翟亚婷 杨理威
1.国网河北省电力有限公司石家庄供电分公司 河北石家庄 050000;2.长沙理工大学电气与信息工程学院 湖南长沙 410011
电气化铁路具有能效水平高、牵引功率大、环境污染小等优点,已在全世界范围内实现了跨越式发展。到2021年底,我国高速铁路已达40000km,居世界首位。随着我国高速铁路大范围建设,铁路数字化、电气化水平也逐步提升。为电力机车提供牵引动力源的牵引供电系统是一种不同于大电网的特殊输、变、配电系统,其主要由牵引网和牵引变电所组成。目前我国的电气化铁路一般采用25kV、50Hz单相交流供电模式。高速铁路的牵引供电系统与一般的大电网输、变、配电模式有较大区别,发生电磁暂态过程也较为频繁,并且会伴随产生高频电磁脉冲与暂态过电压,极易对列车上的电力电子设备、牵引网、牵引供电所的电力设备、铁路通信信号设备造成干扰,对高速铁路的运行安全产生极大威胁,基于此对高速铁路牵引供电系统进行电磁暂态计算研究是十分必要的。
一、高速铁路牵引供电系统拓扑结构
目前高速铁路牵引供电系统主要采用的是全并联AT供电方式,此类供电方式由牵引变电所、牵引网和自耦变压器3个主要部分构成,外部供电一般取自220kV大电网,由牵引变压器降压为高铁列车所需单相交流电,见图1。而牵引网包含接触网、回流线、正负馈线、钢轨等,自耦变压器每隔40～50km布置,当一侧供电臂故障时可由相邻变电所跨区供电。
图1 高速铁路牵引供电系统全并联AT供电方式
二、牵引供电系统常见的电磁暂态现象
高铁列车运行速度快,从电网侧看是快速移动的冲击性负荷,机车顶部受电弓与接触网之间进行滑动电接触,机车底部车轮与轨道之间是滚动电接触,其运行速度快,并且加速、怠速、制动状态切换频繁。常见的电磁暂态过程及影响危害有:
(一)对周围线路产生感性耦合
由于牵引功率大,在牵引网中将产生很大的牵引电流,导致电感耦合,在电力、信号电缆及各种设备电路中引起感应电动势,对铁路通信、信号和电气设备造成严重影响;当牵引网发生故障时,瞬时极大的短路电流对通信、信号设备将产生灾难性影响。此外牵引供电系统电流由接触网馈电,由钢轨回送,是典型的单相不对称供电系统,当牵引网存在短路故障时,瞬时短路电流极大,将沿钢轨产生加大的对地漏泄电流。
(二)升降受电弓产生电弧扰动
高铁列车顶部受电弓后先接入一段高压电缆,再接入主断路器,对受电弓进行升降操作时,也引起了高压电缆的分布电容充放循环操作,在受电弓与接触网接触瞬间将引发强烈的电弧扰动,见图2。这类电弧与弓网接触分离时间、高压电缆、接触网的电气参数等因素有关。高压电弧扰动将干扰周围电磁环境,并降低受电弓滑板寿命,升受电弓时对高压电缆电容充电还可引起过电压。
图2 升受电弓时发出明显的电弧
(三)高铁列车过分相扰动
高铁列车过分相时相当于进行一系列主动、被动的开关操作,相当于牵引供电系统处于“干扰源”工况。过分相时产生的扰动,有可能导致列车顶部的放电间隙或绝缘子击穿、避雷器、电压互感器烧毁炸裂、牵引变电所开关跳闸、列车通信、信号、控制设备故障,见图3。根据实际运行情况和测试来看,过分相后闭合高铁列车主断路器时,还可能在干式电压互感器上发生铁磁谐振以及导致励磁涌流,导致电力设备事故频繁发生。
图3 烧损和炸裂的列车顶部设备
三、车—网耦合系统稳定性
研究工作中经常将高铁列车与牵引供电系统结合形成车—网耦合系统进行统一分析,其稳定性将直接影响高速铁路日常运营。这类系统的不稳定现象可根据频率划分为两类:
