基于simulink的帶加強線并聯(lián)直供接觸網(wǎng)故障電流方向仿真

李 勇

（武漢三相電力科技有限公司）

0 引言

本文以27.5kV直供線路故障電流為研究方向，介紹了并聯(lián)直供27.5kV接觸網(wǎng)的接線方式、供電方式以及接觸網(wǎng)分布式參數(shù)情況，通過單行故障對接觸網(wǎng)故障進行分析計算，通過此類方式可以使得末端并聯(lián)開關進行故障的自動選線實現(xiàn)故障隔離，從而實現(xiàn)并聯(lián)直供線路的接觸網(wǎng)故障快速恢復。

1 并聯(lián)帶加強線直供線路結(jié)構(gòu)簡介

以單段接觸網(wǎng)為例，上下行并聯(lián)的牽引供電系統(tǒng)首段采用牽引變壓器出口出線，利用供電線上網(wǎng)的模式，將上網(wǎng)線T接至接觸網(wǎng)處，于末端分相前下網(wǎng)去分區(qū)所，中間采用接觸網(wǎng)供電方式，沿鐵路沿線上端架設，中間采用牽引供電系統(tǒng)采用27.5kV單相供電方式，并聯(lián)直供線路上下行均采用同一電源供電，在末端采用所內(nèi)開關并聯(lián)的方式將上下行連接起來，上下行采用同相位電源連接，現(xiàn)行的接線方式采用此類方法，當一行發(fā)生故障時，由于接觸網(wǎng)特殊結(jié)構(gòu)使得線路發(fā)生上下行同跳的情況，因此無法實現(xiàn)接觸網(wǎng)故障隔離。

如圖1所示，為上下行并聯(lián)直供接觸網(wǎng)供電示意圖。

圖1 上下行并聯(lián)直供接觸網(wǎng)供電示意圖

加強線是指在接觸網(wǎng)外側(cè)并聯(lián)一段線路，起到降低線路阻抗的作用，從而提升線路功率，由于加強線并不是像接觸網(wǎng)沿線全部架設，只有部分線路分段架設，因此當多段加強線同時存在時，線路無法區(qū)分是否為那一段加強線故障還是接觸網(wǎng)故障。

2 故障電流仿真

目前電力系統(tǒng)常用仿真軟件為ATP，PSCAD，MATLAB。ATP主要用來進行電磁暫態(tài)分析，主要針對于高頻暫態(tài)，研究對象為行波大小和方向特征；PSCAD主要用來計算電力系統(tǒng)遭受擾動或者部分參數(shù)發(fā)生變化時對特征變量，對特征變量進行研究；MATLAB仿真主要采用其中模塊MATLAB／simulink，其模塊固定化，仿真時只需對固定模塊進行參數(shù)設置即可進行輸出結(jié)果。本文針對并聯(lián)直供接觸網(wǎng)故障電流方向進行判定，因此只需要采用模塊化判定其故障工頻方向即可。

2.1 仿真參數(shù)

接觸網(wǎng)線路比較特殊，由于上下行采用單線供電，因此任意兩根線之間存在自感和互感，當此線段不存在加強線時，簡一模塊化等效為兩根T線兩根R線，此時需要考慮四根線之間的自耦關系和互耦關系，考慮四根線的自身電感和電阻。當存在加強線時，此時需要考慮6根線之間的自耦和互耦關系，同時考慮6根線的自身電感和電阻。

自身電感電阻仿真參數(shù)如表1所示。

表1 線路自身電感電阻參數(shù)

表1為線路本身電感電阻參數(shù)，由于高壓線路存在互感關系，以下為仿真互感參數(shù)。

互感仿真參數(shù)如表2所示。

表2 線路互感參數(shù)

以上為所有線路的等效參數(shù)模型：T1為接觸網(wǎng)導線，R1為鋼軌等效導線，J1為加強線等效導線，T2為并聯(lián)另外一根接觸網(wǎng)導線，R2為鋼軌等效導線，J2為另外一行加強線等效導線，整理好模塊參數(shù)即可進行故障的仿真。

2.2 仿真模型

對上述模塊參數(shù)設定好以后即可進行故障的仿真，由于接觸網(wǎng)接線方式的問題，在進行故障仿真時需先規(guī)定正方向后即可進行電流方向的仿真。規(guī)定所有設備朝向所為正方向，當線路中存在加強線時，以朝向牽引所方向為正方向。以下分別談論不存在加強線時電流方向和存在一段加強線時電流方向和存在多段加強線時電流方向討論。

