陳夢琪，李華偉，陳富偉，李善穎，曹天植，吳 濤

導(dǎo)線對地電容對牽引供電仿真的影響分析

陳夢琪，李華偉，陳富偉，李善穎，曹天植，吳 濤

為定量分析導(dǎo)線對地電容對牽引供電仿真的影響，通過MATLAB/SIMULINK建立具體仿真算例，說明了部分電容對牽引網(wǎng)電壓電流的影響。最后定量給出了電容對牽引供電系統(tǒng)仿真計算的影響，為工程計算提供了更準確的依據(jù)。

牽引供電系統(tǒng)；鏡像法；對地電容；仿真模型

0 引言

電氣化鐵路是一種特殊的大功率單相負荷，具有牽引功率大、波動大、非線性、沖擊性和不對稱性等特點，這就造成了電力系統(tǒng)三相的嚴重不平衡。國內(nèi)外的研究學(xué)者在牽引供電系統(tǒng)的阻抗參數(shù)計算[1～3]、牽引網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型建立[4～6]、牽引網(wǎng)暫穩(wěn)態(tài)仿真[7～11]等方面做了大量的研究工作，而對多導(dǎo)線系統(tǒng)對地電容的影響沒有做定量分析。

本文通過Carson公式計算線路參數(shù)，最后利用MATLAB/SIMULINK建立考慮導(dǎo)線對地電容與不考慮導(dǎo)線對地電容的牽引網(wǎng)仿真模型，定性并定量分析了導(dǎo)線對地電容對牽引供電系統(tǒng)的影響，為工程計算提供了更加準確的依據(jù)。

1 牽引網(wǎng)穩(wěn)態(tài)仿真分析

仿真實驗以單鏈形直接供電方式的牽引供電系統(tǒng)為例，各導(dǎo)線位置關(guān)系如圖1所示。結(jié)構(gòu)參數(shù)：接觸網(wǎng)懸掛形式為單鏈形，接觸導(dǎo)線rT= 0.184 Ω/km，Rεt= 8.57 mm；承力索GJ-70， rM= 2.0 Ω/km，χNm= 0.88 Ω/km，RM= 5.75 mm，接觸線距軌面平均高度H = 5 800 mm，接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度h = 1 300 mm，承力索弛度fc= 600 mm，鋼軌型號P50，rg= 0.18 Ω/km，χNg= 0.18 Ω/km，單根鋼軌的等效半徑Rεg= 5.54 mm，軌距dg= 1 435 mm，鋼軌長度25 m；大地電導(dǎo)率σ = 10-4Ω/cm。

圖1 牽引網(wǎng)懸掛系統(tǒng)示意圖

在不影響研究對象電氣量特性的前提下，對導(dǎo)體進行化簡等效。承力索與接觸線相互并聯(lián)，在任意長度的分段中，導(dǎo)線間的電流分布不變，而且它們之間的相互位置關(guān)系較復(fù)雜，故將二者等效為一根平行于鋼軌的導(dǎo)體1，將兩對稱分布的鋼軌等效為單根導(dǎo)體2。各導(dǎo)體單位自阻抗與互阻抗數(shù)值如下：

整個系統(tǒng)是由導(dǎo)體1、導(dǎo)體2和大地組成的獨立系統(tǒng)，根據(jù)上述公式計算線路對地電容。在兩供電臂設(shè)置不同的參數(shù)，得到正常運行工況下，列車距離變電所15 km時，牽引網(wǎng)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)見表1，30 km時線路電流、電壓波形如圖2—圖5所示。

表1 直接供電方式下網(wǎng)壓分布及電流值表

列車位于距離變電所15 km處時，不考慮導(dǎo)體對地電容的線路電流各處相等，兩線路電流幅值最大相對誤差為0.03%。兩線路電壓相角相差0.01°，機車所在處幅值相對誤差最大，為0.03%。

圖2 不考慮導(dǎo)體對地電容時線路電流曲線圖

圖3 不考慮導(dǎo)體對地電容時線路電壓曲線圖

圖4 考慮導(dǎo)體對地電容時線路電流曲線圖

圖5 考慮導(dǎo)體對地電容時線路電壓曲線圖

列車位于距離變電所30 km處時，兩線路電流幅值最大相對誤差為0.043%，相位差隨距離的增長而縮小，且機車所在處考慮導(dǎo)體對地電容的線路電流滯后于不考慮導(dǎo)體對地電容的線路。機車所在處電壓幅值相對誤差最大，為0.042%。

2 牽引網(wǎng)暫態(tài)仿真

列車運行在距離變電所30 km處，此時在距離變電所20 km處設(shè)置斷路器。斷路器在0.02 s時刻斷開，在0.06 s時重新閉合，使得線路在0.02 s出現(xiàn)斷路故障，0.06 s故障切除。兩線路電壓電流仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 斷路故障時不考慮導(dǎo)體對地電容時線路電流電壓波形圖

圖7 斷路故障時考慮導(dǎo)體對地電容時線路電流電壓波形圖

觀察圖6及圖7可知，當線路切除故障后，考慮導(dǎo)體對地電容的線路會出現(xiàn)暫時過電壓現(xiàn)象，然后較平穩(wěn)的恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，更符合牽引網(wǎng)的真實運行特性[15]。

