導(dǎo)線對(duì)地電容對(duì)牽引供電仿真的影響分析

陳夢(mèng)琪，李華偉，陳富偉，李善穎，曹天植，吳 濤

導(dǎo)線對(duì)地電容對(duì)牽引供電仿真的影響分析

陳夢(mèng)琪，李華偉，陳富偉，李善穎，曹天植，吳 濤

為定量分析導(dǎo)線對(duì)地電容對(duì)牽引供電仿真的影響，通過(guò)MATLAB/SIMULINK建立具體仿真算例，說(shuō)明了部分電容對(duì)牽引網(wǎng)電壓電流的影響。最后定量給出了電容對(duì)牽引供電系統(tǒng)仿真計(jì)算的影響，為工程計(jì)算提供了更準(zhǔn)確的依據(jù)。

牽引供電系統(tǒng)；鏡像法；對(duì)地電容；仿真模型

0 引言

電氣化鐵路是一種特殊的大功率單相負(fù)荷，具有牽引功率大、波動(dòng)大、非線性、沖擊性和不對(duì)稱(chēng)性等特點(diǎn)，這就造成了電力系統(tǒng)三相的嚴(yán)重不平衡。國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者在牽引供電系統(tǒng)的阻抗參數(shù)計(jì)算[1～3]、牽引網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型建立[4～6]、牽引網(wǎng)暫穩(wěn)態(tài)仿真[7～11]等方面做了大量的研究工作，而對(duì)多導(dǎo)線系統(tǒng)對(duì)地電容的影響沒(méi)有做定量分析。

本文通過(guò)Carson公式計(jì)算線路參數(shù)，最后利用MATLAB/SIMULINK建立考慮導(dǎo)線對(duì)地電容與不考慮導(dǎo)線對(duì)地電容的牽引網(wǎng)仿真模型，定性并定量分析了導(dǎo)線對(duì)地電容對(duì)牽引供電系統(tǒng)的影響，為工程計(jì)算提供了更加準(zhǔn)確的依據(jù)。

1 牽引網(wǎng)穩(wěn)態(tài)仿真分析

仿真實(shí)驗(yàn)以單鏈形直接供電方式的牽引供電系統(tǒng)為例，各導(dǎo)線位置關(guān)系如圖1所示。結(jié)構(gòu)參數(shù)：接觸網(wǎng)懸掛形式為單鏈形，接觸導(dǎo)線rT= 0.184 Ω/km，Rεt= 8.57 mm；承力索GJ-70， rM= 2.0 Ω/km，χNm= 0.88 Ω/km，RM= 5.75 mm，接觸線距軌面平均高度H = 5 800 mm，接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度h = 1 300 mm，承力索弛度f(wàn)c= 600 mm，鋼軌型號(hào)P50，rg= 0.18 Ω/km，χNg= 0.18 Ω/km，單根鋼軌的等效半徑Rεg= 5.54 mm，軌距dg= 1 435 mm，鋼軌長(zhǎng)度25 m；大地電導(dǎo)率σ = 10-4Ω/cm。

圖1 牽引網(wǎng)懸掛系統(tǒng)示意圖

在不影響研究對(duì)象電氣量特性的前提下，對(duì)導(dǎo)體進(jìn)行化簡(jiǎn)等效。承力索與接觸線相互并聯(lián)，在任意長(zhǎng)度的分段中，導(dǎo)線間的電流分布不變，而且它們之間的相互位置關(guān)系較復(fù)雜，故將二者等效為一根平行于鋼軌的導(dǎo)體1，將兩對(duì)稱(chēng)分布的鋼軌等效為單根導(dǎo)體2。各導(dǎo)體單位自阻抗與互阻抗數(shù)值如下：

整個(gè)系統(tǒng)是由導(dǎo)體1、導(dǎo)體2和大地組成的獨(dú)立系統(tǒng)，根據(jù)上述公式計(jì)算線路對(duì)地電容。在兩供電臂設(shè)置不同的參數(shù)，得到正常運(yùn)行工況下，列車(chē)距離變電所15 km時(shí)，牽引網(wǎng)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，30 km時(shí)線路電流、電壓波形如圖2—圖5所示。

表1 直接供電方式下網(wǎng)壓分布及電流值表

列車(chē)位于距離變電所15 km處時(shí)，不考慮導(dǎo)體對(duì)地電容的線路電流各處相等，兩線路電流幅值最大相對(duì)誤差為0.03%。兩線路電壓相角相差0.01°，機(jī)車(chē)所在處幅值相對(duì)誤差最大，為0.03%。

