顧立新

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基于AT供電方式的長距離供電網(wǎng)絡(luò)分析

顧立新

對AT供電方式下長距離供電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電氣分析，以AT供電方式為基礎(chǔ)，采用貫通同相供電方案和電纜供電技術(shù)構(gòu)建長距離供電網(wǎng)絡(luò)，增加供電區(qū)間長度，減少牽引變電所數(shù)量；利用數(shù)學(xué)方式推導(dǎo)出供電網(wǎng)絡(luò)各電氣參數(shù)表達(dá)式，在Matlab仿真平臺(tái)搭建仿真模型，驗(yàn)證基于AT供電的長距離供電方式具有更強(qiáng)的供電能力。

AT供電；貫通同相供電；長距離供電；電氣分析

0 引言

目前，電氣化鐵路存在多種供電方式，如直接供電方式、BT供電方式、AT供電方式等。其中，AT供電方式具有可提高供電電壓、牽引網(wǎng)阻抗小、供電距離長、電壓損失和電能損失較小等優(yōu)點(diǎn)，適用于高速、重載鐵路[1]，是我國電氣化鐵路主流供電方式。本文基于采用55 kV AT供電方式的同相貫通供電方案，運(yùn)用長距離電纜供電技術(shù)，對其電氣特性進(jìn)行分析，以期進(jìn)一步提高牽引網(wǎng)供電能力，減少沿線牽引變電所數(shù)量，節(jié)省經(jīng)濟(jì)投資。

1 供電方案簡介

1.1 AT供電方式簡介[2]

AT牽引供電系統(tǒng)主要包括3種模式，第一種為55 kV模式，在牽引變電所內(nèi)以及接觸網(wǎng)上均設(shè)置AT，牽引變壓器中間不需要抽頭，降低制造難度；第二種為2×27.5 kV模式，牽引變電所二次側(cè)中間抽頭，并與鋼軌相連接，節(jié)約了一臺(tái)AT設(shè)備；第三種為新型AT供電方式，該方式下牽引變電所內(nèi)不設(shè)置AT，同時(shí)牽引變壓器不需中間抽頭，很大程度上降低了牽引變壓器的制造難度，同時(shí)省去了牽引變電所內(nèi)軌道-回流線的布置。

1.2 貫通同相供電方案簡介

現(xiàn)有的牽引供電方式保留了牽引變電所出口及分區(qū)所處的電分相，電分相的存在造成了供電斷點(diǎn)，使列車無法平滑取流，且電分相使用壽命短，可靠性差，運(yùn)行維護(hù)成本高。貫通同相供電通過在牽引變電所內(nèi)實(shí)施同相供電方案以及在分區(qū)所實(shí)施雙邊供電方案，可取消變電所出口及分區(qū)所處電分相，從而實(shí)現(xiàn)全線無分相貫通同相供電，其方案如圖1所示。

圖1 貫通同相供電方案示意圖

實(shí)現(xiàn)貫通同相供電方案的關(guān)鍵技術(shù)主要有[3]：

（1）牽引變電所采用組合式同相供電技術(shù)，以單相牽引變壓器結(jié)合同相補(bǔ)償裝置，在保證同相供電及負(fù)序治理的前提下，取消變電所出口處的電分相；

（2）牽引網(wǎng)采用新型雙邊供電技術(shù)，取消分區(qū)所處的電分相，同時(shí)在牽引饋線中串接電抗器，減小均衡電流及其對電力系統(tǒng)的影響，調(diào)整功率因數(shù)，保證牽引網(wǎng)電壓水平；

（3）運(yùn)用牽引網(wǎng)分段供電與測控技術(shù)，對供電臂進(jìn)行適當(dāng)分段，利用同步測量技術(shù)及時(shí)準(zhǔn)確地判斷牽引網(wǎng)故障類別與位置，迅速切除故障區(qū)間，將故障限制在最小范圍內(nèi)，減少對鐵路運(yùn)輸?shù)牟涣加绊憽?/p>

