km/h和300 km/h，最小追蹤間隔為6 min和3 min，由此計(jì)算每供電臂最大列車數(shù)分別為4列和3列。當(dāng)各供電臂分別有一列機(jī)車處于供電臂最前端時(shí)，需將其造成的電壓損失歸算至牽引變壓器內(nèi)。

4.2 牽引網(wǎng)電壓水平與負(fù)荷特征仿真

將高速鐵路單車負(fù)荷對(duì)電氣化鐵路直接供電方式、NF供電方式和AT供電方式牽引網(wǎng)末端電壓損失進(jìn)行比較，結(jié)果如圖7所示。

圖7 3種供電方式電壓損失比較Fig.7Voltage-loss comparison among the three different power-supply patterns

由圖7可知：相同牽引功率及功率因數(shù)，直接供電方式牽引網(wǎng)電壓損失最大，NF供電方式次之，AT供電方式最小。但NF與AT供電方式牽引網(wǎng)電壓損失相差不大，由于AT供電方式牽引網(wǎng)相對(duì)復(fù)雜且投資較大，可用NF牽引網(wǎng)代替。

4.3 牽引供電系統(tǒng)電壓水平與負(fù)荷特征

設(shè)牽引網(wǎng)雙邊功率及功率因數(shù)相同，列車按額定功率運(yùn)行，最小追蹤間隔發(fā)車，各供電臂列車數(shù)為最大。牽引網(wǎng)最大電壓損失如表1所示。普速鐵路及高速鐵路各部分電壓損失如表2、表3所示。表中Sr為牽引變壓器安裝容量；Sd為系統(tǒng)短路容量。

表1 AT供電方式復(fù)線牽引網(wǎng)最大電壓損失Tab.1The maximum voltage-loss of complex powersupply network under AT power-supply pattern

表2 普速鐵路各部分電壓損失Tab.2Voltage-loss of the ordinary-speed railway

表4 高速鐵路各部分電壓損失（Sr=75，Sd=2 400）Tab.4Voltage-loss of the high-speed railway

由表1可知：當(dāng)高速鐵路功率因數(shù)接近于1時(shí)，由于其負(fù)荷較大，牽引網(wǎng)最大壓損較嚴(yán)重。

由表2、表3可知：系統(tǒng)短路容量對(duì)牽引供電系統(tǒng)的電壓損失影響不大，通過增加短路容量提高電鐵供電電壓的作用比較有限；通過提高牽引變壓器安裝容量使得牽引變電所的電壓損失大為降低，但由此產(chǎn)生的基本電費(fèi)也相對(duì)較高；對(duì)電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)電壓水平影響最大的是牽引網(wǎng)電壓損失，因此可行的方法是應(yīng)盡量減小牽引網(wǎng)電壓損失，如采用AT供電方式或者NF供電方式。

5 結(jié)論

（1）采用電壓降模制計(jì)算方法能更準(zhǔn)確地分析高速鐵路供電電壓水平。通過仿真對(duì)比當(dāng)前普遍采用的3種供電方式（直接供電方式、NF供電方式、AT供電方式）下的牽引網(wǎng)電壓損失，建議采用能盡可能降低牽引網(wǎng)電壓損失的AT供電方式或者NF供電方式，從而有效提高電氣化鐵路供電電壓水平。

（2）對(duì)電氣化鐵路供電電壓水平影響最大的是牽引網(wǎng)電壓損失，因此可行的方法是在功率因數(shù)一定的前提下應(yīng)盡量采用能有效降低牽引網(wǎng)電壓損失的供電方式。另外，系統(tǒng)短路容量和牽引變壓器安裝容量對(duì)牽引供電系統(tǒng)電壓水平的影響不大，因此不建議通過增加兩者容量來提高供電電壓水平。電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)電壓水平受多種因素共同制約，應(yīng)綜合考慮，具體分析，確定行之有效的方法。

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

[2]能源部鐵道部電鐵諧波負(fù)序聯(lián)合測(cè)試研究工作組.雁同電網(wǎng)和豐沙大北同蒲電氣化鐵路諧波負(fù)序測(cè)試報(bào)告[R].能源部鐵道部，1995.

[3]李群湛，賀建閩.電氣化鐵路電能質(zhì)量及其綜合控制技術(shù)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2008.

[4]Bowman W I，McNamee.Development of equivalent Pi and T matrix circuits for long untransposed transmission lines[J].IEEE Trans on Power Apparatus and Systems，1964，83（6）：625-632.

[5]唐開林，李群湛，張麗艷，等（Tang Kailin，Li Qunzhan，Zhang Liyan，et al）.電氣化鐵道牽引網(wǎng)饋線電流概率分布（Probability distribution of feeder current of electrified railway traction）[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)（Proceedings of the CSU-EPSA），2010，22（6）：12-16.

Estimate on Voltage Level in Traction Power Supply System of Electrified Railway Traction

WANG Qi，XIE Shao-feng，F(xiàn)ENG Jin-bo，LIU Li
（College of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

In the paper，taking advantage of the multi-conductor transmission line（MTL）theory，the voltage-loss expressions in traction electric network are inferred based on the factors which affected the voltage level of traction power supply system.And the effects on voltage loss of transition electric network are also analyzed in different way of power supply，different capacity of short circuit，different transformer capacity and different load characteristic.Based on the mentioned factors，the paper concludes that the most effective way to improve the voltage level of traction electric network is trying to decrease its voltage-loss.Therefore，the AT power supply mode which is good at decreasing the voltage-loss is recommended.Moreover，through the comparison between the real values and engineering values of the voltage-loss in traction electric network，a new method which is taking advantage of the module value of voltage-drop is presented in the paper so as to calculate the voltage-loss in high-speed railway.The method is proved to be effective to estimate the voltage level in the end sections of traction power supply arms.

tranction power supply；voltage loss；multi-conductor transmission line（MTL）；resistance model；load characteristic

TM922.3

A

1003-8930（2014）01-0053-04

王琦（1983—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)闋恳╇娤到y(tǒng)及電能質(zhì)量控制。Email：wan_gqi@126.com

2012-01-04；

2012-03-09

解紹鋒（1979—），男，博士，副教授，研究方向?yàn)闋恳╇娤到y(tǒng)及電能質(zhì)量控制。Email：sfxie@swjtu.cn

馮金博（1985—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)闋恳╇娤到y(tǒng)分析與控制。Email：bkO41382174142@126.com