對比列車處于15 km與30 km時電壓電流波形可知，不考慮導(dǎo)體對地電容的線路A，其電壓電流曲線均為較光滑曲線，考慮導(dǎo)體對地電容的線路B，其曲線的整體變化趨勢與線路A一致，是一條有波動的非平滑曲線，且距離變電所5 km處，電壓電流曲線波動最明顯，機車所在處電壓最低。機車所在處電壓電流曲線最為平滑，兩線路電壓幅值相對誤差最大；且列車距離變電所越遠，導(dǎo)體對地電容對線路的影響越大。

綜上可知，在本文所建模型及參數(shù)設(shè)置下，系統(tǒng)發(fā)生故障及切除故障后對系統(tǒng)的電壓電流影響不大，符合牽引網(wǎng)的暫穩(wěn)態(tài)電氣特性。為準確分析牽引供電系統(tǒng)的真實運行情況，綜合考慮導(dǎo)體對地電容的影響，具有可行性，且更加符合牽引網(wǎng)的電氣性能。

3 結(jié)論

線路參數(shù)是電力系統(tǒng)分析所必需的一項基本數(shù)據(jù)，實際工程中，工程設(shè)計的線路參數(shù)全面性與準確性直接關(guān)系到整個供電系統(tǒng)的成敗。

本文基于MATLAB/SIMULINK仿真工具，同時建立考慮導(dǎo)體對地電容及不考慮導(dǎo)體對地電容的牽引網(wǎng)仿真模型，定量分析了2種情況下的相對誤差，得出列車所在處電壓誤差最大；隨著列車距離變電所越遠，導(dǎo)體對地電容對線路電壓和電流的影響越大。論文主要進行了較詳細的仿真計算，定量給出了電容對鐵路供電系統(tǒng)仿真計算的影響，雖然誤差很小，在工程計算中可以忽略不計，但是這個定量的分析，為工程計算提供了更準確的依據(jù)。

[1] 何正友，胡海濤，方雷，等.高速鐵路牽引供電系統(tǒng)諧波及其傳輸特性研究[J].中國電機工程學(xué)報，2011，31（16）：55-62.

[2] 姚楠．電氣化鐵道牽引網(wǎng)基波與諧波模型研究[D]．北京：北京交通大學(xué)，2008．

[3] 李群湛.牽引變電所電氣量的通用變換方法及其應(yīng)用[J].鐵道學(xué)報，1994，16（1）：17-23.

[4] 郎兵，吳命利.牽引網(wǎng)諧波模型及其仿真計算[J].電力系統(tǒng)自動化，2009，33（17）：76-80.

[5] 何俊文．牽引供電系統(tǒng)負荷過程仿真[D]．成都：西南交通大學(xué)，2010．

[6] 吳命利．牽引供電系統(tǒng)電氣參數(shù)與數(shù)學(xué)模型研究[D]．北京：北京交通大學(xué)，2006．

[7] 張楊，劉志剛．基于電磁暫態(tài)分析的高速鐵路牽引網(wǎng)諧波模型及諧波特性分析[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2011，35（5）：70-75.

[8] 邢曉乾．帶加強線的全并聯(lián)直接供電技術(shù)的研究[D]．成都：西南交通大學(xué)，2011．

[9] 王奇，劉志剛，白瑋莉，等．基于PSCAD/EMTDC的牽引供電系統(tǒng)仿真模型研究[J]．電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37（16）：35-40.

[10] 李群湛，郭鍇，周福林．交流電氣化鐵路AT供電牽引網(wǎng)電氣分析[J]．西南交通大學(xué)學(xué)報，2012，47（1）：1-6.

[11] Hanmin Lee, Changmu Lee, GilsooIang. Harmonic analysis of the Korean high-speed railway using the eight-port representation model [J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2006, 21(2)：979-986．

[12] 馮慈璋，馬西奎．工程電磁場導(dǎo)論[M]．北京：高等教育出版社，2008．

[13] 潘衛(wèi)國．電氣化鐵道牽引網(wǎng)地面開關(guān)式自動過分相裝置暫態(tài)過程分析[D]．成都：西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008．

[14] 李群湛，賀建閔．牽引供電系統(tǒng)分析（第2版）[M]．成都：西南交通大學(xué)出版社，2010．

[15] 張瑞．電氣化鐵路暫態(tài)電氣特性仿真研究[D]．成都：西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009．

For quantitative analysis of impact of grounding capacitance on the traction power supply system, in this paper, MATLAB/SIMULINK is adopted to establish the specific simulation example. Based on this model, the traction network current and voltage distribution influenced bypartial capacitanceis simulated. At last, the influence of grounding capacitance on the traction power supply system is given quantitatively to provide the more accurate basis for engineering calculation.

Traction power supply system; method of images; ground capacitance; simulation model

U223.5

B

1007-936X(2015)01-0026-03

2014-07-18

陳夢琪.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，碩士研究生，電話：010-51682436；李華偉，陳富偉.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院；李善穎，曹天植，吳 濤.華北電力科學(xué)研究院有限責任公司。