1.3 長距離供電技術(shù)簡介

長距離供電技術(shù)的基本思路是在接觸網(wǎng)并接架空或電纜供電線，并將牽引網(wǎng)合理劃分若干供電分段，長回路主要負(fù)責(zé)整個(gè)牽引網(wǎng)負(fù)荷的供電，短回路主要承擔(dān)供電段內(nèi)機(jī)車負(fù)荷[4]。長距離供電技術(shù)可以最大限度地減少分相，避免分相帶來的安全隱患；減少鐵路與公用電網(wǎng)接口，節(jié)省外部電源投資；利于實(shí)現(xiàn)少電無電地區(qū)的鐵路電氣化。其主要方案如圖2所示。

在圖2所示4種長距離供電方案的基礎(chǔ)上，還可以在牽引網(wǎng)末端串接直供回路或者AT，以減少電纜用量，提高資源利用率。

2 基于AT供電方式的長距離供電網(wǎng)絡(luò)

出于提高牽引網(wǎng)供電能力、增加供電距離以及節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本考慮，采用“電纜+AT+直供”的供電方案，如圖3所示。該方案基于“電纜+AT”供電方案，在其末端串接AT以及直供回路。在區(qū)域1中，電纜TC并接于接觸網(wǎng)C，電纜NC接入牽引網(wǎng)作為AT供電網(wǎng)絡(luò)的負(fù)饋線；區(qū)域2采用AT供電方式，串接于區(qū)域1末端，可減少電纜用量，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本；區(qū)域3采用直接供電方式，串接于整個(gè)牽引網(wǎng)最末端，亦可減少經(jīng)濟(jì)投資?！半娎|+AT”+“AT”+“直供”的供電方案可以在保證供電性能的前提下，減少投資，取得最大的成本效益。

2.1 等效模型

2.1.1 電纜參數(shù)

在“電纜+AT+直供”供電方案中，電纜采用雙芯電纜，截面積為240 mm2。由于電纜供電區(qū)間遠(yuǎn)小于600 km，為簡化分析，采用集中參數(shù)模型。為計(jì)算簡便，將雙芯電纜視作2根存在互阻抗的單芯電纜[5]，其與接觸網(wǎng)、鋼軌之間的互阻抗忽略不計(jì)，忽略金屬護(hù)套的影響，單根電纜芯線的等效模型如圖4所示。

圖4 單根電纜芯線等效模型

電纜芯線TC、NC的單位自阻抗、互阻抗取值如表1所示。

表1 電纜單位阻抗取值[6] W/km

2根電纜芯線之間不存在互容，所以單位等效電容取值為= 2.08×10-6F/km。

2.1.2 牽引網(wǎng)參數(shù)

在圖3所示供電方案中，定義接觸網(wǎng)C等效單位自阻抗為C；鋼軌T單位自阻抗為T；負(fù)饋線F單位自阻抗為F，三者之間的單位互抗為CT、TF、CF，且認(rèn)為F=C、TF=CT，上述各阻抗取值[7]如表2所示，忽略AT漏抗，并設(shè)鋼軌對地漏導(dǎo)為零。

表2 牽引網(wǎng)單位阻抗取值 W/km

2.1.3 “電纜+AT+直供”供電方案等效模型

根據(jù)上述參數(shù)，將“電纜+AT+直供”供電系統(tǒng)等效為如圖5所示模型，其中牽引變電所用恒壓源代替。

圖5 “電纜+AT+直供”供電系統(tǒng)等效模型

圖5所示等效模型中，將電纜芯線TC、NC、接觸網(wǎng)C、鋼軌T、負(fù)饋線F等效為阻抗模型，其取值如表1、表2所示。后續(xù)的電氣特性分析及仿真皆以該模型為基礎(chǔ)。

