加強線并聯(lián)點的設(shè)置對牽引供電能力的影響

邢曉乾

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加強線并聯(lián)點的設(shè)置對牽引供電能力的影響

邢曉乾

基于平行多導(dǎo)線原理利用Matlab/Simulink建立牽引供電系統(tǒng)仿真模型，仿真分析加強線對牽引網(wǎng)短路阻抗、接觸網(wǎng)載流能力以及牽引網(wǎng)電壓水平的作用，得出了加強線與接觸網(wǎng)不同的并聯(lián)距離對牽引供電能力產(chǎn)生影響的結(jié)論，對工程設(shè)計具有一定借鑒作用。

加強線；并聯(lián)點；牽引網(wǎng)；供電能力

0 引言

隨著我國鐵路建設(shè)的發(fā)展，電氣化鐵路里程快速增加，預(yù)計到2020年，全國鐵路營業(yè)里程將達到15萬km，其中高速鐵路3萬km，電氣化率達到70%左右。速度目標值為350 km/h的高速鐵路均采用AT供電方式，250 km/h的高速鐵路部分采用AT供電方式，部分采用帶回流線的直接供電方式，普速電氣化鐵路一般采用帶回流線的直接供電方式，重載鐵路一般采用AT供電方式[1]。

受所亭位置選擇、牽引變電所共用、山區(qū)鐵路坡度大以及供電臂較長等因素影響[2]，越來越多的電氣化鐵路增設(shè)了加強線，部分高速鐵路預(yù)留了遠期增設(shè)加強線的條件。但加強線與接觸懸掛如何連接才能最大限度地發(fā)揮供電能力，目前尚未進行深入系統(tǒng)地研究。

1 加強線設(shè)置現(xiàn)狀

表1、表2為部分已經(jīng)建成和在建鐵路加強線的設(shè)置情況。由表1、表2可知，加強線已應(yīng)用在既有普速鐵路、高速鐵路及重載鐵路等各類電氣化鐵路中，但加強線與接觸線并聯(lián)點的設(shè)置距離不盡相同，從首末端并聯(lián)到間隔200 m并聯(lián)等各種并聯(lián)點設(shè)置距離均有。

表1 部分已經(jīng)建成鐵路加強線設(shè)置情況

2 仿真模型的建立

本文主要對牽引供電系統(tǒng)的供電能力進行研究，在仿真模型中僅考慮220 kV電源、牽引變壓器和牽引網(wǎng)，忽略對供電能力影響較小的一些輔助系統(tǒng)設(shè)備[3]。

搭建帶回流線的直接供電方式牽引網(wǎng)模型。帶回流線的直接供電方式的牽引網(wǎng)一般由承力索、接觸線、加強線、回流線等組成，加強線與接觸線通過橫向連接線連接。本文基于平行多導(dǎo)線原理搭建與實際相近的牽引網(wǎng)模型。

通過Matlab搭建仿真模型如圖1所示。

表2 部分在建鐵路加強線設(shè)置情況

圖1 帶回流線的直接供電方式牽引網(wǎng)仿真模型

利用仿真模型計算牽引網(wǎng)阻抗，并將仿真計算結(jié)果與利用卡森公式計算結(jié)果進行對比，如圖2?？梢钥闯?，2條曲線非常近似，誤差在允許范圍內(nèi)，驗證了仿真模型的有效性。

圖2 仿真曲線與理論計算曲線對比

3 加強線并聯(lián)點設(shè)置對供電能力的影響

牽引網(wǎng)阻抗、接觸網(wǎng)載流能力以及牽引網(wǎng)電壓水平是影響牽引供電能力的3個重要因素，也是受加強線影響的3個主要參數(shù)。本文主要對這3個因素進行系統(tǒng)的仿真計算和分析。

3.1 牽引網(wǎng)阻抗

牽引網(wǎng)阻抗是牽引網(wǎng)供電計算的重要參數(shù)之一。計算牽引網(wǎng)阻抗主要用于計算牽引網(wǎng)的電壓損失和確定牽引網(wǎng)中的短路電流，還可用于計算牽引網(wǎng)的電能損失、軌中電流以及鋼軌電壓等。牽引網(wǎng)阻抗由接觸網(wǎng)、回流線、軌道、大地回路的阻抗組成。不同結(jié)構(gòu)的牽引網(wǎng)和不同的供電方式，其牽引網(wǎng)阻抗組成也不相同[4]。下面對帶回流線的直接供電方式的牽引網(wǎng)阻抗進行研究，著重分析加強線并聯(lián)點不同設(shè)置距離對牽引網(wǎng)阻抗的影響。

