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        電纜牽引供電方式電氣特性研究

        2012-06-22 06:45:00肖楚鵬張靖宇劉大崗
        電氣化鐵道 2012年4期
        關(guān)鍵詞:芯線饋電鋼軌

        肖楚鵬,張靖宇,劉大崗,夏 亮

        0 引言

        目前,國(guó)內(nèi)電氣化鐵路發(fā)展迅速,但多集中于中東部地區(qū)。而面積遼闊的西部及高原地區(qū),電氣化鐵路發(fā)展仍然薄弱。經(jīng)初步研究,電纜牽引供電方式凈空和絕緣要求低,牽引網(wǎng)供電臂長(zhǎng),而且電纜埋于地下,免維護(hù)性好,適用于西部及高原地區(qū)。而隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,電力電纜應(yīng)用日益普及,價(jià)格有一定程度的降低。因此,研究電纜牽引供電方式,對(duì)電氣化鐵路的建設(shè)和發(fā)展具有一定的意義。

        1 電纜牽引供電方式

        電纜牽引供電方式是一種新型的電氣化鐵路供電方式,該供電方式采用雙芯電力電纜沿鐵路線路埋設(shè),內(nèi)部芯線之一作為供電線與接觸線連接,另一芯線作為回流線與鋼軌連接,每隔5~10 km做一個(gè)分段,如圖1所示[1]。

        圖1 電纜牽引供電方式原理示意圖

        電纜牽引供電方式的饋電線和回流線在同一電纜中,間隔很小,使得互感系數(shù)很大。電力電纜的阻抗比接觸網(wǎng)和鋼軌的阻抗小得多,牽引電流和回流基本從電纜中流過(guò),電纜中 2根芯線電流相等,方向相反,二者形成的磁場(chǎng)互相抵消,對(duì)鄰近的通信線路干擾很小[2]。

        2 電纜供電方式牽引網(wǎng)電流分配

        電纜供電方式牽引網(wǎng)各區(qū)段電流分布見(jiàn)圖2。

        圖2 電纜供電方式牽引網(wǎng)各區(qū)段電流分布示意圖

        對(duì)有車區(qū)段(BC)列回路電壓方程和電流方程:

        解該方程組有:

        且有:

        對(duì)于無(wú)車區(qū)段,同樣可以建立電流和電壓方程:

        解方程組可得:

        3 電纜供電方式牽引網(wǎng)仿真模型

        牽引變電所的主要設(shè)備包括牽引變壓器、電壓互感器、電流互感器、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、避雷器等,由于仿真模型主要考慮電氣特性,變電所中的設(shè)備只考慮牽引變壓器以及牽引變電所110 kV進(jìn)線和接觸網(wǎng),即可組建牽引變電所的仿真模型。

        電纜牽引網(wǎng)仿真模型采用8根導(dǎo)線等值模型,其組成為上行接觸線(C1)、上行鋼軌(T1)、上行電纜饋線(F1)、上行電纜回流線(R1)和下行接觸線(C2)、下行鋼軌(T2)、下行電纜饋電線(F2)、下行電纜回流線(R2)。

        通過(guò)MATLAB/SIMULINK中的“Series RLC Branch”模塊和“Mutual Inductance”模塊,可以搭建電纜供電方式牽引網(wǎng)模型,并將其分裝成模塊。

        4 仿真模型分析結(jié)果

        仿真模型基本參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1和表2。

        表1 牽引變壓器參數(shù)表

        表2 線路參數(shù)表

        牽引網(wǎng)模型中,設(shè)置牽引網(wǎng)長(zhǎng)度100 km,每隔 10 km將電纜饋線和回流線分別與接觸線和鋼軌橫向并聯(lián)并進(jìn)行分段。

        4.1 牽引網(wǎng)短路阻抗分析

        根據(jù)表 1和表 2中參數(shù),取電纜截面為240 mm2,對(duì)牽引網(wǎng)進(jìn)行短路仿真,得出測(cè)試結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,由于電纜饋電線和回流線與牽引網(wǎng)接觸線和鋼軌并聯(lián),可以使?fàn)恳W(wǎng)阻抗大大降低,效果明顯。短路阻抗整體趨勢(shì)呈馬鞍形增長(zhǎng),同時(shí)不同橫連分段的短路阻抗相差不大。因此,在工程應(yīng)用中,電纜分段距離可以稍大,取10 km分段可以滿足工程精度需要。

        圖3 電纜牽引網(wǎng)短路阻抗曲線圖

        4.2 電流分配系數(shù)

        4.2.1 無(wú)車區(qū)間電流分配系數(shù)