(1)由正常工频50Hz与附近谐波相互作用,使牵引供电系统的电压呈现低频波动,此现象称为低频振荡。这种不稳定现象经常发生在多列同型号高铁列车集中在同一供电区间的相近位置进行行驶前升弓整备,此时机车尚未运行,牵引功率较小,牵引供电系统处于轻载工况。
(2)耦合系统中电流谐波含量持续增加,叠加50Hz工频导致牵引网过电压。此时高铁列车正常行驶,危害车顶避雷器、断路器、高压电缆、列车变压器等列车设备,甚至触发牵引变电所主变压器保护动作。这些不稳定现象所引起的牵引供电系统过电压、过电流,对铁路系统正常运营秩序造成的干扰十分严重。
目前对谐波振荡的不稳定现象已有一些基础研究,但深入的理论分析仍然十分缺乏,缺乏清晰准确的发生机理的分析研究,根源防治手段不足。谐波振荡已成为牵引供电系统一种严重的电能质量问题,进行深入研究有必要意义。
四、国内外研究现状
(一)牵引网导线参数计算方面
牵引网主要由钢轨和架空接触网组成,架空接触网主要包含接触线、承力索、正馈线、保护线。对牵引网各导体的不同类型,需要考虑导体是否为非规则截面及其不同的材料类型。常规电力系统分析研究中,一般认为非磁性导体的内部阻抗做总电抗的一小部分,这个参数精确度对计算准确性影响不大。对接触网中导线参数的计算,可应用Carson公式对圆形实心导线的等效参数进行计算,并应用聂曼公式对钢轨阻抗进行计算。考虑到电气化铁路的特殊运行环境,在计算长大隧道中导线等效参数时可应用Tylavsky公式。而钢轨电流中谐波成分含量较多,需要考虑宽频范围钢轨阻抗和分布参数的确定。目前对于牵引网模型搭建,其多导体传输线链式网络模型已得到认可和应用。
(二)牵引供电系统阻抗频率特性分析方面
分析车—网耦合系统的稳定性问题依赖于阻抗频率特性的准确建模,对铁路电能质量优化提升和深入研究谐波谐振机理也至关重要。阻抗频率特性分析领域,一般采用一种仅由钢轨和接触线组成的简化模型,其与复杂的现场实际情况,一般仅用于定性分析。电气化铁路的谐波阻抗可采用Matlab[16,27,28]、EMTP和PSCAD等软件来模拟。这些研究方法都缺乏对外部电力系统和牵引变压器谐波特性的准确建模分析。外部电力系统会影响牵引供电系统阻抗特性,进而影响其阻抗计算,但还缺乏准确性的牵引供电系统阻抗分析计算方法,牵引供电系统阻抗特性曲线也依赖现场试验测定,进一步影响针对牵引供电系统开发阻抗频率建模仿真方法。
(三)牵引供电系统数学模型搭建方面
数学模型是分析电力系统稳态与暂态的基础,可通过简化模型形成牵引供电系统等值电路,进而建立系统状态方程,考虑到高铁列车这一负载的移动性和牵引供电系统发生故障的变化,都将引起牵引供电网络结构发生变化,有必要在系统求解层面搭建针对牵引供电系统的数学模型。稳态分析方面,基于链式网络模型,采用精确的等效π型电路对牵引网多导体传输线进行建模,并对横向并联元件与纵向串联元件分别建立数学模型,联合形成网络的节点导纳矩阵进行求解。暂态分析方面,目前尚无针对牵引供电系统的有效分析方法,开发一种类似EMTP的专用分析工具很有必要,并可根据供电网络改变灵活变换。
(四)牵引供电系统电磁干扰传导分析方面
