基于DDRTS的高速铁路全并联AT牵引供电系统研究

基于DDRTS的高速铁路全并联AT牵引供电系统研究

王璐璐

（中国铁路青藏集团有限公司西宁供电段青海省西宁市810006）

摘要：随着我国高速铁路发展及走出去步伐的加快，高速铁路正处于快速建设和发展的重要阶段，牵引供电系统是高速铁路的重要子系统之一，其安全、可靠和高效地运行是高速铁路稳定运行的重要保障．同时也对高速铁路牵引供电系统设计提出更高要求，现行的设计手段已难以满足，采用牵引供电系统的数字仿真可显著提升设计效率和提高设计精度。本文分析了基于DDRTS的高速铁路全并联AT牵引供电系统。

关键词：DDRTS；高速铁路；全并联AT；牵引供电系统；

AT供电方式具有供电能力强、对沿线的通信干扰小等优点，在我国高速铁路中普遍采用。AT供电方式具有牵引网络结构复杂，供电回路多等特点，因此对其搭建准确的仿真模型，通过仿真分析的方法来研究AT供电方式的供电特性十分必要。

一、高速铁路牵引供电系统技术特点

1.满足速度目标值及运输能力。长大干线高速铁路供电系统设计应满足设计初、近、远期的最高运营速度要求，试验速度为最高设计速度的1.1倍，供电能力应满足动车组在规定运行速度下，按最小追踪运行间隔3min、16辆编组运行的需要。

2.系统设计的RAMS要求。牵引供电系统的RAMS要求，即可靠性、可用性、可维护性和安全性要求。可靠性是可用性的基础，系统设计应尽量采用较高的技术标准并具有冗余措施，保证外界故障或内部疏忽引起的故障不至于导致整个系统瘫痪。如外部电源的选择、供电系统所（亭）分布、越区供电能力、牵引变电所所址选择、主接线、变电设备的可靠备用与故障诊断、接触网系统参数、合理分段、器材选择、牵引供电系统的安全防护及防灾设计；要保障不间断供电，牵引变电设备宜选择无维护、免维修、抵御自然灾害能力强的产品，接触网设备宜选择免维护、少维修产品。

3.节能、环保和节约用地要求。牵引供电系统的设计和设备选用应坚持节能减排和环保理念。在供电系统方案设计、变压器容量确定及接线方式、牵引变电设备选用、接触网线材配置等方面积极推广节能技术，在设备选用方面还应选用少油或无油设备，选用在生产制造或运营使用中不产生或少产生污染环境、影响人体健康的设备、器材。牵引变电设计应合理确定一次设备主接线、合理选择二次设备，充分利用高架桥下方空间设置牵引变电AT所、AT分区所，尽可能与电力、通信信号的箱变实现平面布置的集约化设计，以达到不占或少占农田耕地的目标，实现节约用地。

二、基于DDRTS的高速铁路全并联AT牵引供电系统

1.全并联AT牵引供电系统。全并联AT供电方式是由AT供电方式进一步发展而来的，它的基本供电原理与AT供电方式相同，不过其在每个AT处采用横向联接(在工程中，保护线和钢轨可以在每一区段进行多处横向电联接)的方法将上、下行牵引网并联起来，来减少牵引网单位长度的阻抗，降低电压损耗，从而使供电能力增强，改善电能质量，降低钢轨电位。全并联AT供电方式牵引网包括接触线(T)、正馈线(F)、钢轨(Ｒ)、保护线(PW)、贯通地线(GW)以及横联线(CPW)，其电气连接复杂，牵引电流流通路径更加多样。牵引供电系统故障时暂不考虑回流在钢轨和回流线中的分布心。将各回流线及钢轨等效为一根导体，即R线；将承力索和接触线等效为T线。

