加强线并联点的设置对牵引供电能力的影响

邢晓乾



加强线并联点的设置对牵引供电能力的影响

邢晓乾

基于平行多导线原理利用Matlab/Simulink建立牵引供电系统仿真模型，仿真分析加强线对牵引网短路阻抗、接触网载流能力以及牵引网电压水平的作用，得出了加强线与接触网不同的并联距离对牵引供电能力产生影响的结论，对工程设计具有一定借鉴作用。

加强线；并联点；牵引网；供电能力

0 引言

随着我国铁路建设的发展，电气化铁路里程快速增加，预计到2020年，全国铁路营业里程将达到15万km，其中高速铁路3万km，电气化率达到70%左右。速度目标值为350 km/h的高速铁路均采用AT供电方式，250 km/h的高速铁路部分采用AT供电方式，部分采用带回流线的直接供电方式，普速电气化铁路一般采用带回流线的直接供电方式，重载铁路一般采用AT供电方式[1]。

受所亭位置选择、牵引变电所共用、山区铁路坡度大以及供电臂较长等因素影响[2]，越来越多的电气化铁路增设了加强线，部分高速铁路预留了远期增设加强线的条件。但加强线与接触悬挂如何连接才能最大限度地发挥供电能力，目前尚未进行深入系统地研究。

1 加强线设置现状

表1、表2为部分已经建成和在建铁路加强线的设置情况。由表1、表2可知，加强线已应用在既有普速铁路、高速铁路及重载铁路等各类电气化铁路中，但加强线与接触线并联点的设置距离不尽相同，从首末端并联到间隔200 m并联等各种并联点设置距离均有。

表1 部分已经建成铁路加强线设置情况

2 仿真模型的建立

本文主要对牵引供电系统的供电能力进行研究，在仿真模型中仅考虑220 kV电源、牵引变压器和牵引网，忽略对供电能力影响较小的一些辅助系统设备[3]。

搭建带回流线的直接供电方式牵引网模型。带回流线的直接供电方式的牵引网一般由承力索、接触线、加强线、回流线等组成，加强线与接触线通过横向连接线连接。本文基于平行多导线原理搭建与实际相近的牵引网模型。

通过Matlab搭建仿真模型如图1所示。

表2 部分在建铁路加强线设置情况

图1 带回流线的直接供电方式牵引网仿真模型

利用仿真模型计算牵引网阻抗，并将仿真计算结果与利用卡森公式计算结果进行对比，如图2。可以看出，2条曲线非常近似，误差在允许范围内，验证了仿真模型的有效性。

图2 仿真曲线与理论计算曲线对比

3 加强线并联点设置对供电能力的影响

牵引网阻抗、接触网载流能力以及牵引网电压水平是影响牵引供电能力的3个重要因素，也是受加强线影响的3个主要参数。本文主要对这3个因素进行系统的仿真计算和分析。

3.1 牵引网阻抗

牵引网阻抗是牵引网供电计算的重要参数之一。计算牵引网阻抗主要用于计算牵引网的电压损失和确定牵引网中的短路电流，还可用于计算牵引网的电能损失、轨中电流以及钢轨电压等。牵引网阻抗由接触网、回流线、轨道、大地回路的阻抗组成。不同结构的牵引网和不同的供电方式，其牵引网阻抗组成也不相同[4]。下面对带回流线的直接供电方式的牵引网阻抗进行研究，着重分析加强线并联点不同设置距离对牵引网阻抗的影响。

图3所示为不设加强线和设置加强线牵引网阻抗的比较，图4为在设置加强线的基础上，加强线和接触线每隔0.2、2、6、12、24 km并联一次的仿真计算图形。

由图3可以看出，通过设置加强线可以有效减小牵引网阻抗，短路点到牵引变电所的距离越长，牵引网阻抗减小越明显，加强线的效果越显著。

图3 不设与设置加强线的牵引网阻抗比较

由图4可以看出，当只有首末端并联，即并联点距离为24 km时，短路阻抗最大；随着并联点距离分别缩减为12、6以及2 km时，短路阻抗均有明显减小，但是当并联点距离由2 km缩减至 0.2 km时，短路阻抗减小并不明显，短路阻抗的曲线近似重合；不论并联点距离为0.2、2、6、12还是24 km，相同的并联点短路阻抗均相同。

图4 设置不同并联点加强线的牵引网阻抗比较

选择一组典型数据进行分析，以短路点距离牵引变电所20 km为例，牵引网阻抗见表3。由表3可知，与图3和图4的情况一致，通过设置加强线可以大幅减小牵引网阻抗，加强线与接触线并联距离越小，牵引网阻抗越小，并联距离为12、6、2 km时，可以略减小牵引网阻抗，但是当并联点距离从2 km缩减到0.2 km时，牵引网阻抗变化则较小。