在电磁干扰传导分析方面,一般采用多导体传输线的时域有限差分法和ATP/EMTP联合对牵引网电磁干扰传播进行分析计算,并且联合电磁干扰计算的电路理论和场论有利于研究分析电气化铁路电磁干扰问题,以及系统内和系统之间的电磁兼容问题。考虑到轨道附近安装有较多的通信、信号设备,开展自耦变压器与电磁干扰传导影响的相互作用是十分必要的,目前采用较多的与ATP/EMTP联合计算的方法还不够灵活,应从电气设备模型层面对牵引网上挂接不同负载的接口建模计算进行研究。
五、研究热点与关键技术
牵引供电系统中的电磁暂态过程因供电方式、运行方式、设备结构的独特性都与传统的电力系统有所区别,无法利用电力系统分析方法和仿真软件进行研究,在威胁范围及发生机理上也存在争议。目前牵引供电系统电磁暂态基础分析方法上还比较欠缺,需要开展针对性建模以提供理论模型的支撑。对于牵引供电系统暂态分析分析方法的针对性建模,归纳了三类关键技术研究方向:
(一)关键技术1:牵引供电系统电气设备的宽频参数数学模型与牵引网阻抗频率特性分析
由于牵引供电系统的特殊性,牵引供电系统中电气设备参数计算方法、数学模型建立、牵引网阻抗识别都需要针对性分析。考虑接触线特殊截面和钢轨铁磁特性,进行相关理论与方法的现场测试验证,为牵引供电系统电磁暂态分析研究提供理论研究基础分析与精确数据计算。基于钢轨的频域特性、接触线非规则截面、轨—地非线性分布参数等开展电气设备精确建模为供电系统设计、牵引网谐振计算提供数学模型,对车—网耦合系统稳定性分析、谐波抑制提供理论支撑。进行牵引网理论分析与阻抗频率特性建模,分析牵引供电系统谐波振荡大致频率范围,为铁路运营安全、新车型投运前测试和新线联调联试减少危害。
(二)关键技术2:牵引供电系统电磁暂态分析计算的针对性数学建模研究
基于牵引供电系统的供电网络结构的复杂性和机车位置、故障点的随机性,针对牵引供电系统的供电网络、负荷特性和运行环境等方面的特殊性,开展针对性电磁暂态分析计算建模方法研究。主流的研究方法有:通过传统仿真软件搭建车—网耦合系统模型,由于牵引供电系统供电网络的特殊性,一般采用简单的等值电路对系统状态方程进行描述,而简化后的系统状态方程难以反映真实状态下设备参数变化的动态特性的影响。因此基于多导体传输线理论,结合牵引供电系统牵引网的链式电路特点,开展牵引网、牵引变压器的时域数学模型计算,建立全并联AT供电方式下的牵引供电系统电磁暂态计算模型和数学解算方法,可分析明确牵引供电系统电磁暂态原因机理和危害范围,为高速铁路安全运营提供有力支撑。
(三)关键技术3:牵引供电系统电磁干扰发生原因传导过程分析研究
典型高速铁路牵引供电系统需应用大量自耦变压器和吸流变压器,这些变压器的应用降低了大地回路电流,提高了供电系统的抗干扰能力,但高铁列车、牵引变电所、线路沿线这些对外界电磁环境完全开放的区域安装了大量通信、信号、整流功能的电力电子和控制设备,而牵引变压器、牵引网为电磁干扰传导提供了路径。在传统电力系统电磁兼容性研究中,通信设备、控制设备一般位于变电站区域,而高速铁路通信设备、控制设备常常伴随轨道附近,雷击电磁干扰、弓网电弧干扰或其他干扰将产生高频脉冲电磁干扰源,这些高频干扰会沿接触网—变压器—钢轨发生反射和折射严重影响附近通信设备、控制设备,进而影响高铁行车安全。由于这些电磁干扰中主要是高频成分,对牵引变压器、牵引网进行数学建模时,必须采用频率相关电磁暂态模型,才能进行针对性电磁暂态仿真模拟的理论分析与数值计算。电磁干扰的传导分析还需要结合现场测试和实测数据进行详细研究,以预测真实运营条件下中存在的潜在风险,并优化工程设计。
