纵向分段式全并联AT 牵引供电系统建模与仿真

陈海涛，熊列彬

0 引言

随着高铁技术的不断进步和经济社会的飞速发展，中国高速、重载电气化铁路进入迅速发展的关键时期。随着技术的不断进步和成熟，全并联AT 所主接线方案得到广泛研究和应用，目前投入运营的AT 所主接线方案主要分为2 类：大秦线及京津城际设计方案；福夏线及夏深线设计方案[1]。不管哪种接线方案，目前投入运营的全并联AT 牵引供电系统主要存在牵引网故障时，切除故障的方式都是统一跳开牵引变电所处断路器，然后解列全并联系统，再逐一重合闸排除故障。这样当牵引网上行或下行发生永久性故障时，将造成上行或下行全线停电，扩大停电范围；故障时供电方式由全并联AT 供电变为单线直接供电，降低供电可靠性，增大对沿线通信线路的干扰。因此，一种全新的纵向分段式全并联AT 所主接线方案被提出，它最大的优点就是故障发生时能减小停电范围，维持AT供电保证供电可靠性。研究纵向分段式全并联AT牵引供电系统结构，建立纵向分段式全并联AT 牵引供电系统仿真模型，得出短路故障时牵引变电所、AT 所和分区所阻抗特性，为继电保护的配置和整定提供依据，下文予以简单介绍。

1 AT 所主接线

纵向分段式全并联AT 所主接线如图1 所示[2]。

图1 纵向分段式全并联AT 所主接线图

该AT 所由4 台双极断路器和4 组电流互感器分别接入AT 供电方式复线电气化铁路上下行供电臂，与牵引变电所馈线双极断路器和末端分区所双极断路器一起，将供电臂分为4 个供电分区，每个分段双极断路器接入点设置由电压互感器、高压熔断器和隔离开关依次连接后构成的供电分区检压支路，该支路外侧在输电线路和地之间接有氧化锌避雷器，AT 所通过上网隔离开关和牵引网连接，AT 变压器通过双极断路器接入上下行牵引网并联母线，上下行牵引网并联母线间设置母线分段隔离开关。这样通过纵向分段式全并联AT 所构成的纵向分段式全并联AT 牵引供电系统如图2 所示。

图2 纵向分段式全并联AT 牵引供电系统示意图

由图2 可看出，在上下行牵引网AT 所处各增设1 组锚段关节，采用电动隔离开关操作方式，通过复线上下行供电臂连接，由AT 所处牵引网上绝缘锚段关节、相邻牵引变电所和分区所相配合，对供电臂进行供电分区，有效控制故障范围，平衡供电臂上下行的牵引负荷，保证继电保护的选择性和速动性，避免牵引网上故障时AT 变压器退出运行，并保证故障情况下供电能力。

2 AT 牵引供电系统仿真模型

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整个系统的电气性能，因此变电所模型中只考虑供电电源电压等级和牵引变压器。

纵向分段式全并联AT 牵引供电系统主要服务于高速客运专线，根据各方面电气性能指标，该牵引供电系统中牵引变压器的进线采用电力系统220 kV 等级作为供电电源[3]，因此在MATLAB/Simulink 中，可采用 SimPowerSystems 里面的“Three-Phase Source”模块作为供电电源仿真模型，见图3。

图3 供电电源模型及参数图

牵引变压器模型基于V/v牵引变压器原型[4，5]，用SimPowerSystems 里面的“Linear Transformer”模块作为牵引变压器模型元件，进行适当电气连接建立2×27.5 kV 的V/v 牵引变压器，见图4。

图4 牵引变压器模型及参数图

2.2 牵引网模型

纵向分段式全并联AT 供电牵引网是由馈电线、接触网、钢轨、大地和回流线构成的供电网总称。在尽量减小影响电气性能前提下可简化模型，将牵引网等值模型由6 根等值导线组成：上行接触网、钢轨、正馈线和下行接触网、钢轨、正馈线。承力索和接触线合并为接触网（T 线），回流线和钢轨合并为回流回路（R 线），正馈线为F 线。

根据MATLAB 里面提供的线路模型，可以用SimPowerSystems 里面的“Series RLC Branch”模块和“Mutual Inductance”模块分别表示导线的自阻抗和导线之间的互阻抗。根据全并联AT 牵引网原理及电气特性，牵引网模型可以简化为串联阻抗和并联导纳构成的集中参数模型，串联阻抗矩阵包括牵引网中各等值导线的自阻抗和各等值导线间的互阻抗，并考虑上下行间的互感，并联导纳忽略不计[6]。从而可搭建出全并联AT 牵引网仿真模型，如图5 所示。

