基于simulink的带加强线并联直供接触网故障电流方向仿真

李 勇

（武汉三相电力科技有限公司）

0 引言

本文以27.5kV直供线路故障电流为研究方向，介绍了并联直供27.5kV接触网的接线方式、供电方式以及接触网分布式参数情况，通过单行故障对接触网故障进行分析计算，通过此类方式可以使得末端并联开关进行故障的自动选线实现故障隔离，从而实现并联直供线路的接触网故障快速恢复。

1 并联带加强线直供线路结构简介

以单段接触网为例，上下行并联的牵引供电系统首段采用牵引变压器出口出线，利用供电线上网的模式，将上网线T接至接触网处，于末端分相前下网去分区所，中间采用接触网供电方式，沿铁路沿线上端架设，中间采用牵引供电系统采用27.5kV单相供电方式，并联直供线路上下行均采用同一电源供电，在末端采用所内开关并联的方式将上下行连接起来，上下行采用同相位电源连接，现行的接线方式采用此类方法，当一行发生故障时，由于接触网特殊结构使得线路发生上下行同跳的情况，因此无法实现接触网故障隔离。

如图1所示，为上下行并联直供接触网供电示意图。

图1 上下行并联直供接触网供电示意图

加强线是指在接触网外侧并联一段线路，起到降低线路阻抗的作用，从而提升线路功率，由于加强线并不是像接触网沿线全部架设，只有部分线路分段架设，因此当多段加强线同时存在时，线路无法区分是否为那一段加强线故障还是接触网故障。

2 故障电流仿真

目前电力系统常用仿真软件为ATP，PSCAD，MATLAB。ATP主要用来进行电磁暂态分析，主要针对于高频暂态，研究对象为行波大小和方向特征；PSCAD主要用来计算电力系统遭受扰动或者部分参数发生变化时对特征变量，对特征变量进行研究；MATLAB仿真主要采用其中模块MATLAB／simulink，其模块固定化，仿真时只需对固定模块进行参数设置即可进行输出结果。本文针对并联直供接触网故障电流方向进行判定，因此只需要采用模块化判定其故障工频方向即可。

2.1 仿真参数

接触网线路比较特殊，由于上下行采用单线供电，因此任意两根线之间存在自感和互感，当此线段不存在加强线时，简一模块化等效为两根T线两根R线，此时需要考虑四根线之间的自耦关系和互耦关系，考虑四根线的自身电感和电阻。当存在加强线时，此时需要考虑6根线之间的自耦和互耦关系，同时考虑6根线的自身电感和电阻。

自身电感电阻仿真参数如表1所示。

表1 线路自身电感电阻参数

表1为线路本身电感电阻参数，由于高压线路存在互感关系，以下为仿真互感参数。

互感仿真参数如表2所示。

表2 线路互感参数

以上为所有线路的等效参数模型：T1为接触网导线，R1为钢轨等效导线，J1为加强线等效导线，T2为并联另外一根接触网导线，R2为钢轨等效导线，J2为另外一行加强线等效导线，整理好模块参数即可进行故障的仿真。

2.2 仿真模型

对上述模块参数设定好以后即可进行故障的仿真，由于接触网接线方式的问题，在进行故障仿真时需先规定正方向后即可进行电流方向的仿真。规定所有设备朝向所为正方向，当线路中存在加强线时，以朝向牵引所方向为正方向。以下分别谈论不存在加强线时电流方向和存在一段加强线时电流方向和存在多段加强线时电流方向讨论。

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2.2.1不存在加强线时电流流向

针对于不存在加强线时以并联直供线路等效模型如图2所示。

图2 上下行并联直供不带加强线时等效模型

如图2所示，椭圆为监测电流线圈，箭头方向为线圈朝向。因此当K点发生接地故障时，故障行别电流朝向为牵引所为正，分区所为正。

2.2.2单段加强线时接触网故障电流流向

针对存在单段加强线时并联直供线路等效模型如图3所示。

图3 上下行并联直供带单段加强线故障位于接触网时等效模型

如图3所示，线路带一段加强线，指定线圈朝向箭头方向为正方向，故障点位于接触网上K点时，故障时牵引所电流方向为正，加强线电流为正，分区所设备电流方向为正。

如图4所示，线路带一段加强线，指定线圈朝向箭头方向为正方向，故障点位于加强线K点时，故障时牵引所电流方向为正，加强线电流反，分区所设备电流方向正，依据潮流计算，此时加强线上的故障电流远大于主线接触网电流。

图4 上下行并联直供带单段加强线时等效模型

2.2.4两段加强线时故障位于第二段加强线电流流向

针对存在两段加强线时并联直供线路等效模型如图5所示。

图5 上下行并联直供带多段加强线故障位于第二段时等效模型

如图5所示，线路带两段加强线，指定线圈朝向箭头方向为正方向，故障点位于加强线K点时，故障时牵引所电流方向为正，加强线（1）段电流正，加强线（2）段电流反，分区所设备电流方向正，同理可以用仿真求得两端加强线时当故障位于第一段加强线时和位于接触网时四处传感器的电流方向。

2.2.5两段加强线时电流流向

上下行并联直供带多段加强线故障位于第一段时等效模型如图6所示。

图6 上下行并联直供带多段加强线故障位于第一段时等效模型

如图6所示，线路带两段加强线，指定线圈朝向箭头方向为正方向，故障点位于加强线K点时，故障时牵引所电流方向为正，加强线（1）段电流反，加强线（2）段电流反，分区所设备电流方向正，同理可以用仿真求得两端加强线时当故障位于第一段加强线时和位于接触网时四处传感器的电流方向。

2.2.6两段加强线时电流流向

上下行并联直供带多段加强线故障位于接触网时等效模型如图7所示。

图7 上下行并联直供带多段加强线故障位于接触网时等效模型

如图7所示，线路带两段加强线，指定线圈朝向箭头方向为正方向，故障点位于加强线K点时，故障时牵引所电流方向为正，加强线（1）段电流反，加强线（2）段电流正，分区所设备电流方向正，同理可以用仿真求得两端加强线时当故障位于第一段加强线时和位于接触网时四处传感器的电流方向。

2.3 电流方向规律

对于参考正方向规定后，依据潮流定律，电流总是流向阻抗较小的区段，因此可依据此来进行故障区域的判定，表3为上述不同情况的故障电流方向情况。

表3 各种不同情况下电流流向规律总结

3 结束语

1）带加强线牵引供电系统通过以上理论可进行故障的区分与定位，当接触网段发生故障时，牵引所和分区所的电流方向总是反向：加强线段电流朝向与第一段牵引所设备电流朝向相反时，故障位于第一段加强线上；加强线段电流朝向与第一段牵引所设备电流朝向同且与第二段加强线设备电流朝向相反时，故障不位于第一段加强线上。

2）通过此类方法可完全解决牵引系统跳闸时故障区分，减少了接触网因故障停电时间，合理分配电能，大大减缓接触网故障运维时间。