電氣化鐵道牽引供電系統電壓水平評估

王琦，解紹鋒，馮金博，劉黎

（西南交通大學電氣工程學院，成都610031）

電氣化鐵道牽引供電系統電壓水平評估

王琦，解紹鋒，馮金博，劉黎

（西南交通大學電氣工程學院，成都610031）

從牽引供電系統電壓水平影響因素出發，利用多導體傳輸線理論推導了牽引網電壓損失公式，分析了不同供電方式、不同進線短路容量、不同牽引變壓器容量對供電系統電壓損失的影響，提出了改善牽引網供電電壓水平最有效的措施，即盡可能地減小牽引網電壓損失。建議采用AT供電方式。此外，還分析了牽引網電壓損失的實際值與工程值，提出了利用電壓降模值計算高速鐵路牽引網電壓損失的方法。研究表明，該方法能有效評估實際牽引網供電臂末端電壓水平。

牽引供電；電壓損失；多導體傳輸線；阻抗模型；負荷特征

牽引網電壓水平直接影響機車牽引力和運行速度，進而影響區段的通過能力和運輸量。在實際設計中需要考慮牽引供電系統供電能力，這就需要計算牽引供電系統的電壓損失。牽引網電壓水平受多種因素的影響，諸如電力系統短路容量及其運行方式，牽引網供電系統供電方式，牽引負荷的大小及功率因數，這就使得電氣化鐵路牽引供電系統電壓水平的評估比較復雜。

本文研究了牽引網阻抗模型，推導了牽引網電壓損失公式，結合普速鐵路和高速鐵路列車運行情況，分析了不同供電方式、不同進線短路容量、不同牽引變容量對牽引網電壓損失的影響，提出了改善牽引網電壓水平的有效措施，為設計牽引供電系統提供科學理論依據。

1 供電系統電壓水平

電氣化鐵路牽引供電系統的電壓水平受電力系統電壓損失、牽引變壓器電壓損失和牽引網電壓損失三方面的影響[1]，如圖1所示。電力系統電壓損失與電力系統短路容量密切相關，牽引變壓

圖5 電壓損失工程值與實際值的比較Fig.5Comparison of voltage-loss between engineering values and theoretical values

3 電力系統及牽引變電壓損失

3.1 電氣化鐵路電力系統電壓損失

電力系統電壓損失受到電力系統運行方式和牽引負荷狀況的影響。GB/T12325中規定：35 kV及以上供電電壓正、負偏差的絕對值之和不超過標稱電壓的10%。如供電電壓上下偏差同號時，按較大的偏差絕對值為衡量依據[2]，即

3.2 電氣化鐵路牽引變壓器電壓損失

圖6所示為目前普遍采用的V/V接線和V/X接線變壓器，兩者均由2臺單相變壓器組成。V/V接線與V/X接線變壓器數學建模相同。

圖6 V/V接線和V/X接線變壓器Fig.6V/V-type and V/X-type transformer

圖中變壓器參數為

式中：RT、XT為單相變壓器歸算到次邊的電阻和電抗值；UN為變壓器額定電壓，kV；ΔPC為變壓器額定銅耗，kW；SN為變壓器額定容量，MVA；Ud為變壓器短路電壓百分比。

變壓器超前相繞組電壓損失與滯后相繞組電壓損失相同，即

4 牽引供電系統電壓水平與負荷特征仿真

4.1 基本數據

（1）牽引負荷：普速鐵路單車負荷為6 400 kW，高速鐵路單車負荷為13 200 kW；

（2）牽引變壓器：SN=31.5 MVA，Ud=10.5%和SN=80 MVA，Ud=13%；

（3）導線型號及其參數：接觸線TCG-100：r= 4.6 mm，R=0.179 Ω/km；承力索TJ-95：r=4.74 mm，R=0.317 Ω/km；鋼軌P60：r=12.79 mm，R= 0.135 Ω/km；回流線、加強線、正饋線、保護線采用TGJ-185：r=9.03 mm，R=0.163 Ω/km；

（4）各供電臂最大列車數：供電臂長度30 km，普速機車和高速機車時速分別為100 km/h和300 km/h，最小追蹤間隔為6 min和3 min，由此計算每供電臂最大列車數分別為4列和3列。當各供電臂分別有一列機車處于供電臂最前端時，需將其造成的電壓損失歸算至牽引變壓器內。

4.2 牽引網電壓水平與負荷特征仿真

將高速鐵路單車負荷對電氣化鐵路直接供電方式、NF供電方式和AT供電方式牽引網末端電壓損失進行比較，結果如圖7所示。

圖7 3種供電方式電壓損失比較Fig.7Voltage-loss comparison among the three different power-supply patterns

由圖7可知：相同牽引功率及功率因數，直接供電方式牽引網電壓損失最大，NF供電方式次之，AT供電方式最小。但NF與AT供電方式牽引網電壓損失相差不大，由于AT供電方式牽引網相對復雜且投資較大，可用NF牽引網代替。

