基于AT供电方式的长距离供电网络分析

顾立新



基于AT供电方式的长距离供电网络分析

顾立新

对AT供电方式下长距离供电网络进行电气分析，以AT供电方式为基础，采用贯通同相供电方案和电缆供电技术构建长距离供电网络，增加供电区间长度，减少牵引变电所数量；利用数学方式推导出供电网络各电气参数表达式，在Matlab仿真平台搭建仿真模型，验证基于AT供电的长距离供电方式具有更强的供电能力。

AT供电；贯通同相供电；长距离供电；电气分析

0 引言

目前，电气化铁路存在多种供电方式，如直接供电方式、BT供电方式、AT供电方式等。其中，AT供电方式具有可提高供电电压、牵引网阻抗小、供电距离长、电压损失和电能损失较小等优点，适用于高速、重载铁路[1]，是我国电气化铁路主流供电方式。本文基于采用55 kV AT供电方式的同相贯通供电方案，运用长距离电缆供电技术，对其电气特性进行分析，以期进一步提高牵引网供电能力，减少沿线牵引变电所数量，节省经济投资。

1 供电方案简介

1.1 AT供电方式简介[2]

AT牵引供电系统主要包括3种模式，第一种为55 kV模式，在牵引变电所内以及接触网上均设置AT，牵引变压器中间不需要抽头，降低制造难度；第二种为2×27.5 kV模式，牵引变电所二次侧中间抽头，并与钢轨相连接，节约了一台AT设备；第三种为新型AT供电方式，该方式下牵引变电所内不设置AT，同时牵引变压器不需中间抽头，很大程度上降低了牵引变压器的制造难度，同时省去了牵引变电所内轨道-回流线的布置。

1.2 贯通同相供电方案简介

现有的牵引供电方式保留了牵引变电所出口及分区所处的电分相，电分相的存在造成了供电断点，使列车无法平滑取流，且电分相使用寿命短，可靠性差，运行维护成本高。贯通同相供电通过在牵引变电所内实施同相供电方案以及在分区所实施双边供电方案，可取消变电所出口及分区所处电分相，从而实现全线无分相贯通同相供电，其方案如图1所示。

图1 贯通同相供电方案示意图

实现贯通同相供电方案的关键技术主要有[3]：

（1）牵引变电所采用组合式同相供电技术，以单相牵引变压器结合同相补偿装置，在保证同相供电及负序治理的前提下，取消变电所出口处的电分相；

（2）牵引网采用新型双边供电技术，取消分区所处的电分相，同时在牵引馈线中串接电抗器，减小均衡电流及其对电力系统的影响，调整功率因数，保证牵引网电压水平；

（3）运用牵引网分段供电与测控技术，对供电臂进行适当分段，利用同步测量技术及时准确地判断牵引网故障类别与位置，迅速切除故障区间，将故障限制在最小范围内，减少对铁路运输的不良影响。

1.3 长距离供电技术简介

长距离供电技术的基本思路是在接触网并接架空或电缆供电线，并将牵引网合理划分若干供电分段，长回路主要负责整个牵引网负荷的供电，短回路主要承担供电段内机车负荷[4]。长距离供电技术可以最大限度地减少分相，避免分相带来的安全隐患；减少铁路与公用电网接口，节省外部电源投资；利于实现少电无电地区的铁路电气化。其主要方案如图2所示。

在图2所示4种长距离供电方案的基础上，还可以在牵引网末端串接直供回路或者AT，以减少电缆用量，提高资源利用率。

2 基于AT供电方式的长距离供电网络

出于提高牵引网供电能力、增加供电距离以及节约经济成本考虑，采用“电缆+AT+直供”的供电方案，如图3所示。该方案基于“电缆+AT”供电方案，在其末端串接AT以及直供回路。在区域1中，电缆TC并接于接触网C，电缆NC接入牵引网作为AT供电网络的负馈线；区域2采用AT供电方式，串接于区域1末端，可减少电缆用量，节约经济成本；区域3采用直接供电方式，串接于整个牵引网最末端，亦可减少经济投资。“电缆+AT”+“AT”+“直供”的供电方案可以在保证供电性能的前提下，减少投资，取得最大的成本效益。

