客运专线牵引供电系统电气特性的仿真研究

喻 奇，吴江涛

1 客运专线牵引供电系统的结构

客运专线采用供电距离长、供电能力强、牵引网电压损失小、对通讯干扰小的全并联AT牵引供电方式。其牵引网主要由接触悬挂、钢轨、正馈线构成，除此之外还有保护线、横向连接线和辅助连接，综合地线由信号专业设置。保护线（PW）与轨道（R）并联，同时在AT所内采用横向连线实现轨道、保护线和AT中点的连接。设置保护线的目的主要是为钢轨工作回流提供并联通道，减小钢轨中流动的电流，并可兼作闪络保护接地的作用。为了降低钢轨电位，提高信号轨道电路的工作可靠性，保障人身和设备安全，客运专线采用综合接地系统。

客运专线由于牵引电流非常大，为降低轨面电压，通常采用综合接地系统。上下行钢轨、保护线、综合地线每隔一定距离进行一次完全横向连接，钢轨只能通过扼流变压器（或空心线圈）中点接入综合接地系统。由于断轨检查的需要，该距离长度一般设置为1.5 km。回流线（或PW线）每500 m左右进行一次简单横向连接，并接入综合接地系统。客运专线牵引网结构示意图如图1所示。

图1 客运专线牵引网结构示意图

2 客运专线牵引供电系统的仿真模型

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220 kV进线和接地网，即可组建牵引变电所的仿真模型。

2.2 AT所模型

在MATLAB/SIMULINK中，没有现成可以利用的自耦变压器模型，由于AT变比为2∶1，可利用1∶1的单相双绕组变压器通过改变接线方式的方法将其改装成自耦变压器。自耦变压器的参数设置与单相双绕组变压器的参数设置相同，都是通过空载试验和短路试验确定其阻抗参数。分区所与AT所的仿真模型一样，只不过自耦变压器额定容量稍小一些。

2.3 AT牵引网模型

牵引网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集中参数模型—π型模型来建模，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阻。由于每条供电臂比较短，一般为30 km，因此并联导纳通常可以忽略。

在MATLAB/SIMULINK中，可以采用“Series RLC Branch”模块和“Mutual Inductance”模块搭建AT牵引网模型，并将其封装成模块。

3 MATLAB/SIMULINK仿真结果分析

甬台温客运专线实际参数见表1、表2。

表1 牵引变压器和自耦变压器参数表

表2 线路参数表

利用表1、表2参数进行短路试验，短路阻抗测试结果如图 2所示。客运专线采用综合接地系统，导致牵引网阻抗（即T-R短路阻抗）进一步降低。在AT段内，牵引网阻抗曲线整体趋势呈马鞍形增长。由于完全横向连接的影响，牵引网阻抗曲线在2个相邻完全横向连接之间也呈马鞍形增长。对T-F短路阻抗并无影响。

图2 客运专线牵引网短路阻抗特性图

以1列车在1个供电臂内运行为例，客运专线牵引网正常运行时电流分布示意图如图3所示。

图3 客运专线牵引网正常运行电流分布示意图

图4 客运专线牵引网正常运行T线电流分配关系图

如图4所示，在列车运行的AT段内，It1a/I与It1b/I在AT段内与短路点到牵引变电所的距离L呈线性关系。由于It2的电流方向在AT段内某位置发生反向，It2/I在AT段内与L呈分段线性。

图5 客运专线牵引网正常运行R线电流分配关系图

如图5所示，在列车运行的AT段内，Ir1a/I与Ir1b/I在2个相邻完全横向连接内与L呈线性关系，并呈此消彼长之势。由于Ir2的电流方向在 2个相邻完全横向连接内某位置发生反向，Ir2/I在2个相邻完全横向连接内与L呈分段线性，且Ir2相对负荷电流而言比较小。

图6 客运专线牵引网正常运行F线电流分配关系图

如图6所示，在列车运行的AT段内，上下行正馈线电流相同，并且与L呈线性关系，相对负荷电流而言，正馈线流过的电流比较小。

如图7所示，牵引网中流过保护线和综合地线的电流相对负荷电流而言很小，特别是综合地线流过的最大电流仅为负荷电流的8%。它们与负荷电流比值关系与Ir2类似。

图7 客运专线牵引网正常运行PW、GW线电流分配关系图

4 结束语

客运专线牵引网的电气特性决定供电系统的性能和经济技术指标。采用该仿真模型可以对客运专线牵引网电压损失、短路计算、钢轨电位情况进行仿真分析，能方便解决牵引供电系统设计问题。

[1]曹建猷.电气化铁道供电系统[M].中国铁道出版社，1993.

[2]高仕斌.高速铁路牵引供电系统新型保护原理研究[D].西南交通大学博士学位论文，2004.

[3]谭秀炳，等.交流电气化铁道牵引供电系统[M].西南交通大学出版社，2007.

[4]辛成山.AT供电系统等值电路推导方法[J].电气化铁道，1999，（1）：17-20，35.

[5]李自良，陈薇，党平，等.电气化铁道自耦变压器供电方式的原理分析[J].电气化铁道，1998，（3）：12-18.

[6]余心沪.铁路高速客运专线牵引供电系统工程设计原则研究与探讨[J].电气应用，2007，（2）：58-61.

[7]杨岗.客运专线综合接地系统方案研究[J].中国铁路，2006，（8）：33-35.

[8]杨振龙.V/X接线牵引变压器的研究和应用[J].电气化铁道，2004，（4）：12-15.

[9]张葛祥，李娜.MATLAB仿真技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2003.

[10]吴天明，谢小竹，彭彬.MATLAB电力系统设计与分析[M].北京：国防工业出版社，2004.