2.2 電流分布計(jì)算

“電纜+AT+直供”供電方案中，前段供電區(qū)間采用“電纜+AT”的供電方式，為簡便分析，該處選擇設(shè)置2個(gè)供電區(qū)間，第3供電區(qū)間選用無電纜AT供電方式，第4區(qū)間選用直接供電方式。其電流分布如圖6所示。

圖6 “電纜+AT+直供”供電系統(tǒng)電流分布示意圖

表3 第3、4供電區(qū)間電流分布表達(dá)式

機(jī)車位于第1供電區(qū)間，與位于第2區(qū)間時(shí)電流分布一致，所以主要分析機(jī)車位于第2供電區(qū)間時(shí)的電流分布情況。

對長回路進(jìn)行分析，可得

列出回路KCL方程

化解式（1）、式（2），可得

由于C>>TC，所以長回路電流主要流經(jīng)電纜TC，少部分流經(jīng)接觸線C，而電纜TC自阻抗很小，線上電壓損失較小，所以具有更長的供電距離。

對短回路進(jìn)行分析，各電流之間存在如下關(guān)系：

針對短回路AT12、AT13上下2個(gè)繞組回路，可列出其電壓降方程為

對第2供電區(qū)間電纜回路進(jìn)行分析，列出回路KCL方程為

化解式（8）得

令C-2CT=1，2T-CT=2，NC-TCNC=3，式（7）可以簡化為

（10）

代入上述電流之間的關(guān)系表達(dá)式，化解得電壓平衡方程式為

結(jié)合各電流之間的關(guān)系表達(dá)式，得到

代入電壓平衡方程式，解得

（12）

2.3 等效阻抗計(jì)算

化解式（14）得

因?yàn)镹C=TC，得

當(dāng)機(jī)車位于第3供電區(qū)間時(shí)，認(rèn)為CT=TF，則

當(dāng)機(jī)車位于第4供電區(qū)間時(shí)，

式中，為最左端牽引變電所到機(jī)車的距離，為牽引網(wǎng)等效阻抗。

“電纜+AT+直供”供電方式牽引網(wǎng)阻抗曲線如圖7、圖8所示。

從圖7、圖8可以看出，在電纜及AT供電區(qū)間，牽引網(wǎng)阻抗曲線呈馬鞍形，在進(jìn)入直供區(qū)間時(shí)，會(huì)發(fā)生一個(gè)微小跳變，其原因是直供區(qū)間前段AT供電區(qū)間取消了電纜，長回路等效單位阻抗增大，由于仿真模型區(qū)間數(shù)量較少，因此顯得突變較為嚴(yán)重。實(shí)際工程中由于電纜區(qū)間在整個(gè)牽引網(wǎng)中占絕對比重，該突變十分微小，增加仿真區(qū)間后，該突變近乎為零。

圖7 第3、4區(qū)間牽引網(wǎng)阻抗曲線

圖8 牽引網(wǎng)阻抗曲線

3 模型仿真分析及驗(yàn)證

3.1 電流分布驗(yàn)證

利用Simulink仿真平臺(tái)搭建“電纜+AT+直供”供電系統(tǒng)仿真模型，各元件參數(shù)如表1、表2所示，機(jī)車L用恒功率負(fù)載代替[9]，仿真電路如圖9所示。

圖9 “電纜+AT+直供”供電系統(tǒng)仿真模型

為驗(yàn)證電流分配關(guān)系，機(jī)車L恒功率取值為8+j8 MV·A，位于第2供電區(qū)間= 6 km處（每個(gè)區(qū)間取長度為10 km），仿真結(jié)果如表4所示。

表4 模型仿真電流模值表 A

（1）長回路電流分配關(guān)系驗(yàn)證。

理論分析：

仿真結(jié)果：

可以看出，長回路電流分配的仿真結(jié)果與其理論分析一致。

（2）短回路電流分配關(guān)系驗(yàn)證。

表5 機(jī)車位置變化時(shí)系統(tǒng)仿真電流模值

3.2 供電能力仿真

修改圖9仿真模型，增加“電纜+AT+直供”供電方案的供電區(qū)間數(shù)量，增加“電纜+AT”供電區(qū)間為10個(gè)，共計(jì)100 km，串接2個(gè)AT供電區(qū)間，總計(jì)20 km，末端串接直供區(qū)間10 km，分析牽引網(wǎng)電壓分布?？蛰d時(shí)，牽引網(wǎng)電壓（C-T）和電纜電壓（TC-NC）如表6所示。