4.3 牽引供電系統電壓水平與負荷特征

設牽引網雙邊功率及功率因數相同，列車按額定功率運行，最小追蹤間隔發車，各供電臂列車數為最大。牽引網最大電壓損失如表1所示。普速鐵路及高速鐵路各部分電壓損失如表2、表3所示。表中Sr為牽引變壓器安裝容量；Sd為系統短路容量。

表1 AT供電方式復線牽引網最大電壓損失Tab.1The maximum voltage-loss of complex powersupply network under AT power-supply pattern

表2 普速鐵路各部分電壓損失Tab.2Voltage-loss of the ordinary-speed railway

表4 高速鐵路各部分電壓損失（Sr=75，Sd=2 400）Tab.4Voltage-loss of the high-speed railway

由表1可知：當高速鐵路功率因數接近于1時，由于其負荷較大，牽引網最大壓損較嚴重。

由表2、表3可知：系統短路容量對牽引供電系統的電壓損失影響不大，通過增加短路容量提高電鐵供電電壓的作用比較有限；通過提高牽引變壓器安裝容量使得牽引變電所的電壓損失大為降低，但由此產生的基本電費也相對較高；對電氣化鐵路牽引供電系統電壓水平影響最大的是牽引網電壓損失，因此可行的方法是應盡量減小牽引網電壓損失，如采用AT供電方式或者NF供電方式。

5 結論

（1）采用電壓降模制計算方法能更準確地分析高速鐵路供電電壓水平。通過仿真對比當前普遍采用的3種供電方式（直接供電方式、NF供電方式、AT供電方式）下的牽引網電壓損失，建議采用能盡可能降低牽引網電壓損失的AT供電方式或者NF供電方式，從而有效提高電氣化鐵路供電電壓水平。

（2）對電氣化鐵路供電電壓水平影響最大的是牽引網電壓損失，因此可行的方法是在功率因數一定的前提下應盡量采用能有效降低牽引網電壓損失的供電方式。另外，系統短路容量和牽引變壓器安裝容量對牽引供電系統電壓水平的影響不大，因此不建議通過增加兩者容量來提高供電電壓水平。電氣化鐵路牽引供電系統電壓水平受多種因素共同制約，應綜合考慮，具體分析，確定行之有效的方法。

[1]李群湛，賀建閩.牽引供電系統分析[M].成都：西南交大出版社，2007.

[2]能源部鐵道部電鐵諧波負序聯合測試研究工作組.雁同電網和豐沙大北同蒲電氣化鐵路諧波負序測試報告[R].能源部鐵道部，1995.

[3]李群湛，賀建閩.電氣化鐵路電能質量及其綜合控制技術[M].成都：西南交通大學出版社，2008.

[4]Bowman W I，McNamee.Development of equivalent Pi and T matrix circuits for long untransposed transmission lines[J].IEEE Trans on Power Apparatus and Systems，1964，83（6）：625-632.

[5]唐開林，李群湛，張麗艷，等（Tang Kailin，Li Qunzhan，Zhang Liyan，et al）.電氣化鐵道牽引網饋線電流概率分布（Probability distribution of feeder current of electrified railway traction）[J].電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2010，22（6）：12-16.

Estimate on Voltage Level in Traction Power Supply System of Electrified Railway Traction

WANG Qi，XIE Shao-feng，FENG Jin-bo，LIU Li
（College of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

In the paper，taking advantage of the multi-conductor transmission line（MTL）theory，the voltage-loss expressions in traction electric network are inferred based on the factors which affected the voltage level of traction power supply system.And the effects on voltage loss of transition electric network are also analyzed in different way of power supply，different capacity of short circuit，different transformer capacity and different load characteristic.Based on the mentioned factors，the paper concludes that the most effective way to improve the voltage level of traction electric network is trying to decrease its voltage-loss.Therefore，the AT power supply mode which is good at decreasing the voltage-loss is recommended.Moreover，through the comparison between the real values and engineering values of the voltage-loss in traction electric network，a new method which is taking advantage of the module value of voltage-drop is presented in the paper so as to calculate the voltage-loss in high-speed railway.The method is proved to be effective to estimate the voltage level in the end sections of traction power supply arms.

tranction power supply；voltage loss；multi-conductor transmission line（MTL）；resistance model；load characteristic

TM922.3

A

1003-8930（2014）01-0053-04

王琦（1983—），女，碩士研究生，研究方向為牽引供電系統及電能質量控制。Email：wan_gqi@126.com

2012-01-04；

2012-03-09

解紹鋒（1979—），男，博士，副教授，研究方向為牽引供電系統及電能質量控制。Email：sfxie@swjtu.cn

馮金博（1985—），男，碩士，工程師，研究方向為牽引供電系統分析與控制。Email：bkO41382174142@126.com