基于PSCAD的高速铁路全并联AT牵引供电系统短路故障仿真计算研究

窦雪薇,郎 兵,陈秀廷,刘 苹,马红学,赵 隽

(1.北京交通大学电气工程学院,北京 100044； 2.昆明铁路局昆明供电段,昆明 650100)

自《中长期铁路网规划》实施以来，我国高速铁路已成网运行，列车旅行时间大幅缩短[1]。在电气化铁路的发展进程中，供电方式除了直接供电外，牵引供电相继使用了BT供电、AT供电以及带架空回流线的直接供电方式等。在这几种供电方式中，AT供电方式具有供电能力强、对沿线的通信干扰小等优点，在我国高速铁路中普遍采用。AT供电方式具有牵引网络结构复杂，供电回路多等特点，因此对其搭建准确的仿真模型，通过仿真分析的方法来研究AT供电方式的供电特性十分必要。

牵引供电系统模型的搭建方法有多种，其中数学建模方式能比较准确地对其进行分析计算，但是需要使用编程语句来实现，从而使操作难度增大。使用Matlab/Simulink搭建的AT牵引供电系统仿真模型，不能直观表现出牵引供电系统的全部特性。PSCAD/EMTDC是目前使用最为广泛的电磁暂态分析程序[2-3]，其在电力系统暂态分析、故障分析及谐波分析等领域具有重要作用。

本文在对牵引供电特性分析的基础上，利用PSCAD/EMTDC，结合长昆高铁邓家山变电所至廖家田分区所供电区间实际系统的接线形式，搭建全并联AT牵引供电系统模型，对短路故障进行仿真计算。仿真数据和人工短路试验实测数据对比结果验证了该仿真模型能够准确地进行各种短路故障计算，有助于牵引供电系统故障分析及继电保护、故障测距的原理及技术方案的研究。

1 全并联AT牵引供电系统

全并联AT供电方式是由AT供电方式进一步发展而来的[4]，它的基本供电原理与AT供电方式相同，不过其在每个AT处采用横向联接(在工程中，保护线和钢轨可以在每一区段进行多处横向电联接)的方法将上、下行牵引网并联起来，来减少牵引网单位长度的阻抗，降低电压损耗，从而使供电能力增强，改善电能质量，降低钢轨电位。全并联AT供电方式牵引网包括接触线(T)、正馈线(F)、钢轨(R)、保护线(PW)、贯通地线(GW)以及横联线(CPW)[5-6]，其电气连接复杂，牵引电流流通路径更加多样，如图1所示。

图1 复线全并联AT供电示意

2 牵引供电系统元件仿真模型

2.1 外部电源模型

电力系统能够为电气化铁路供应高压电源，其电压是110 kV或220 kV，如图2所示。本文的电力系统电源使用参数包括序阻抗的三相电压源为模型，电压设置为220 kV[7-8]。本文研究内容为牵引网的电气特性，对外部电源简单建模，如图3所示。

图2 外部电源原理

图3 外部电源仿真模型

2.2 牵引变压器模型

牵引变电所主要有降压、分相以及供电的功能，牵引变压器为所内主要设备。牵引变压器可采用三相YNd11接线、Scott接线、V/X接线、V/V接线以及阻抗匹配平衡接线等不同接线方式。分体式V/X牵引变压器在AT牵引供电系统中普遍应用，该变压器由2台二次侧带中点抽头的单相牵引变压器组成[9]，如图4所示。在高速铁路供电系统中，在2台单相变压器外壳外部连线构成V/X接线方式，2台单相变压器之间由防火墙隔开。在PSCAD提供的变压器模型库中，该模型使用变压器磁路模型UMEC(Unified Magnetic Equivalent Circuit)[10]。该模型从变压器电磁转化的激励出发，很好的描述变压器的磁路特征，具有较高的仿真精度。本文使用2台单相三绕组变压器接线构成V/X接线牵引变压器，一次侧、二次侧额定电压设置为220 kV、27.5 kV，如图5所示。

图4 V/X接线牵引变压器原理

图5 V/X接线牵引变压器仿真模型

2.3 AT所、分区所模型

牵引供电系统采用AT供电方式时，在沿线每隔10～15 km设置1处AT所。通常在供电区间设置分区所以增加供电的灵活性，并且使运行可靠性提高。自耦变压器是AT所和分区所内部主要设备，如图6所示。仿真模型中将单相变压器的原边及次边绕组的非同名端相连，串联起来并抽出中点接于钢轨，从而构成自耦变压器模型，如图7所示。

