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全并联AT牵引网建模与仿真

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高强

摘要：为了更好地分析全并联AT牵引网的正常运行以及异常情况，根据现场实际情况，并做一些合理的简化，在此基础上建立全并联AT牵引网的Simulink仿真模型，对仿真结果进行分析，得到牵引网正常空载及短路状况下电压及电流的状态值，验证了模型具有一定的准确性，可用来进一步计算，为继保整定提供数据，为馈线保护仿真模块奠定基础。

Abstract： Inorder to better analyze the normal operation and abnormal situation of thefully parallel AT traction network， according to the actual situation on thesite， and some reasonable simplifications， based on this， a Simulink simulationmodel of the fully parallel AT traction network is established， and thesimulation results are performed. After analysis， the voltage and current statevalues of the traction network under normal no-load and short-circuitconditions are obtained， which verifies that the model has certain accuracy andcan be used for further calculations， providing data for relay protectionsetting， and laying the foundation for the feeder protection simulation module.

關键词：全并联;AT牵引网;仿真模型;短路阻抗

Key words： fullparallel;AT traction network;simulation model;short-circuit impedance

中图分类号：U223 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文献标识码：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章编号：1006-4311（2020）06-0292-03

0 ?引言

在我国高速铁路不断发展的今天，铁路运量迅猛增加，这就要求牵引供电容量随之增加，因此，全并联AT供电方式被广泛采用。通过MATLAB/Simulink建立全并联AT牵引网仿真模型，并进行短路情况下的仿真，得到仿真结果。

1 ?全并联AT牵引网模型的建立

1.1 高压电源模型

牵引供电系统的高压电源是由电网的110kV或220kV系统提供[1]，一般地，普通电气化铁路接入的是110kV，而容量较大的高速或重载铁路接入的是220kV，这是由于220kV电压等级的供电能力更强。

在仿真模型中采用三相电压源模型来等效外部接入的220kV系统，在基准容量为100MVA、基准电压为230kV的情况下，某牵引变电所220kV侧电抗的标幺值为0.0304，则其电抗有名值为

1.2 牵引变压器模型

在牵引供电中，在地方电网引入的220kV电压要经过降压和分相的变换后才能供给牵引网，以便机车随时获取电能。这就需要一种不同于普通变电所应用的变压器，即牵引变压器。目前，实际现场中多采用四台单相变压器，通过V/X接线，组成牵引变压器，将三相220kV变成单相2×27.5kV[2]。在模型搭建时，采用两个“Linear Transformer”模块，每个模块有三个绕组，第一绕组为高压绕组，第二和第三绕组为低压绕组，两个“Linear Transformer”模块互联构成V/X接线的两个牵引变压器，为左右两供电臂提供电能，其容量均为40MVA。

根据变压器的实际参数，得到每个“Linear Transformer”模块需要设置的参数。第一绕组的电阻和电感的标幺值分别为0.0018和0.1484，第二绕组的电阻和电感的标幺值分别为0.0036和0.0375，第三绕组的电阻和电感的标幺值分别为0.0036和0.0375，励磁绕组的电阻和电感标幺值分别为1466.8和478.1。牵引变压器模型如图2所示。

1.3 牵引网模型

牵引网结构复杂，尤其是全并联AT牵引系统，其包含承力索、吊弦、接触线、正馈线、钢轨等，而钢轨直接与大地接触并相连接。为建模分析，忽略一些次要因素，将主要的导体分类，然后进行等效。将承力索—地回路、接触线—地回路与等效成T线，将钢轨—地回路、保护线—地回路等效成R线，将正馈线—地回路等效成F线。

根据电力系统的短线和长线的划分，100km以内的线路为短线，在等值时可采用“一”字等值，忽略对地的电导和电纳。每个供电臂长度一般为30-50km，其在等效模型时，不需考虑并联的导纳，但要计及其他近邻线路的互阻抗。搭建模型时，采用“Series RLC Branch”和“Mutual Inductance”两个模块互联来等效上行和下行的T线、R线、F线[3]。根据计算，上行和下行T线的自阻抗为（0.142+j0.5916）Ω/km，上行和下行R线的自阻抗为（0.099+j0.4411）Ω/km，上行和下行F线的自阻抗为（0.13+j0.717）Ω/km，上行T线和R线的互阻抗为（0.05+j0.3169）Ω/km，上行T线和F线的互阻抗为（0.05+j0.3143）Ω/km，上行F线和R线的互阻抗为（0.05+j0.3369）Ω/km，上行T线和下行T线的互阻抗为（0.05+j0.3283）Ω/km，上行R线和下行R线的互阻抗为（0.05+j0.3067）Ω/km，上行F线和下行F线的互阻抗为（0.05+j0.2653）Ω/km，上行T线和下行R线的互阻抗为（0.05+j0.2959）Ω/km，上行T线和下行F线的互阻抗为（0.05+j0.2665）Ω/km，上行R线和下行F线的互阻抗为（0.05+j0.2701）Ω/km。将采用“Series RLC Branch”和“Mutual Inductance”模块搭建完牵引网模型，并根据以上数据进行参数设置，再将其封装设置，这样就可以在外部直接设置其等效的线路长度。牵引网模型如图3所示。

