全并联AT供电牵引网短路故障仿真分析

李 波 左 才 李 强

（西南交通大学，四川 成都 610031）

前言：在我国客运专线建设的大浪潮中，AT供电方式由于其显著的供电优势得到了广泛的应用。为进一步提高供电优势，以适应高速客专对牵引供电系统的要求，全并联AT供电方式得到应用和发展。基于MATLAB/Simulink仿真软件，建立全并联AT供电系统模型，通过仿真得出了牵引网短路仿真结果。并与文献[2]中的理论计算进行对比。

1.全并联AT供电系统模型的建立

1.1 全并联AT供电系统

牵引网全并联AT供电系统从牵引变电所到接触网，是一个十分复杂的系统，架空线包括接触线、正馈线、加强线、保护线、吊玄和承力索，地面包含钢轨、大地，每隔一段距离的AT变压器等电气因素。线路分单线、复线以及站场咽喉等等。为简化系统，便于系统模型的建立，忽略了加强线与保护线，将承力索、吊弦与接触线等效为一条接触线T，将两条钢轨等效为一条线路N，并忽略AT变压器漏抗。同时，将牵引网视为空载。

1.2 AT模型

AT（Auto-Transformer）变压器的等值电路和单相双绕组变压器相同。AT变压器仿真模块采用SimPowerSystems模块中的单相双绕组饱和变压器"SaturableTransformer"来实现，根据AT变压器的接线方式，将一次侧绕组和二次侧绕组的异名端连接在一点作为中间抽头接钢轨，其他两端的抽头作为接触线和正馈线的抽头。如图1-1。

图1-1 AT变压器模型及参数

1.3 牵引网复线模型

由于牵引网供电供电臂相对比较短，一般不会超过50km，因此每个供电臂的线路模型可以用串联阻抗矩阵和并联导纳矩阵的集中参数模型的π型模型来代替。其中串联阻抗矩阵包含导线的自电阻、自电感和导线之间的互阻、互感；并联导纳矩阵包含导线之间或者导线之间的电容和漏电阻。然而，由于每个供电区段比较短，并联导纳通常可以忽略不计。处于同一电压等级的所有的导线都可以用一根等值导线来代替，同时，假定地导线的电压为零，等值地导线可以忽略不计。从而复线牵引网系统就可以简化为上下行之间含有互感的等值模型。

根据上述的简化方法，结合Matlab中的线路模型，采用SimPowerSystems中的“SeriesRLC Branch”模块和“MutualInductance”模块来分别表示导线的自电阻、自电感和导线之间的互阻、互感。利用这两个线路模型，根据简化的牵引网模型，建立的牵引网仿真模块内部结构如图1-2所示。六个输入、输出端子分别表示上行简化的牵引网T线、R线、F线和下行简化的牵引网T线、R线、F线。

图1-2 牵引网模块及参数

1.4 短路模块

短路模块采用SimPowerSystems里的“Breaker”模块,利用常熟模块，通过matlab程序利用参数 b1,、b2、b3 控制断路器（Breaker1～6）的开端来实现距牵引变电所不同距离的牵引网短路。短路时刻从0.05s开始。

1.5 牵引变压器

牵引变压器采用“SimPowerSystem”中的“LinearTransformer”模块，变压器原本为目前牵引变电所普遍采用的220kV，副边分别有2,3两个绕组，分别为左右两个供电臂供电，其模块及参数如图1-3所示。

图1-3 短路控制模块

图1-4 牵引变压器模型及参数

图1-5 全并联AT供电系统模型

综合上述各模块的建立，建立全并联AT牵引网模型如图1-4所示。短路阻抗测量模块位于牵引变电所副边牵引网馈线处，通过MATLAB的M语言编程在距牵引变电所不同距离点出作出各种短路故障仿真，通过模型对接触网的接触线（T）、正馈线（F）和钢轨（N）相互间短路进行仿真。

2.牵引网短路仿真

根据某实际AT牵引网参数：L1=15 km，L2=12km，L3=15km；

ZT=0.2314+j0.581；ZF=0.14+j0.740；ZR=0.212+j0.555；ZFR=0.050+j0.315；ZTF=0.050+j0.403；ZTR=0.050+j0.311；其中L1为牵引变电所至第一个 AT（AT1）的距离，L2、L3 分别是 AT1 至 AT2和AT2与AT3之间的距离。

通过短路仿真，得出牵引网分别在T-F短路、T-N短路、F-N短路故障下在牵引变电所馈线处测得短路阻抗曲线如图2-1所示。从图中可以看出牵引网接触线、正馈线、钢轨之间的短路阻抗曲线呈一系列的鞍形曲线，这与文献[2]中的理论计算是相符合的。

图2 -1 牵引网短路故障阻抗曲线

结论

（1）通过MATLAB/Simulink建立全并联AT供电系统模型，利用短路模块，测得牵引网短路故障的阻抗曲线，得到一系列的鞍行曲线，这与文献[2]中理论计算的结论相符，说明建立的系统模型基本正确。

（2）由于实际电气化铁道牵引供电系统是一个复杂的非线性系统，通过简化，将系统线性化，并忽略了AT的漏抗以及PW线等的影响，所以后续工作可以将系统模型更加细化，使仿真结果更加接近实际。

[1]李群湛贺建闽编著.牵引供电系统分析[M].成都：西南交通大学出版社.2007.9.

[2]王继芳，高仕斌.全并联AT供电牵引网短路故障分析[J].电气化铁道，2005，（4）：20-23.

[3]薛定宇，陈阳泉.基于 MATLAB/simulink 的系统仿真技术与应用[M」.北京:清华大学出版社，2002.

[4]褚晓锐，胡可基于MATLAB/Simulink的客运专线牵引供电系统建模[J].铁路计算机应用，2008,(139):12-14.