带加强线的全并联直供电气特性研究

邢晓乾

0 引言

随着国内铁路建设的发展，以速度目标值200 km/h及以上双线电气化铁道为代表的大运量、高标准线路建设逐步由中东部平原、丘陵地区向西部山区推进。平原、丘陵地区多采用AT供电方式，但对于山区电气化铁路，由于具有运行速度低、坡道大（往往为一面坡）、桥隧比例高、所址选择困难等特点，AT供电方式牵引变电设施较多，站前土建工程较大，运营维护难度也较大[1]。为解决该矛盾，通过初步分析认为，带加强线的全并联供电方式在解决供电的同时，较AT供电方式节约大量资金，是解决山区大坡道大负荷供电需求的较为经济有效的供电方式。

1 带加强线全并联供电系统的结构

带加强线的全并联供电系统牵引网主要由接触线、钢轨、回流线、加强线构成，除此之外还有横向连接线和辅助连接等[2]。加强线和接触线并联，每隔一定的间隔通过横向连接线连接起来。上下行钢轨、回流线每隔一定距离进行一次横向连接，钢轨只能通过扼流变压器（或空心线圈）中点和回流线连在一起。由于段轨检查的需要，该距离长度一般设置为1.5 km。上下行的接触悬挂也要每隔一段距离连接一次，构成全并联系统。带加强线的全并联直接供电系统可以实现接触网的低阻抗，减少电压损失和增强供电能力，改善供电质量[3]。

在山区铁路瞬时负荷和平衡负荷差别很大的情况下，V/v接线的安装容量并不具有明显优势，故在电力系统较为薄弱，运量不是很大的大坡道山区电气化铁路中，平衡变压器仍是很好的选择[4]。

2 带加强线全并联直供系统的仿真模型

2.1 牵引变电所模型

牵引变电所的主要设备包括牵引变压器、电压互感器、电流互感器、断路器、隔离开关、避雷器等，由于仿真模型主要考虑电气特性，变电所中的设备只考虑牵引变压器以及牵引变电所110 kV进线和接触网，即可组建牵引变电所的仿真模型。

2.2 带加强线的直供牵引网模型

牵引网从整体上看都是多导线传输线，拓扑结构是一个链式网络结构，每条供电臂的线路模型可以用包含串联阻抗矩阵和并联导纳矩阵的分布参数来建模，串联阻抗矩阵包含导线的自阻抗和导线之间的互阻抗。并联导纳矩阵包含导线之间或导线对地电容和漏电抗[5]。

带加强线的直接供电方式牵引网仿真模型采用8根导线等值模型，其组成为上行接触线（T1）、上行钢轨（R1）、上行加强导线（A1）、上行回流线（NF1）和下行接触线（T2）、下行钢轨（R2）、下行加强导线（A2）、下行回流线（NF2）。

在MATLAB/SIMULINK中，可以采用“Series RLC Branch”模块和“Mutual Inductance”模块搭建带加强线的全并联直供牵引网模型，并将其分装成模块。

3 MATLAB/SIMULINK仿真结果分析

基本参数设置见表1、表2。

表1 牵引变压器参数表

表2 线路参数表

3.1 牵引网短路阻抗分析

利用表1、表2参数进行短路试验，短路阻抗测试结果如图1所示。由图1可以看出，加强线的作用较为明显，可以使牵引网阻抗（即T-R短路阻抗）降低。加强线与接触线之间连接间隔不同，牵引网短路阻抗也不同，连接间隔越小，T-R短路阻抗也就越小。在全并联区间内，牵引网阻抗曲线整体趋势呈马鞍形增长。由于横向连接的影响，牵引网阻抗曲线在 2个相邻的横向连接之间也呈马鞍形增长。

3.2 牵引网电流分配关系

以1列车在1条供电臂内运行为例，带加强线的全并联直供系统中牵引网正常运行时接触线电流分布示意图如图2所示。

图1 牵引网短路阻抗特性图

图2 带加强线的全并联直供牵引网正常运行电流分配示意图

在列车运行的并联区间内，It1a/I和It1b/I与短路点到牵引变电所的距离L呈线性关系，并呈此消彼长之势。It2/I在全并联区间内也呈线性关系，且相对负荷电流而言比较小。由于横向连接的影响，It1a/I、It1b/I、It2/I在相邻的 2个横向连接之间均呈马鞍形增长，如图3所示。

图3 牵引网正常运行时T线电流分配关系图

在列车运行的并联区间内，Ia1/I和Ia2/I与短路点到牵引变电所的距离L呈线性关系，并呈此消彼长之势，在并联点处上下行电流相等。由于横向连接的影响，Ia1/I和Ia2/I在2个相邻的横向连接之间均呈马鞍形增长，如图4所示。

图4 牵引网正常运行时加强线电流分配关系图

在列车运行的并联区间内，Ir1a/I与 Ir1b/I在2个相邻的横向连接内与短路点到牵引变电所的距离L呈线性关系，并呈此消彼长之势。Ir2/I在2个相邻的横向连接内也呈线性关系，且相对负荷电流而言比较小，如图5所示。

图5 牵引网正常运行时R线电流分配关系图

上下行的回流线电流在列车运行的并联区间内呈此消彼长之势，在相邻的横向连接内变化趋势是相同的，并且都呈线性关系，相对负荷电流而言，回流线流过的电流比较小，如图6所示。

图6 牵引网正常运行回流线电流分配关系图

4 结束语

随着渝利线的开工，成九线、云桂线等一大批高标准、大负荷山区电气化铁路项目的启动，结构简单、经济有效的带加强线的全并联供电方式体现出了极大的优越性，因此，对带加强线的全并联供电方式进行系统分析和研究，解决工程实施中的技术“短板”，具有强烈的必要性和紧迫性。

牵引网的电气特性决定其供电系统的性能和经济技术指标。采用该仿真模型可以对带加强线的全并联直接供电系统牵引网的电压损失、阻抗特性、电流分布情况进行仿真分析，能方便解决牵引供电系统设计问题。

[1]李群湛，贺建闵.牵引供电系统分析[M].成都：西南交通大学出版社，2007.

[2]石瑞霞.牵引网故障数字仿真系统[D].西南交通大学硕士学位论文，2007.

[3]李群湛，汪永宁.直接供方式及其回流网的技术指标分析[J].铁道学报，1991，（3）：40-47.

[4]邓云川.关于山区电气化铁道牵引供电系统问题的讨论[J].电气化铁道，2万公里论文集，2005z：188-191.

[5]王继芳，高仕斌.全并联AT供电牵引网短路故障分析[J].电气化铁道，2005，（4）：20-23.