2.1 等效模型

2.1.1 电缆参数

在“电缆+AT+直供”供电方案中，电缆采用双芯电缆，截面积为240 mm2。由于电缆供电区间远小于600 km，为简化分析，采用集中参数模型。为计算简便，将双芯电缆视作2根存在互阻抗的单芯电缆[5]，其与接触网、钢轨之间的互阻抗忽略不计，忽略金属护套的影响，单根电缆芯线的等效模型如图4所示。

图4 单根电缆芯线等效模型

电缆芯线TC、NC的单位自阻抗、互阻抗取值如表1所示。

表1 电缆单位阻抗取值[6] W/km

2根电缆芯线之间不存在互容，所以单位等效电容取值为= 2.08×10-6F/km。

2.1.2 牵引网参数

在图3所示供电方案中，定义接触网C等效单位自阻抗为C；钢轨T单位自阻抗为T；负馈线F单位自阻抗为F，三者之间的单位互抗为CT、TF、CF，且认为F=C、TF=CT，上述各阻抗取值[7]如表2所示，忽略AT漏抗，并设钢轨对地漏导为零。

表2 牵引网单位阻抗取值 W/km

2.1.3 “电缆+AT+直供”供电方案等效模型

根据上述参数，将“电缆+AT+直供”供电系统等效为如图5所示模型，其中牵引变电所用恒压源代替。

图5 “电缆+AT+直供”供电系统等效模型

图5所示等效模型中，将电缆芯线TC、NC、接触网C、钢轨T、负馈线F等效为阻抗模型，其取值如表1、表2所示。后续的电气特性分析及仿真皆以该模型为基础。

2.2 电流分布计算

“电缆+AT+直供”供电方案中，前段供电区间采用“电缆+AT”的供电方式，为简便分析，该处选择设置2个供电区间，第3供电区间选用无电缆AT供电方式，第4区间选用直接供电方式。其电流分布如图6所示。

图6 “电缆+AT+直供”供电系统电流分布示意图

表3 第3、4供电区间电流分布表达式

机车位于第1供电区间，与位于第2区间时电流分布一致，所以主要分析机车位于第2供电区间时的电流分布情况。

对长回路进行分析，可得

列出回路KCL方程

化解式（1）、式（2），可得

由于C>>TC，所以长回路电流主要流经电缆TC，少部分流经接触线C，而电缆TC自阻抗很小，线上电压损失较小，所以具有更长的供电距离。

对短回路进行分析，各电流之间存在如下关系：

针对短回路AT12、AT13上下2个绕组回路，可列出其电压降方程为

对第2供电区间电缆回路进行分析，列出回路KCL方程为

化解式（8）得

令C-2CT=1，2T-CT=2，NC-TCNC=3，式（7）可以简化为

（10）

代入上述电流之间的关系表达式，化解得电压平衡方程式为

结合各电流之间的关系表达式，得到

代入电压平衡方程式，解得

（12）

2.3 等效阻抗计算

化解式（14）得

因为NC=TC，得

当机车位于第3供电区间时，认为CT=TF，则

当机车位于第4供电区间时，

式中，为最左端牵引变电所到机车的距离，为牵引网等效阻抗。

“电缆+AT+直供”供电方式牵引网阻抗曲线如图7、图8所示。

从图7、图8可以看出，在电缆及AT供电区间，牵引网阻抗曲线呈马鞍形，在进入直供区间时，会发生一个微小跳变，其原因是直供区间前段AT供电区间取消了电缆，长回路等效单位阻抗增大，由于仿真模型区间数量较少，因此显得突变较为严重。实际工程中由于电缆区间在整个牵引网中占绝对比重，该突变十分微小，增加仿真区间后，该突变近乎为零。

图7 第3、4区间牵引网阻抗曲线

图8 牵引网阻抗曲线

3 模型仿真分析及验证

3.1 电流分布验证

利用Simulink仿真平台搭建“电缆+AT+直供”供电系统仿真模型，各元件参数如表1、表2所示，机车L用恒功率负载代替[9]，仿真电路如图9所示。

图9 “电缆+AT+直供”供电系统仿真模型

为验证电流分配关系，机车L恒功率取值为8+j8 MV·A，位于第2供电区间= 6 km处（每个区间取长度为10 km），仿真结果如表4所示。

表4 模型仿真电流模值表 A

（1）长回路电流分配关系验证。

理论分析：

仿真结果：

可以看出，长回路电流分配的仿真结果与其理论分析一致。

（2）短回路电流分配关系验证。

表5 机车位置变化时系统仿真电流模值

3.2 供电能力仿真

修改图9仿真模型，增加“电缆+AT+直供”供电方案的供电区间数量，增加“电缆+AT”供电区间为10个，共计100 km，串接2个AT供电区间，总计20 km，末端串接直供区间10 km，分析牵引网电压分布。空载时，牵引网电压（C-T）和电缆电压（TC-NC）如表6所示。