圖3所示為不設(shè)加強線和設(shè)置加強線牽引網(wǎng)阻抗的比較，圖4為在設(shè)置加強線的基礎(chǔ)上，加強線和接觸線每隔0.2、2、6、12、24 km并聯(lián)一次的仿真計算圖形。

由圖3可以看出，通過設(shè)置加強線可以有效減小牽引網(wǎng)阻抗，短路點到牽引變電所的距離越長，牽引網(wǎng)阻抗減小越明顯，加強線的效果越顯著。

圖3 不設(shè)與設(shè)置加強線的牽引網(wǎng)阻抗比較

由圖4可以看出，當只有首末端并聯(lián)，即并聯(lián)點距離為24 km時，短路阻抗最大；隨著并聯(lián)點距離分別縮減為12、6以及2 km時，短路阻抗均有明顯減小，但是當并聯(lián)點距離由2 km縮減至 0.2 km時，短路阻抗減小并不明顯，短路阻抗的曲線近似重合；不論并聯(lián)點距離為0.2、2、6、12還是24 km，相同的并聯(lián)點短路阻抗均相同。

圖4 設(shè)置不同并聯(lián)點加強線的牽引網(wǎng)阻抗比較

選擇一組典型數(shù)據(jù)進行分析，以短路點距離牽引變電所20 km為例，牽引網(wǎng)阻抗見表3。由表3可知，與圖3和圖4的情況一致，通過設(shè)置加強線可以大幅減小牽引網(wǎng)阻抗，加強線與接觸線并聯(lián)距離越小，牽引網(wǎng)阻抗越小，并聯(lián)距離為12、6、2 km時，可以略減小牽引網(wǎng)阻抗，但是當并聯(lián)點距離從2 km縮減到0.2 km時，牽引網(wǎng)阻抗變化則較小。

表3 短路點距離牽引變電所20 km時的牽引網(wǎng)阻抗

3.2 接觸網(wǎng)載流能力

接觸網(wǎng)的載流能力需要滿足其傳輸?shù)碾娏鞔笮?，這是牽引供電系統(tǒng)必須保證的?？拓浟熊囃捎秒p機牽引，牽引電流較大，尤其是坡度較大區(qū)段。高速鐵路具有牽引負荷大、受電時間長等特點，其追蹤間隔一般為近期4 min，遠期3 min，牽引負荷集中特征明顯，牽引電流較大。

當采用帶回流線的直接供電方式時，接觸網(wǎng)的載流能力則成為限制牽引供電能力的主要因素。當供電臂較長或機車牽引電流較大，經(jīng)計算接觸網(wǎng)不能滿足載流需求時，可通過增設(shè)加強線分擔接觸網(wǎng)的部分電流。

當采用AT供電方式時，典型供電臂內(nèi)接觸懸掛及正饋線的選擇能夠滿足近期4 min追蹤間隔的需求；遠期3 min追蹤間隔時，接觸懸掛20 min載流能力處于臨界狀態(tài)或不能滿足需求，供電臂首個AT段可預(yù)留增設(shè)加強線條件。下文分別對上下行不同列車的工況進行接觸網(wǎng)電流分配仿真計算。

（1）列車運行在上行1、12、24 km處時，接觸網(wǎng)的電流分配如表4所示。

表4 僅上行有車的接觸網(wǎng)分流系數(shù)

（2）列車運行在上行1、12、24 km和下行1、 24 km處時，接觸網(wǎng)的電流分配如表5所示。

表5 上行多車下行少車的接觸網(wǎng)分流系數(shù)

（3）列車運行在上行1、12、24 km和下行1、12、24 km處時，接觸網(wǎng)的電流分配如表6所示。

表6 上、下行均多車的接觸網(wǎng)分流系數(shù)

表4—表6分別為僅在上行有車、上下行均有車但上行車多、上下行均多車時，接觸懸掛和加強線的電流分配系數(shù)的比較?？梢钥闯觯蚪佑|網(wǎng)上下行為并聯(lián)，不論上下行是否均有車，上下行接觸網(wǎng)均會分擔一部分電流；不論上下行列車以何種排列運行，設(shè)置加強線均可以有效減小接觸網(wǎng)的載流；不同位置并聯(lián)點加強線的分流能力不同，分流系數(shù)大約在10%～30%之間；并聯(lián)點的設(shè)置距離越小，加強線的分流能力越強，當并聯(lián)點距離從24 km縮減到2 km時，加強線的分流能力增加10%～15%，但是當并聯(lián)點距離從2 km縮減至0.2 km時，加強線的分流能力增加不到1%，此時分流能力提高并不明顯。