表3 短路点距离牵引变电所20 km时的牵引网阻抗

3.2 接触网载流能力

接触网的载流能力需要满足其传输的电流大小，这是牵引供电系统必须保证的。客货列车往往采用双机牵引，牵引电流较大，尤其是坡度较大区段。高速铁路具有牵引负荷大、受电时间长等特点，其追踪间隔一般为近期4 min，远期3 min，牵引负荷集中特征明显，牵引电流较大。

当采用带回流线的直接供电方式时，接触网的载流能力则成为限制牵引供电能力的主要因素。当供电臂较长或机车牵引电流较大，经计算接触网不能满足载流需求时，可通过增设加强线分担接触网的部分电流。

当采用AT供电方式时，典型供电臂内接触悬挂及正馈线的选择能够满足近期4 min追踪间隔的需求；远期3 min追踪间隔时，接触悬挂20 min载流能力处于临界状态或不能满足需求，供电臂首个AT段可预留增设加强线条件。下文分别对上下行不同列车的工况进行接触网电流分配仿真计算。

（1）列车运行在上行1、12、24 km处时，接触网的电流分配如表4所示。

表4 仅上行有车的接触网分流系数

（2）列车运行在上行1、12、24 km和下行1、 24 km处时，接触网的电流分配如表5所示。

表5 上行多车下行少车的接触网分流系数

（3）列车运行在上行1、12、24 km和下行1、12、24 km处时，接触网的电流分配如表6所示。

表6 上、下行均多车的接触网分流系数

表4—表6分别为仅在上行有车、上下行均有车但上行车多、上下行均多车时，接触悬挂和加强线的电流分配系数的比较。可以看出，因接触网上下行为并联，不论上下行是否均有车，上下行接触网均会分担一部分电流；不论上下行列车以何种排列运行，设置加强线均可以有效减小接触网的载流；不同位置并联点加强线的分流能力不同，分流系数大约在10%～30%之间；并联点的设置距离越小，加强线的分流能力越强，当并联点距离从24 km缩减到2 km时，加强线的分流能力增加10%～15%，但是当并联点距离从2 km缩减至0.2 km时，加强线的分流能力增加不到1%，此时分流能力提高并不明显。

3.3 牵引网电压水平

当列车驶过时，系统电压分别降落在3个区间：电力供电系统，牵引变压器，牵引网[5]。列车对牵引网电压水平有一定要求，要求工作电压在29～19 kV范围内。牵引网电压水平影响机车牵引力和列车运行速度，以至直接影响区段的通过能力和运输量。在工程设计中，针对不同铁路的具体条件，可采取适当缩短供电臂长度、降低牵引网阻抗、提高功率因数、采用阻抗电压低的牵引变压器等措施提高网压。

增设加强线是一种提高牵引网末端电压的有效措施。本文通过仿真计算评估加强线对提高牵引网电压的效果。

图5、图6分别为中间并联和首末端并联时供电臂的电压分布。

图5 中间并联时供电臂的电压分布

图6 首末端并联时供电臂的电压分布

由图5、图6可知，不论采用何种并联方式，牵引网最大压降均为距离变电所最远处的机车电压，因此比较牵引变电所最远处机车的电压降即可分析供电臂的电压水平。表7—表9为各工况下供电臂电压水平。

表7 上、下行各运行2列车的供电臂电压水平

表8 上行运行2列车、下行无车的供电臂电压水平

表9 仅上行运行一列车的供电臂电压水平

由表7—表9可知，不论上行有多车、单车还是上下行均有多车，加强线对减小供电臂网压压降均有明显的效果，可提升电压水平约20%，供电臂内列车越多，加强线对供电臂网压的改善效果越显著。但是并联点距离的改变对接触网压降的影响较小，仿真计算的几种工况，并联点距离为2和0.2 km时，最大电压降几乎相同，首末端并联与每隔 0.2 km并联一次对压降的影响差别也均在100 V以内，所以，通过减小并联点距离来改善供电臂电压水平效果不明显。

4 结语

本文通过对加强线的设置以及不同距离并联点时的仿真计算，对加强线不同并联距离对牵引网阻抗、接触网载流能力以及牵引网电压水平的影响作用进行了研究，分析了并联点的设置对牵引供电系统供电能力的影响，对工程设计具有一定的借鉴意义。通过仿真分析可知，设置加强线可有效提高牵引供电系统供电能力，对降低牵引网阻抗，提高接触网载流能力以及减小接触网末端压降均具有明显效果。但是，不同因素受并联点距离的影响也不尽相同，载流分配受并联点距离的影响较大，供电臂电压水平受并联点距离的影响较小。

[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] 邢晓乾. 带加强线的全并联直接供电技术的研究[D]. 西南交通大学硕士学位论文，2011.

[3] 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（s1），2005：188-191.

[4] 李群湛，连级三，高仕斌. 高速铁路电气化工程[M]. 成都：西南交通大学出版社，2006.

[5] 王猛. AT所全并联供电方式牵引网电压损失分析[Z].中国铁道学会铁道电气化牵引变电所最新技术学术研讨会，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

邢晓乾.中国铁路设计集团有限公司，工程师，研究方向为牵引供电。