        根據(jù)仿真模型,對(duì)牽引網(wǎng)無(wú)車區(qū)段接觸線和電纜饋線電流之比(分流系數(shù))進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果如圖4所示,可以看出隨著電纜截面的增大,電纜阻抗降低,電纜傳輸?shù)碾娏髟絹?lái)越大。當(dāng)電纜截面為240 mm2時(shí),電纜電流為接觸線電流的3.496 8倍,可以大大降低電能的損耗,提高供電能力。

        圖4 無(wú)車區(qū)間電流分配系數(shù)圖

        4.2.2 有車區(qū)間電流分配系數(shù)

        在有車區(qū)間內(nèi),固定車輛取流位置(93.3 km),當(dāng)電纜芯線面積變化時(shí),接觸線中的電流要大于電纜饋電線的電流,而且跟電纜芯線截面的關(guān)系不大(見(jiàn)圖 5)。因?yàn)樵谟熊噮^(qū)間內(nèi),車輛電流由取流點(diǎn)前后接觸線提供電流,電纜中的電流主要為取流點(diǎn)遠(yuǎn)離變電所接觸線中的電流。

        圖5 有車區(qū)間電流分配系數(shù)圖

        4.2.3 車輛位置變化時(shí)電流分配系數(shù)

        在牽引網(wǎng)仿真模型中,以10 km為分段區(qū)間,電纜芯線截面為240 mm2,當(dāng)車輛位于分段區(qū)間不同位置時(shí),電流分配系數(shù)如圖6所示。由圖6可知,車輛越靠近分段區(qū)間起點(diǎn)時(shí),接觸線中電流越大;反之,越靠近分段區(qū)間終點(diǎn),電纜中電流越大。

        圖6 車輛位置變化時(shí)電流分配系數(shù)圖

        由上述仿真結(jié)果可知,電纜牽引供電方式中電纜饋電線和回流線與接觸線和鋼軌的并聯(lián)將大大增強(qiáng)牽引網(wǎng)的供電能力,在正常工作條件下,大部分電流將從電纜饋電線和回流線中流過(guò),降低了接觸線和鋼軌電流,從而降低鋼軌電位,減小對(duì)沿線通信的干擾影響。

        4.3 牽引網(wǎng)壓降

        4.3.1 牽引網(wǎng)空載電壓仿真結(jié)果

        設(shè)置牽引網(wǎng)供電臂為 100 km,電纜截面為240 mm2。從圖7可以看出,由于電纜的容性效應(yīng),線路空載時(shí),牽引網(wǎng)電壓有一定程度的升高。如采用不同截面的電纜,容抗有所增加,電容電流進(jìn)一步加大時(shí),可通過(guò)靜態(tài)或動(dòng)態(tài)補(bǔ)償來(lái)降低線路空載電壓的升高。

        圖7 牽引網(wǎng)空載時(shí)電壓分布圖

        4.3.2 牽引網(wǎng)負(fù)載電壓仿真結(jié)果

        設(shè)置牽引網(wǎng)供電臂為100 km,機(jī)車取流點(diǎn)為90 km處,負(fù)載大小為8+j0.8 MV·A,電纜截面為240 mm2。測(cè)試結(jié)果如圖8所示,從該圖可以看出,負(fù)荷點(diǎn)位于90 km處時(shí),電壓降最大,相對(duì)額定電壓降幅為8.545%,但電壓仍在合格范圍內(nèi)。

        圖8 牽引網(wǎng)負(fù)載時(shí)電壓分布圖

        從上述仿真可以看出,電纜供電方式供電能力較強(qiáng),在長(zhǎng)達(dá)100 km的供電臂末端,其牽引網(wǎng)電壓降在允許范圍內(nèi)。相比于直接供電和AT供電方式,這是一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn),適用于國(guó)內(nèi)西部地區(qū)尤其青藏等高原地區(qū)。

        5 結(jié)論

        本文研究了電纜牽引供電方式,對(duì)牽引網(wǎng)電氣參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,通過(guò)MATLAB/SIMULINK仿真實(shí)驗(yàn),仿真分析了牽引網(wǎng)短路阻抗、電流分配系數(shù)、牽引網(wǎng)空載和負(fù)載條件下的供電能力等電氣特性。牽引網(wǎng)的電氣特性決定其供電系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。通過(guò)該文的研究分析,可以為電纜牽引供電方式的工程應(yīng)用提供參考。

        [1]李群湛,賀建閩.牽引供電系統(tǒng)分析[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2007.

        [2]李群湛,易東,賀建閩.交流電氣化鐵路牽引電纜供電系統(tǒng)分析[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2011,(4).

        [3]王健石.電線電纜實(shí)用技術(shù)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2004.

        [4]喻奇,高仕斌,桑丙玉.計(jì)入保護(hù)線影響的 AT牽引網(wǎng)等值電路推導(dǎo)[J].電氣化鐵道,2009,(2).

        [5]刑曉乾.帶加強(qiáng)線的全并聯(lián)直接供電方式研究[D].西南交通大學(xué)碩士論文,2011.

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