3.3 牽引網(wǎng)電壓水平

當列車駛過時，系統(tǒng)電壓分別降落在3個區(qū)間：電力供電系統(tǒng)，牽引變壓器，牽引網(wǎng)[5]。列車對牽引網(wǎng)電壓水平有一定要求，要求工作電壓在29～19 kV范圍內(nèi)。牽引網(wǎng)電壓水平影響機車牽引力和列車運行速度，以至直接影響區(qū)段的通過能力和運輸量。在工程設(shè)計中，針對不同鐵路的具體條件，可采取適當縮短供電臂長度、降低牽引網(wǎng)阻抗、提高功率因數(shù)、采用阻抗電壓低的牽引變壓器等措施提高網(wǎng)壓。

增設(shè)加強線是一種提高牽引網(wǎng)末端電壓的有效措施。本文通過仿真計算評估加強線對提高牽引網(wǎng)電壓的效果。

圖5、圖6分別為中間并聯(lián)和首末端并聯(lián)時供電臂的電壓分布。

圖5 中間并聯(lián)時供電臂的電壓分布

圖6 首末端并聯(lián)時供電臂的電壓分布

由圖5、圖6可知，不論采用何種并聯(lián)方式，牽引網(wǎng)最大壓降均為距離變電所最遠處的機車電壓，因此比較牽引變電所最遠處機車的電壓降即可分析供電臂的電壓水平。表7—表9為各工況下供電臂電壓水平。

表7 上、下行各運行2列車的供電臂電壓水平

表8 上行運行2列車、下行無車的供電臂電壓水平

表9 僅上行運行一列車的供電臂電壓水平

由表7—表9可知，不論上行有多車、單車還是上下行均有多車，加強線對減小供電臂網(wǎng)壓壓降均有明顯的效果，可提升電壓水平約20%，供電臂內(nèi)列車越多，加強線對供電臂網(wǎng)壓的改善效果越顯著。但是并聯(lián)點距離的改變對接觸網(wǎng)壓降的影響較小，仿真計算的幾種工況，并聯(lián)點距離為2和0.2 km時，最大電壓降幾乎相同，首末端并聯(lián)與每隔 0.2 km并聯(lián)一次對壓降的影響差別也均在100 V以內(nèi)，所以，通過減小并聯(lián)點距離來改善供電臂電壓水平效果不明顯。

4 結(jié)語

本文通過對加強線的設(shè)置以及不同距離并聯(lián)點時的仿真計算，對加強線不同并聯(lián)距離對牽引網(wǎng)阻抗、接觸網(wǎng)載流能力以及牽引網(wǎng)電壓水平的影響作用進行了研究，分析了并聯(lián)點的設(shè)置對牽引供電系統(tǒng)供電能力的影響，對工程設(shè)計具有一定的借鑒意義。通過仿真分析可知，設(shè)置加強線可有效提高牽引供電系統(tǒng)供電能力，對降低牽引網(wǎng)阻抗，提高接觸網(wǎng)載流能力以及減小接觸網(wǎng)末端壓降均具有明顯效果。但是，不同因素受并聯(lián)點距離的影響也不盡相同，載流分配受并聯(lián)點距離的影響較大，供電臂電壓水平受并聯(lián)點距離的影響較小。

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

[2] 邢曉乾. 帶加強線的全并聯(lián)直接供電技術(shù)的研究[D]. 西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011.

[3] 鄧云川. 關(guān)于山區(qū)電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)問題的討論[J]. 電氣化鐵道（s1），2005：188-191.

[4] 李群湛，連級三，高仕斌. 高速鐵路電氣化工程[M]. 成都：西南交通大學(xué)出版社，2006.

[5] 王猛. AT所全并聯(lián)供電方式牽引網(wǎng)電壓損失分析[Z].中國鐵道學(xué)會鐵道電氣化牽引變電所最新技術(shù)學(xué)術(shù)研討會，2004.

A traction power supply simulation model is established by application of Matlab/Simulink on the basis of parallel multi-conductor theory for simulation and analysis of effects to the short circuit impedance of traction network, the current carrying capability of OCS as well as the voltage level of traction network. A conclusion is obtained that the different parallel distance between reinforcing line and OCS will create impact to the traction power supply capability, providing certain references to the engineering design.

Reinforcing line; parallel point; traction network; power supply capability

U223.5+2

B

1007-936X(2018)02-0020-04

2017-12-14

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.02.005

邢曉乾.中國鐵路設(shè)計集團有限公司，工程師，研究方向為牽引供電。