图6 自耦变压器原理

图7 自耦变压器仿真模型

2.4 牵引网参数计算

牵引网是电气化铁路供电系统的重要组成部分，由接触网和轨地回路构成供电回路。AT供电方式下，牵引网主要由接触线，承力索，正馈线，钢轨，保护线以及贯通地线构成，其空间分布如图8所示。参数计算时，将2条钢轨合并归算成一条处于二者中间的等值钢轨，将承力索与接触线合并归算成一根等值接触线[11-13]，最终仿真模型中牵引网等效为相互平行的上、下行各5根导体(等值接触线、等值钢轨、正馈线、保护线、贯通地线)。结合各条导线的具体参数，计算出各条导体的单位长度自阻抗以及导体间单位长度互阻抗的数值。

图8 AT牵引网导线空间分布

导线-地回路等值自阻抗

(1)

式中

(2)

两条导线-地回路间的等值互阻抗

(3)

式中，r为导线有效电阻，Ω/km;Rε为导线等效半径,mm；f为电流频率,Hz;σ为大地电导率1/(Ω·cm);d12为两导线之间的距离,mm。

对于单链形悬挂的牵引网而言，接触线、承力索分别和大地构成回路。所以，需要把这两个回路归算，等效成单链形悬挂接触网-地回路。由Carson公式可以分别计算得到接触线自阻抗ZT、承力索自阻抗ZC以及导线间互阻抗ZCT。接触网-地回路等值自阻抗的计算公式为

z等值T=zCT+(zT-zCT)∥(zC-zCT)(Ω/km)

(4)

同理，将2根钢轨地回路等效成位于钢轨中间的一条等值的钢轨-地回路，其自阻抗计算公式为

式中,rR为钢轨有效电阻,Ω/km;Rε为钢轨等效半径mm;f为电流频率Hz;dRR′为两根钢轨两导线之间的距离,mm。

计算出自阻抗和互阻抗之后，将互阻抗分别折算到相应导线上，根据电抗值计算出对应的电感值，利用PSCAD/EMTDC建立单位长度的牵引网等效模型，如图9所示。在此基础上，根据实际长度设置牵引网长度并进行横联，每隔1 km设置接地电阻，由不同接地电阻值反映高架桥、隧道、路基等不同情况的影响。

3 牵引供电系统仿真

利用系统仿真元件针对长昆高速铁路邓家山变电所至廖家田分区所供电区间搭建的全并联AT高速铁路牵引供电系统仿真模型如图10所示。通过对模型中断路器的控制，可实现上下行全并联供电或上下行分开供电等不同供电模式的仿真。变电所至分区所供电臂全长29.975 km，其中变电所至AT所供电臂长为17.119 km。通过故障点的设置可以实现对牵引网及变电所母线发生的短路故障的仿真。模型运行总时间设置为0.4 s，0.24 s为故障发生时间。牵引供电系统实际参数如表1所示。

图9 牵引网单位长度仿真模型

图10 邓家山变电所至廖家田分区所供电区间牵引供电系统仿真模型

3.1 仿真计算数据

在上下行全并联供电模式下，设置故障位置为下行接触网29.02 km处，故障类型为F-R短路。电流波形见图11～图13。

图11 牵引变电所电流波形

图12 AT所电流波形

图13 分区所电流波形

图中，IT231和IF231为变电所上行馈电线电流，IT251和IF251为变电所下行馈电线电流，IR2为变电所吸上电流，IT231AT1和IF231AT1为AT所上行馈电线电流，IT251AT1和IF251AT1为AT所下行馈电线电流，IAT1为AT所吸上电流，IT231AT3和IF231AT3为分区所上行馈电线电流，IT251AT3和IF251AT3为分区所下行馈电线电流，IAT3为分区所吸上电流。

由仿真波形可以分析出，当F-R短路故障发生在下行牵引网末端时，短路处F线电流明显增大，短路电流由吸上线流回变电所、AT所以及分区所。因为采用上下行全并联供电方式，所以在牵引变电所处的上下行电流基本相同。整个供电区间短路电流分布如图14所示。

图14 仿真的短路电流分布(单位：A)

