全并联直供式系统并联方式研究

杜 川 王希文

（四川省建筑设计院，成都 610031）

随着国民经济和对外贸易的日渐增长，对铁路运量的要求也持续提高，载运量的不断增加和列车运行速度的提高使得牵引网负荷电流和网络损耗增大，上下行牵引网电流分布不均更加严重，从而影响到电力机车的正常运行和铁路运输的经济性[1]。

提高电气化铁路运能这一问题可以从两方面入手：一方面大力发展运载能力强的高速铁路，另一方面则对既有线路进行扩能改造[2]。目前国内的高速铁路主要采用AT供电方式[3]，而在一些山区的电气化铁路中直供式全并联方式已经相继得到应用。为了更充分的利用牵引网具备的载流能力，本文即从牵引网载流能力的角度出发，对全并联方式进行分析。

1 带回流线的全并联直供牵引网电流分布

为了对牵引网的载流能力进行分析，首先需要知道牵引网中各电流的分布情况。不失一般性，以图 1所示带回流线的复线全并联直供牵引网电流分布作为后续的分析模型。为了方便分析，我们假设只有上行有机车负荷，而下行无机车负荷，钢轨对地漏导为零，忽略导线的分布电容以及横向连接线的阻抗，并认为所有导体都为均质导体且对地绝缘[5]。

本文主要考虑接触网的电流分布。如图1所示，通过上行和下行的接触线回路、机车受流点以及并联区末端广义节点可得以下方程。

图1 带回流线的复线全并联直供牵引网电流分布示意图

当机车取流I为已知时，可得到接触网中电流分布如下：

不同的全并联方案对牵引网载流能力需求的改善是不一样的，我们先分析牵引网中部仅有一次并联的情况，其运行简化示意图如图2所示。

图2 牵引网中部并联一次的运行简化示意图

设并联点距牵引变电所的长度为L1，距末端的长度为L2，供电臂长为L，上行总共有N列机车取流，其中运行在并联点以前的机车有K列，追踪间隔为l，第一列机车距牵引变所为l1，I1、I2、I3、I4分别为上下行各并联区间流过的总电流，I5为横连线上流过的总电流。由式（2）不难知道，单车运行时It1a即为机车从上行接触网取得的电流，It1b即为机车从下行接触网取得的电流，等于It2，D为并联区间的长度，这里取L1或L2，由追踪间隔可以表示任意一列机车K的位置为l1+(K−1)l。这样即可得到各个电流的大小。

下行第一个并联区间的总电流可表示为

若并联区间长度是追踪间隔的整数倍时，即存在关系L1=Kl，L2=(N−K)l，上面各个电流即可化简为

如此以来，只要知道了追踪间隔以及第一列机车的位置，即可得到牵引网的载流需求。下面通过对不同的情况进行仿真，从而分析出一般规律。

2 仿真分析

本文利用Matlab/Simulink仿真软件，结合实际牵引网供电系统进行仿真。假设供电臂长度为24km；选择交—直—交机车作为负荷模型，其单车功率为 5MVA，功率因数 0.99。本文分三种情况进行仿真。

情况一：当追踪间隔为12km，第一列机车离牵引变电所4km时，其运行示意图如图3所示。

图3 情况一运行示意图

通过仿真各电流百分比与并联点位置的关系，其结果如图4所示。

由仿真结果可以看出，当并联点位于距变电所4km时，牵引网的载流需求最高，约为总负荷电流的85%；当并联点位于距变电所约5km时，此时牵引网的载流需求最低，约为总负荷的57%。

图4 各电流百分比与并联点位置的关系曲线

情况二：当追踪间隔为 8km，第一列机车离牵引变电所4km时，其运行示意图如图5所示。

图5 情况二运行示意图

通过仿真各电流百分比与并联点位置的关系，其结果如图6所示。

由仿真仿真结果可以看出，与情况一结果大致相同，当并联点位于距变电所4km时，牵引网的载流需求最高，约为总负荷电流的80%；当并联点位于距变电所约5km时，此时牵引网的载流需求最低，约为总负荷的55%。

图6 各电流百分比与并联点位置的关系曲线

情况三：当追踪间隔为 6km，第一列机车离牵引变电所4km时，其运行示意图如图7所示。

图7 情况三运行示意图

同样通过仿真各电流百分比与并联点位置的关系，其结果如图8所示。

图8 各电流百分比与并联点位置的关系曲线

由仿真结果可以看出，当并联点位于距变电所4km时，与前两种情况的结果一样，此时牵引网的载流需求最高，约为总负荷电流的78%；而牵引网最低载流需求与前两种情况的结果有些差异，出现在并联点距变电所约6km时，此时牵引网的载流需求约为总负荷的53%。

对上面三种情况下的仿真结果进行比较，相比于上下行分开供电时的 100%总负荷电流的牵引网载流需求，全并联供电对牵引网的载流需求均有所改善。当并联点位于供电臂首末两端时，即与分区所末端并联一样，此时牵引网的载流需求约为总电流的75%。随着并联点从供电臂首端向末端移动，变电所上行出口电流即I1比例从 50%逐渐增至80%，而变电所下行出口电流即I2比例从50%逐渐减至 20%。随并联点位置的不同，流经并联点的电流即I5比例变化很小，基本维持在25%～30%。

同时对三种情况的仿真结果进行分析可以发现，随着并联点位置的移动，当电流I1和电流I3所占总负荷电流比例恰好相等时，牵引网的载流需求最低，选择在该处进行上下行并联对牵引网的载流能力提高为最佳。

为了得到一般规律，假设上行负荷的追踪间隔足够小时，通过前面仿真可以看出，当I1=I3，即N=4K时，牵引网的载流需求最低，带入式（8）可以得到如下结果，即并联点位于供电臂首端处，能最有

效的利用牵引网载流能力，此时载流需求约为总负荷电流的56.25%，相比于分开供电提高了43.75%，比仅在分区所末端并联提高了23.75%。

以上只分析了供电臂中部并联一次的情况。不难理解，当供电臂上并联点足够多时，总负荷电流将得到充分的均衡，上下行将均匀分担总负荷电流，此时牵引网的载流需求为总负荷电流的50%。与中部仅并联一次的最优效果56.25%相比，改善并不明显。

3 结论

本文从理论上分析了在只有上行有机车负荷时，带回流线的全并联直供式系统接触网电流分布，并给出了中部仅并联一次时，牵引网的载流需求计算式。通过对三种不同的负荷取流情况进行仿真分析和对比，得到了并联点位置对牵引网载流能力改善的一般规律，为直供式系统的全并联方案选择提供了参考。

[1] 曹建猷.电气化铁道供电系统[M].北京:中国铁道出版社, 1993.

[2] 李群湛,贺建闵.牵引供电系统分析[M].成都:西南交通大学出版社, 2006.

[3] 谭秀炳.交流电气化铁道牵引供电系统[M].成都:西南交通大学出版社, 2007.

[4] 邓云川.关于山区电气化铁道牵引供电系统问题的讨论[J].电气化铁道, 2004, 2万公里论文集: 188-191.

[5] 繆耀珊.上下行AT牵引网在ATP实行并联的电能节约[J].电气化铁道, 2004(6): 1-3.

[6] 繆耀珊. AT网络上下行接触网互为正馈线方式简介[J].电气化铁道, 2005(1): 1-7.

[7] 楚正宇,张长梅.电气化铁道直供分区所电气负荷的分析[J].铁道工程学报, 2009(6): 94-97.

杜 川 毕业于西南交通大学电气工程学院，硕士，现于四川省建筑设计院任助理工程师，从事电气设计工作。