1.4 AT变模型

AT供电方式最大的特点就是采用了AT变压器，在牵引网沿线每隔8-12km左右装设一台AT变压器，而在仿真元件库中没有指定的AT变模型，需要采用“Linear Transformer”模型通过连线获得，将其原边及副边的非同名端互联并引出抽头，用于接R线，原边的另一端用于接T线，副边的另一端用于接F线。其容量为20MVA，原边及副边绕组的电阻和电感标幺值分别为0.0015和0.0033，励磁电阻和电感标幺值分别为1318.5654和885.8131。AT变模型如图4所示。

1.5 短路控制模型

短路控制模型是由四个“Breaker”模块搭建而成，封装后的短路控制模型，通过控制端输入不同的值，来控制相关断路器的闭合，实现T-R、T-F、F-R短路。若短路控制模型控制输入端输入[1 1 0 0]，实现T-R短路;若短路控制模型控制输入端输入[1 0 1 0]，实现T-F短路;若短路控制模型控制输入端输入[0 1 1 0]，实现F-R短路。短路控制模型如图5所示。

1.6 全并联AT牵引网仿真模型

根据上述模块，搭建的全并联AT牵引网仿真模型如图6所示。一共设置了5个短路点，第一个位于牵引变电所出口，第二个位于牵引变电所与AT所之间，第三个位于AT所出口，第四个位于AT所与分区所之间，第五个位于分区所出口。附加的测量模块可以测量不同点的电压及电流有效值，便于直观查看各点电压和各线路中电流的大小，据此可对模型作进一步分析。

2 ?牵引网模型仿真

2.1 正常情况下牵引网仿真结果

本文研究的正常情况即空载状态下，将仿真时间设为0.5s，运行仿真后测得牵引变电所出口处T线电压为27.487kV，供电臂末端T线电压为27.485kV。因此得出了空载状态下T线上电压损失为0.002kV。全并联空载状态下，在上行T线中电流为0.3064A，在上行F线中电流为0.2797A，AT1与T线、R线、F线的连接线中测得电流接近于0，AT2与T线、R线、F线的连接线中测得电流也接近为0。

2.2 短路情况下牵引网仿真结果

在牵引变电所出口处T-R短路情况下，运行仿真后测得T线残压为0.1388kV，F线残压为4.1752kV。全并联短路状态下，在上行T线中电流为3.1897kA，在上行F线中电流为0.2850kA，AT1与T线的连接线中测得电流为0.5342kA，AT1与R线的连接线中测得电流为1.0684kA，AT1与F线的连接线中测得电流为0.5342kA，AT2与T线的连接线中测得电流为36.61A，AT2与R线的连接线中测得电流为73.25A，AT2与F线的连接线中测得电流为36.64A。在牵引变电所出口处T-F短路情况下，运行仿真后测得T线残压为37.598V，F线残压为37.591V。全并联短路状态下，在上行T线和F线中电流为1.88kA。

在AT所出口处T-R短路情况下，运行仿真后测得T线残压为6.8545kV，F线残压为7.2696kV。全并联短路状态下，在上行T线中电流为1.555kA，在上行F线中电流为1.2566kA，AT1与T线的连接线中测得电流为2.3553kA，AT1与R线的连接线中测得电流为4.7107kA，AT1与F线的连接线中测得电流为2.3553kA，AT2与T线的连接线中测得电流为161.47A，AT2与R线的连接线中测得电流为322.95A，AT2与F线的连接线中测得电流为161.48A。在AT出口处T-F短路情况下，运行仿真后测得T线残压为6.6447kV，F线残压为6.4716kV。全并联短路状态下，在上行T线和F线中电流分别为1.5021kA、1.3716kA。

3 ?结论

通过观察空载情况下的仿真结果，空载时牵引网上的压降比较小，与实际情况相符，所建模型基本正确。并得到了牵引网不同情况下的短路电流，为继保整定提供了基础数据，为研究馈线保护实时仿真模块奠定了基础。

本文將上下行钢轨分开等效，在现场运行时，上下行钢轨一直处于并联状态，若要研究上下行解列运行的情况，可要将上下行钢轨等效成一根R线，更接近运行情况，仿真结果会更加准确。

参考文献：

[1]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.

[2]赵长浩.全并联AT供电系统断线故障测距研究[D].西南交通大学，2018.

[3]窦雪薇.高速铁路牵引供电系统故障及继电保护系统的仿真研究[D].北京交通大学，2018.

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