3.2 实测数据

全并联AT供电系统下行接触网29.202 km处发生F-R短路故障的实际测量波形见图15～图17。

图15 变电所电压、电流波形

图16 AT所电压、电流波形

图17 分区所电压、电流波形

整个供电区间实测短路电流分布如图18所示。

图18 实测电流分布(单位：A)

3.3 数据对比

将仿真数据和现场实测数据进行对比，结果见表2。可见仿真数据与实际数据大致吻合，满足工程需要。

3.4 故障测距计算

本文使用“横联线电流比”测距原理[14-15]对短路故障点进行定位测距。“横联线电流比”测距原理是通过计算故障点所在AT段两端所亭的横联线电流，由式(6)计算得到故障点位置X。T横联线电流ITH是上、下行馈线的T线电流和的平均值，F横联线电流IFH是上、下行馈线的F线电流和的平均值，D为故障点所在AT段的长度。

表2 仿真计算数据与实测数据对比

(6)

式中，由于故障点位于第二AT段，所以ITH1、IFH1为AT所横联线电流；ITH2、IFH2为分区所横联线电流。

根据仿真数据计算得故障点在第二AT段中的位置。

12.856=12.473km

最终，牵引变电所至故障点测算距离为

L=(17.119+12.473)km=29.592km

由表3可知，根据仿真得到的数据进行故障测距计算满足故障测距的要求，进一步验证了仿真数据的正确性。

表3 故障测距对比

其他故障类型数据处理与上文方法相同，不再赘述。由仿真波形、实测波形和仿真数据、实测数据的对比结果可得，该模型仿真结果基本符合实际线路短路试验实测值，满足故障测距的要求。除去实测测试中设备、测试方法及精度导致的误差，从工程角度出发，仿真数据和实测数据基本一致。

4 结语

通过分析全并联AT牵引供电系统的供电结构以及变电所、AT所、分区所的接线原理，利用PSCAD丰富的元件库，根据变电所及牵引网实际参数搭建了基于PSCAD/EMTDC的全并联AT牵引供电系统仿真模型，可针对系统的不同位置、不同类型的短路故障进行仿真计算，并与实测试验结果进行对比。对比结果表明，基于PSCAD/EMTDC搭建的高速铁路AT牵引供电系统仿真模型，能够准确地仿真供电系统中各种短路故障的电流大小以及故障电流分布情况，验证了该仿真模型的可行性与准确性，可用于实际对于牵引供电计算的故障分析中。仿真计算结果对于牵引供电系统继电保护装置的动作分析和故障测距装置测距计算具有重要意义。

[1] 中华人民共和国铁道部.铁路“十二五”发展规划[EB/OL].[2017-03-20].http:∥www.nra.gov.cn/ztzl/hyjc/ghfz/tlhygh/tlsewfzgh/.

[2] 孙彤，明立军.电力仿真软件PSCAD/EMTDC的应用[J].数字技术与应用，2013(5):135.

[3] 林良真，叶林.电磁暂态分析软件包PSCAD/EMTDC[J].电网技术，2000，24(1)：65-67

[4] 谭秀炳.交流电气化铁道牵引供电系统[M].3版.成都：西南交通大学出版社，2009.

[5] 李爱武，谢绍峰，牛鹏超，等.电气化铁道复线AT供电网络研究[J].铁道运营技术，2010，16(3)：44-47.

[6] 李群湛，郭锴，周福林.交流电气化铁路AT供电牵引网电气分析[J].西南交通大学学报，2012，47(1)：1-6.

[7] 周亚荣.牵引供电系统故障仿真模型及保护仿真的研究[D].北京：北京交通大学，2015.

[8] 王奇，刘志刚，白玮莉，等.基于PSCAD/EMTDC的牵引供电系统仿真模型研究[J].电力系统保护与控制，2009，37(16)：35-40.

[9] 赵滕.高速铁路全并联牵引网供电特性研究[D].北京：北京交通大学，2012.

[10] Manitoba HVDC Research Centre Inc. EMTDC Users Guide V4.2. Manitoba， Canada，2005.

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

[12] 辛成山.AT供电系统等值电路推导方法[J].电气化铁道，1999(1)：17-20.

[13] 马庆安.高速铁路AT供电若干问题的研究[D].成都：西南交通大学，2013.

[14] 王继芳.全并联供电牵引网故障测距研究[D].成都：西南交通大学，2006.

[15] 郭明杰，林国松，陈小川.基于横联线电流比原理的全并联AT牵引网故障测距装置[J].继电器，2006(22)：36-39.