設計意圖：教師借助立體模型和模式圖進行新知識的教學后，利用抽象性更強的平面簡圖進行變式評價和總結(jié)。類比生活常識，利用啟發(fā)式講授，理清細胞核—遺傳信息—生命活動的聯(lián)系，分析核質(zhì)之間的邏輯關系，落實重要概念：控制遺傳代謝，再升華到結(jié)構(gòu)功能觀，使學生螺旋式掌握概念，實現(xiàn)發(fā)展核心素養(yǎng)的目標。

2.2.1不存在加強線時電流流向

針對于不存在加強線時以并聯(lián)直供線路等效模型如圖2所示。

圖2 上下行并聯(lián)直供不帶加強線時等效模型

如圖2所示，橢圓為監(jiān)測電流線圈，箭頭方向為線圈朝向。因此當K點發(fā)生接地故障時，故障行別電流朝向為牽引所為正，分區(qū)所為正。

2.2.2單段加強線時接觸網(wǎng)故障電流流向

針對存在單段加強線時并聯(lián)直供線路等效模型如圖3所示。

圖3 上下行并聯(lián)直供帶單段加強線故障位于接觸網(wǎng)時等效模型

如圖3所示，線路帶一段加強線，指定線圈朝向箭頭方向為正方向，故障點位于接觸網(wǎng)上K點時，故障時牽引所電流方向為正，加強線電流為正，分區(qū)所設備電流方向為正。

如圖4所示，線路帶一段加強線，指定線圈朝向箭頭方向為正方向，故障點位于加強線K點時，故障時牽引所電流方向為正，加強線電流反，分區(qū)所設備電流方向正，依據(jù)潮流計算，此時加強線上的故障電流遠大于主線接觸網(wǎng)電流。

圖4 上下行并聯(lián)直供帶單段加強線時等效模型

2.2.4兩段加強線時故障位于第二段加強線電流流向

針對存在兩段加強線時并聯(lián)直供線路等效模型如圖5所示。

圖5 上下行并聯(lián)直供帶多段加強線故障位于第二段時等效模型

如圖5所示，線路帶兩段加強線，指定線圈朝向箭頭方向為正方向，故障點位于加強線K點時，故障時牽引所電流方向為正，加強線（1）段電流正，加強線（2）段電流反，分區(qū)所設備電流方向正，同理可以用仿真求得兩端加強線時當故障位于第一段加強線時和位于接觸網(wǎng)時四處傳感器的電流方向。

2.2.5兩段加強線時電流流向

上下行并聯(lián)直供帶多段加強線故障位于第一段時等效模型如圖6所示。

圖6 上下行并聯(lián)直供帶多段加強線故障位于第一段時等效模型

如圖6所示，線路帶兩段加強線，指定線圈朝向箭頭方向為正方向，故障點位于加強線K點時，故障時牽引所電流方向為正，加強線（1）段電流反，加強線（2）段電流反，分區(qū)所設備電流方向正，同理可以用仿真求得兩端加強線時當故障位于第一段加強線時和位于接觸網(wǎng)時四處傳感器的電流方向。

2.2.6兩段加強線時電流流向

上下行并聯(lián)直供帶多段加強線故障位于接觸網(wǎng)時等效模型如圖7所示。

圖7 上下行并聯(lián)直供帶多段加強線故障位于接觸網(wǎng)時等效模型

如圖7所示，線路帶兩段加強線，指定線圈朝向箭頭方向為正方向，故障點位于加強線K點時，故障時牽引所電流方向為正，加強線（1）段電流反，加強線（2）段電流正，分區(qū)所設備電流方向正，同理可以用仿真求得兩端加強線時當故障位于第一段加強線時和位于接觸網(wǎng)時四處傳感器的電流方向。

2.3 電流方向規(guī)律

對于參考正方向規(guī)定后，依據(jù)潮流定律，電流總是流向阻抗較小的區(qū)段，因此可依據(jù)此來進行故障區(qū)域的判定，表3為上述不同情況的故障電流方向情況。

表3 各種不同情況下電流流向規(guī)律總結(jié)

3 結(jié)束語

1）帶加強線牽引供電系統(tǒng)通過以上理論可進行故障的區(qū)分與定位，當接觸網(wǎng)段發(fā)生故障時，牽引所和分區(qū)所的電流方向總是反向：加強線段電流朝向與第一段牽引所設備電流朝向相反時，故障位于第一段加強線上；加強線段電流朝向與第一段牽引所設備電流朝向同且與第二段加強線設備電流朝向相反時，故障不位于第一段加強線上。

2）通過此類方法可完全解決牽引系統(tǒng)跳閘時故障區(qū)分，減少了接觸網(wǎng)因故障停電時間，合理分配電能，大大減緩接觸網(wǎng)故障運維時間。