2.牵引变压器模型。牵引变电所主要有降压、分相以及供电的功能，牵引变压器为所内主要设备。牵引变压器可采用三相YNd11接线、Scott接线、V/X接线、V/V接线以及阻抗匹配平衡接线等不同接线方式。分体式V/X牵引变压器在AT牵引供电系统中普遍应用，变压器由2台二次侧带中点抽头的单相牵引变压器组成。在高速铁路供电系统中，在2台单相变压器外壳外部连线构成V/X接线方式，2台单相变压器之间由防火墙隔开。在提供的变压器模型库中，该模型使用变压器磁路模型UMEC。该模型从变压器电磁转化的激励出发，很好的描述变压器的磁路特征，具有较高的仿真精度。牵引供电系统采用AT供电方式时，在沿线每隔10～15km设置1处AT所。通常在供电区间设置分区所以增加供电的灵活性，并且使运行可靠性提高。自耦变压器是AT所和分区所内部主要设备。仿真模型中将单相变压器的原边及次边绕组的非同名端相连，串联起来并抽出中点接于钢轨，从而构成自耦变压器模型。牵引网是电气化铁路供电系统的重要组成部分，由接触网和轨地回路构成供电回路。AT供电方式下，牵引网主要由接触线，承力索，正馈线，钢轨，保护线以及贯通地线构成，将2条钢轨合并归算成一条处于二者中间的等值钢轨，将承力索与接触线合并归算成一根等值接触线，最终仿真模型中牵引网等效为相互平行的上、下行各5根导体(等值接触线、等值钢轨、正馈线、保护线、贯通地线)。将承力索和接触网等效为一根导线，即等值接触网；将两根钢轨等效为一根导线，即等值轨道。牵引变压器采用DDRTS中三绕组变压器模块，根据现场测试牵引主变压器参数。自耦变压器中一次绕组和二次绕组有一部分绕组是公共绕组，这样的变压器不仅绕组间存在磁耦合，而且存在电的直接关系。结合各条导线的具体参数，计算出各条导体的单位长度自阻抗以及导体间单位长度互阻抗的数值。计算出自阻抗和互阻抗之后，将互阻抗分别折算到相应导线上，根据电抗值计算出对应的电感值，利用DDRTS建立单位长度的牵引网等效模型。在此基础上，根据实际长度设置牵引网长度并进行横联，每隔1km设置接地电阻，由不同接地电阻值反映高架桥、隧道、路基等不同情况的影响。基于DDRTS搭建的高速铁路AT牵引供电仿真系统能够准确地反映在线路不同位置发生不同故障类型时的电流分布情况，且满足测距误差范围要求。

3.牵引网模块的设计。牵引网是电力机车供电和取流回路的总称，是由馈线、接触网、钢轨回流线组成的双导线供电系统。接触网是牵引网的核心部件，包含接触悬挂、支柱与基础、支持与定位装置三大部分。真实牵引供电系统中接触网参数依据高速铁路中的工程实物，按照1:22.5的比例将牵引网系统进行缩小简化设计，接触网模块的设计参数软件进行尺寸设计并进行机械加工。（1）接触悬挂装置中的接触线、吊弦、承力索均采用导电良好的铜丝制作而成，便于整体装卸，将接触线、吊弦、承力索按照实际的相互连接关系焊为一体。（2）支柱与基础以工字型支柱为原型进行等比例缩小设计，考虑到成本、重量、绝缘性等因素，选取尼龙为材料进行加工。（3）采用平腕臂—斜腕臂的基本结构对支持与定位装置进行设计，选用不锈钢为加工材料。根据线路的弧度以及支柱的位置，设计加工了正定位、反定位两种不同的定位装置。沿轨道外圈铺设一条地线，并且每隔一段距离通过横联线将地线与轨道相连，达到良好的接地效果，从而模拟实际接地系统，达到降低钢轨电位的目的。

通过分析全并联AT牵引供电系统的供电结构，可针对系统的不同位置、不同类型的短路故障进行计算，搭建的高速铁路AT牵引供电系统仿真模型，能够准确地仿真供电系统中各种短路故障的电流大小以及故障电流分布情况，验证了该仿真模型的可行性与准确性。

参考文献：

[1]余心沪.铁路高速客运专线牵引供电系统工程设计原则研究与探讨[J].电气应用，2017(2)：58－60.

[2]张曙光.超大型工程系统集成理论与实践[M].北京：科学出版社，2017.

[3]景德炎.客运专线电气化技术标准探讨[J].电气化铁道，2016(增刊)：323－329.