表6 空載時(shí)牽引網(wǎng)電壓、電纜電壓分布

由表6可以看出，在新建線路“電纜+AT+直供”供電方案的“電纜+AT”供電區(qū)間中，牽引網(wǎng)電壓和電纜電壓逐步升高，在該供電區(qū)間末端，牽引網(wǎng)電壓抬升至28.56 kV，為額定電壓（27.5 kV）的1.039倍。牽引網(wǎng)電壓和電纜電壓的抬升與電纜電容密切相關(guān)，相同供電距離及牽引網(wǎng)阻抗參數(shù)條件下，電纜電容越大，電壓抬升越明顯。在AT供電區(qū)間以及直供區(qū)間，牽引網(wǎng)電壓不再抬升，隨著供電距離增加，其值會(huì)逐漸下降。

在上述仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，加入機(jī)車負(fù)載（恒功率負(fù)載），假設(shè)每個(gè)區(qū)間僅一臺(tái)機(jī)車運(yùn)行，其余參數(shù)保持不變，得到負(fù)載情況下各位置的牽引網(wǎng)電壓及電纜電壓如表7所示。

從表7可以看出，在牽引網(wǎng)負(fù)載情況下，距牽引變電所越遠(yuǎn)，牽引網(wǎng)電壓逐漸下降，在本節(jié)計(jì)算參數(shù)條件下，整個(gè)供電區(qū)間可以延伸至120 km，其末端電壓為21.74 kV，依舊滿足最低牽引電壓（20 kV）要求，可見“電纜+AT+直供”的供電方式具有更好的供電能力。

表7 負(fù)載時(shí)牽引網(wǎng)電壓、電纜電壓分布

4 結(jié)語

通過上述分析，可以看出“電纜+AT+直供”供電方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）提高了牽引網(wǎng)的供電能力，可以有效增加供電區(qū)間的長度，減少牽引變電所數(shù)量，減少土建投資成本；

（2）全線貫通供電，取消了分相，避免了列車速度損失，解決了一系列分相問題；

（3）3種供電方式混合使用可以節(jié)約電纜用量，可以進(jìn)一步對“電纜+AT”、“AT”以及“直供”3種不同供電方式供電區(qū)間的長度選擇進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便在牽引網(wǎng)電壓滿足牽引要求的前提下節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。

本文是基于“電纜+AT+直供”長距離供電方案的理論研究，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)在以下方面進(jìn)行進(jìn)一步的研究與探討：

（1）由于全線牽引所數(shù)量減少，甚至可能出現(xiàn)全線僅一個(gè)牽引所的極端情況，可以對該供電方式的可靠性作進(jìn)一步分析；

（2）與現(xiàn)有供電方式相比，由于采用電纜供電，接觸網(wǎng)投資成本增加，還需要對資金回收周期作進(jìn)一步研究。

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With electrical analysis of AT power supply mode based long distance power supply network, with AT power supply mode as the basis, with adoption of through co-phase power supply scheme and cable power supply technology, the long distance power supply network is established by means of through co-phase power supply scheme and cable power supply technology to form the long distance power supply network, lengthen the power supply section, lessen the quantity of traction substations; the simulation model is established on the Matlab simulation platform by means of mathematical mode to derive the expression formula of various electrical parameters of power supply network to verify that the AT power supply based long distance power supply mode has stronger power supply capability.

AT power supply; through co-phase power supply; long distance power supply; electrical analysis

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.05.005

U223.5+1

B

1007-936X(2018)05-0016-06

2018-01-09

顧立新.中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，助理工程師。