高速铁路牵引供电系统等值电路与短路计算

2012-06-27魏光

电气化铁道 2012年2期

魏光

0 概述

国内电气化铁道采用单相工频交流电流制。为顺应客运高速化、货运重载化的趋势，采用AT供电方式。V,x接线变压器具有明显优势[1]，在客运专线及城际高速铁路中得到广泛应用。作为电气化铁道设计的基础计算，选取等值电路及计算短路电流对继电保护的整定、接地跨步电势的校验等起到关键性作用，有必要研究基于V,x接线的AT牵引供电系统等值电路及其短路计算。

文献[1-3]推导了纯单相接线、V,v接线、YN,d11接线、Scott接线、阻抗匹配平衡接线牵引变压器的数学模型，已成熟应用于电铁设计中。近年来，客运专线及城际铁路多采用V,x接线牵引变压器，尚无文献对其模型进行明确的推导。文献[1，2]推导了基于Carson理论的牵引网模型，文献[3]建立了基于多导体传输线的牵引网链式网络模型，计算繁杂，不利于工程设计及现场计算。在分析AT牵引供电系统等值电路时，一般忽略 AT漏抗[1，2]，导致计算结果不够准确。

结合工程实际，弃轻取重，本文建立了基于V,x接线的AT牵引供电系统等值电路，并给出了短路电流计算公式，为高速电铁的设计提供了理论依据。仿真计算与实测数据的对比验证了模型的正确性。

1 等值电路推导

1.1 电路模型

V,x接线变压器可看作由2个三绕组变压器连接而成。为简化起见，仅分析一侧供电臂的变压器等值电路。设绕组AB、TN、NF的匝数分别为ω1、ω2、ω3，且有ω2= ω3，k = ω1/ω2。其单臂结构及电气量参考方向设置如图1所示。

图1 V,x接线变压器原理图

由磁路定律可导出磁动势平衡方程：

忽略励磁支路，并考虑归算到2侧的电力系统阻抗，三绕组变压器近似等值电路如图2 a所示。

图2 V,x接线变压器等值电路图

由图2 a可得电压端口方程：

据式（3）可得如图2 b所示的Y型等值电路。其中

设AT变压器串联及公共绕组漏抗Xσ1= Xσ2，归算到低压侧的漏阻抗为ZAT= 0.5 Xσ1。ZAT可认为是接入自耦变压器中点的阻抗，负载或短路电流全部流过该阻抗，其值对系统的影响不能忽略。

设计中，往往先计算牵引网当量阻抗，在进行短路计算时，无需再重复计算。综上所述，AT牵引供电系统等值电路如图3所示。

图3 AT牵引供电系统等值电路图

1.2 参数计算

图3中所有参数均为归算到27.5 kV侧的值，此后不再赘述。设基准容量为100 MV·A，电力系统阻抗为

忽略电阻，牵引变压器漏抗为

其中

短路电压需归算到额定电流时的值，一般变压器厂家提供数据大多已经归算，若未归算，则：

自耦变压器阻抗为

2 短路计算

2.1 高压侧三相接地短路

当与电力系统配合设置保护时，需要高压侧三相接地短路电流，其值可由下式计算：

其中，UeH为高压侧额定电压，Zs*为电力系统阻抗标幺值。

2.2 牵引变电所近端短路

当发生27.5 kV侧T或F母线单相接地短路时，回流几乎全部流过N线，短路等效电路如图4a、4b所示；当发生TF线相间短路时，回流全部经过F线，短路等效电路如图4 c所示。

图4 牵引变电所近端短路等效电路图

由图4易得，27.5 kV母线单相接地、相间短路电流分别为

2.3 牵引网末端短路

在牵引网末端，当发生T或F线单相接地短路时，T或F线仅供给短路电流的一半，另一半由AT供给，钢轨不通过短路电流，短路等效电路如图5 a、5b所示；当发生TF线相间短路时，回流全部经过F线，短路等效电路如图5 c所示。

图5 牵引网末端短路等效电路图

由图5可得，牵引网末端短路电流为

其中，ZqT、ZqF分别为接触线与负馈线阻抗。

3 案例分析

对图 3所示的等值电路模型建立了基于Matlab/Simulink的仿真模型，并编制了基于LabVIEW的计算软件。负载采用100 Ω的恒阻模型，电力系统及牵引变压器参数采用如图6所示的某客运专线某牵引变电所实际参数，牵引网采用均匀分布参数，为简化起见，接触线、负馈线及钢轨单位阻抗均取0.3 Ω/km，供电臂设2个AT段，每个AT段10 km。仿真计算结果如图6所示。