图5 全并联AT 牵引网模型示意图

2.3 AT 所模型

纵向分段式全并联AT 牵引供电系统中AT 所模型关键在于AT 变压器的搭建和断路器元件的接入，根据自耦变压器的接线原理， AT 自耦变压器选用MATLAB/Simulink 中的单相双绕组饱和变压器模块“Saturable Transformer”，将自耦变压器一次绕组和二次绕组的异名端相连作为中性点与钢轨相接，剩下2 个端口分别连接接触网T 和馈线F，并根据纵向分段式AT 所得接线原理，分别在上下行接入断路器，其仿真模型及参数如图6 所示。

图6 AT 所模型及参数图

2.4 纵向分段式全并联AT 供电系统模型

根据纵向分段式全并联AT 牵引供电系统的运行原理，将已经建立的牵引变电所、AT 所、分区所和牵引网仿真模块进行合理的电气连接，从而建立整个系统的仿真模型（图略）。

3 各种短路故障时的阻抗特性

假设牵引变电所至分区所的距离为30 km，在牵引变电所和分区所之间设立一个AT 所，AT 所位于牵引变电所和分区所中间，即AT 所到牵引变电所距离为15 km，原理图如图7 所示。

图7 纵向分段式全并联AT 供电系统仿真原理图

3.1 牵引变电所处短路阻抗特性

在牵引变电所至分区所之间牵引网的不同位置设置金属性短路点，本仿真中每隔1 km 设置一次短路点。可以测得接触网与正馈线、接触网与钢轨、正馈线与钢轨短路时短路点距牵引变电所的距离与短路阻抗之间的关系曲线。3 种短路故障时阻抗特性曲线如图8 所示。

图8 牵引变电所处3 种短路阻抗曲线图

3.2 AT 所处短路阻抗特性

牵引网发生短路故障时，AT 所处同样可以测得接触网与正馈线、接触网与钢轨、正馈线与钢轨短路时短路点距牵引变电所的距离与短路阻抗之间的关系曲线，故障发生在牵引变电所至AT 所区段时，AT 所QF3（QF4）处阻抗特性图，如图9所示；故障发生在AT 所至分区所区段时，AT 所QF5（QF6）处阻抗特性，如图10 所示。

图9 牵引变电所至AT 所3 种短路故障AT 所处短路阻抗曲线图

图10 AT 所至分区所3 种短路故障AT 所处短路阻抗曲线图

3.3 分区所处短路阻抗特性

牵引网发生短路故障时，分区所处同样可以测得接触网与正馈线、接触网与钢轨、正馈线与钢轨短路时短路点距牵引变电所的距离与短路阻抗之间的关系曲线，如图11 所示。

图11 分区所处3 种短路阻抗曲线图

4 结语

本文分析了纵向分段式全并联AT 所主接线方案的特点，从中可以看出该主接线方案的最大优点是可有效控制事故范围，缩短停电距离。在该基础上建立了纵向分段式全并联AT 牵引供电系统的MATLAB/Simulink 仿真模型，尤其是纵向分段式全并联AT 所模型的建立对于仿真分析该供电系统特性起到了关键作用。最后，仿真得出了3 种短路故障时牵引变电所、AT 所和分区所处的短路阻抗特性，对于继电保护的配置有着指导意义。

[1] 鲍英豪，刘静.敞开式布置的AT 分区所主接线方案研究[J].电气化铁道，2012，（5）：12-14.

[2] 严希，邓云川.自耦变压器所（AT 所）主接线方案的探讨[J].电力电气化，2012，（1）：109-112.

[3] 张小瑜，吴俊勇.电气化铁路接入电力系统的电压等级问题[J].电网技术，2007，（4）31，（7）：12-17.

[4] 汪自成.高速铁路牵引变压器接线分析[J].电气化铁道2 万公里论文集：231-234.

[5] 楚振宇.牵引变压器接线形式的比较[J].电气化铁道2万公里论文集：154-161.

[6] 褚晓锐，胡可.基于MATLAB/Simulink 的客运专线牵引供电系统建模[J].铁路计算机应用，2008，（10），17（10）：12-14.