表6 空载时牵引网电压、电缆电压分布

由表6可以看出，在新建线路“电缆+AT+直供”供电方案的“电缆+AT”供电区间中，牵引网电压和电缆电压逐步升高，在该供电区间末端，牵引网电压抬升至28.56 kV，为额定电压（27.5 kV）的1.039倍。牵引网电压和电缆电压的抬升与电缆电容密切相关，相同供电距离及牵引网阻抗参数条件下，电缆电容越大，电压抬升越明显。在AT供电区间以及直供区间，牵引网电压不再抬升，随着供电距离增加，其值会逐渐下降。

在上述仿真结果的基础上，加入机车负载（恒功率负载），假设每个区间仅一台机车运行，其余参数保持不变，得到负载情况下各位置的牵引网电压及电缆电压如表7所示。

从表7可以看出，在牵引网负载情况下，距牵引变电所越远，牵引网电压逐渐下降，在本节计算参数条件下，整个供电区间可以延伸至120 km，其末端电压为21.74 kV，依旧满足最低牵引电压（20 kV）要求，可见“电缆+AT+直供”的供电方式具有更好的供电能力。

表7 负载时牵引网电压、电缆电压分布

4 结语

通过上述分析，可以看出“电缆+AT+直供”供电方案具有以下优点：

（1）提高了牵引网的供电能力，可以有效增加供电区间的长度，减少牵引变电所数量，减少土建投资成本；

（2）全线贯通供电，取消了分相，避免了列车速度损失，解决了一系列分相问题；

（3）3种供电方式混合使用可以节约电缆用量，可以进一步对“电缆+AT”、“AT”以及“直供”3种不同供电方式供电区间的长度选择进行优化设计，以便在牵引网电压满足牵引要求的前提下节约经济成本。

本文是基于“电缆+AT+直供”长距离供电方案的理论研究，实际应用中应在以下方面进行进一步的研究与探讨：

（1）由于全线牵引所数量减少，甚至可能出现全线仅一个牵引所的极端情况，可以对该供电方式的可靠性作进一步分析；

（2）与现有供电方式相比，由于采用电缆供电，接触网投资成本增加，还需要对资金回收周期作进一步研究。

[1] 曹建猷. 电气化铁道牵引供电系统[M]. 北京：中国铁道出版社，1983.

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

[3] 李群湛. 论新一代牵引供电系统及其关键技术[J]. 西南交通大学学报，2014，49（4）：559-568.

[4] 王猛. AT所全并联供电方式牵引网电压损失分析[C]. 中国铁道学会，2005.

[5] 郭鑫鑫，李群湛，解绍锋，等. 电气化铁路高压电缆牵引网电气特性研究[J]. 电力自动化设备，2015，35（12）：132-137.

[6] 王辉，易东，郭鑫鑫，等. 电缆牵引供电系统工频过电压传播特性研究[J]. 电气化铁道，2016，27（1）：1-5.

[7] 李爱武，解绍锋，牛朋超，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.

[8] 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.

[9] 王洪帅，徐青山，袁宇波. 电气化铁路AT牵引供电方式电流分布的理论计算及仿真[J]. 江苏电机工程，2011，30（4）：34-38.

With electrical analysis of AT power supply mode based long distance power supply network, with AT power supply mode as the basis, with adoption of through co-phase power supply scheme and cable power supply technology, the long distance power supply network is established by means of through co-phase power supply scheme and cable power supply technology to form the long distance power supply network, lengthen the power supply section, lessen the quantity of traction substations; the simulation model is established on the Matlab simulation platform by means of mathematical mode to derive the expression formula of various electrical parameters of power supply network to verify that the AT power supply based long distance power supply mode has stronger power supply capability.

AT power supply; through co-phase power supply; long distance power supply; electrical analysis

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.05.005

U223.5+1

B

1007-936X(2018)05-0016-06

2018-01-09

顾立新.中国铁路设计集团有限公司，助理工程师。