圖2 不考慮導(dǎo)體對(duì)地電容時(shí)線路電流曲線圖

圖3 不考慮導(dǎo)體對(duì)地電容時(shí)線路電壓曲線圖

圖4 考慮導(dǎo)體對(duì)地電容時(shí)線路電流曲線圖

圖5 考慮導(dǎo)體對(duì)地電容時(shí)線路電壓曲線圖

列車(chē)位于距離變電所30 km處時(shí)，兩線路電流幅值最大相對(duì)誤差為0.043%，相位差隨距離的增長(zhǎng)而縮小，且機(jī)車(chē)所在處考慮導(dǎo)體對(duì)地電容的線路電流滯后于不考慮導(dǎo)體對(duì)地電容的線路。機(jī)車(chē)所在處電壓幅值相對(duì)誤差最大，為0.042%。

2 牽引網(wǎng)暫態(tài)仿真

列車(chē)運(yùn)行在距離變電所30 km處，此時(shí)在距離變電所20 km處設(shè)置斷路器。斷路器在0.02 s時(shí)刻斷開(kāi)，在0.06 s時(shí)重新閉合，使得線路在0.02 s出現(xiàn)斷路故障，0.06 s故障切除。兩線路電壓電流仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 斷路故障時(shí)不考慮導(dǎo)體對(duì)地電容時(shí)線路電流電壓波形圖

圖7 斷路故障時(shí)考慮導(dǎo)體對(duì)地電容時(shí)線路電流電壓波形圖

觀察圖6及圖7可知，當(dāng)線路切除故障后，考慮導(dǎo)體對(duì)地電容的線路會(huì)出現(xiàn)暫時(shí)過(guò)電壓現(xiàn)象，然后較平穩(wěn)的恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，更符合牽引網(wǎng)的真實(shí)運(yùn)行特性[15]。

對(duì)比列車(chē)處于15 km與30 km時(shí)電壓電流波形可知，不考慮導(dǎo)體對(duì)地電容的線路A，其電壓電流曲線均為較光滑曲線，考慮導(dǎo)體對(duì)地電容的線路B，其曲線的整體變化趨勢(shì)與線路A一致，是一條有波動(dòng)的非平滑曲線，且距離變電所5 km處，電壓電流曲線波動(dòng)最明顯，機(jī)車(chē)所在處電壓最低。機(jī)車(chē)所在處電壓電流曲線最為平滑，兩線路電壓幅值相對(duì)誤差最大；且列車(chē)距離變電所越遠(yuǎn)，導(dǎo)體對(duì)地電容對(duì)線路的影響越大。

綜上可知，在本文所建模型及參數(shù)設(shè)置下，系統(tǒng)發(fā)生故障及切除故障后對(duì)系統(tǒng)的電壓電流影響不大，符合牽引網(wǎng)的暫穩(wěn)態(tài)電氣特性。為準(zhǔn)確分析牽引供電系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)行情況，綜合考慮導(dǎo)體對(duì)地電容的影響，具有可行性，且更加符合牽引網(wǎng)的電氣性能。

3 結(jié)論

線路參數(shù)是電力系統(tǒng)分析所必需的一項(xiàng)基本數(shù)據(jù)，實(shí)際工程中，工程設(shè)計(jì)的線路參數(shù)全面性與準(zhǔn)確性直接關(guān)系到整個(gè)供電系統(tǒng)的成敗。

本文基于MATLAB/SIMULINK仿真工具，同時(shí)建立考慮導(dǎo)體對(duì)地電容及不考慮導(dǎo)體對(duì)地電容的牽引網(wǎng)仿真模型，定量分析了2種情況下的相對(duì)誤差，得出列車(chē)所在處電壓誤差最大；隨著列車(chē)距離變電所越遠(yuǎn)，導(dǎo)體對(duì)地電容對(duì)線路電壓和電流的影響越大。論文主要進(jìn)行了較詳細(xì)的仿真計(jì)算，定量給出了電容對(duì)鐵路供電系統(tǒng)仿真計(jì)算的影響，雖然誤差很小，在工程計(jì)算中可以忽略不計(jì)，但是這個(gè)定量的分析，為工程計(jì)算提供了更準(zhǔn)確的依據(jù)。

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For quantitative analysis of impact of grounding capacitance on the traction power supply system, in this paper, MATLAB/SIMULINK is adopted to establish the specific simulation example. Based on this model, the traction network current and voltage distribution influenced bypartial capacitanceis simulated. At last, the influence of grounding capacitance on the traction power supply system is given quantitatively to provide the more accurate basis for engineering calculation.

Traction power supply system; method of images; ground capacitance; simulation model

U223.5

B

1007-936X(2015)01-0026-03

2014-07-18

陳夢(mèng)琪.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，碩士研究生，電話(huà)：010-51682436；李華偉，陳富偉.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院；李善穎，曹天植，吳 濤.華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司。