肖楚鹏，张靖宇，刘大岗，夏 亮

0 引言

目前，国内电气化铁路发展迅速，但多集中于中东部地区。而面积辽阔的西部及高原地区，电气化铁路发展仍然薄弱。经初步研究，电缆牵引供电方式净空和绝缘要求低，牵引网供电臂长，而且电缆埋于地下，免维护性好，适用于西部及高原地区。而随着经济的发展，电力电缆应用日益普及，价格有一定程度的降低。因此，研究电缆牵引供电方式，对电气化铁路的建设和发展具有一定的意义。

1 电缆牵引供电方式

电缆牵引供电方式是一种新型的电气化铁路供电方式，该供电方式采用双芯电力电缆沿铁路线路埋设，内部芯线之一作为供电线与接触线连接，另一芯线作为回流线与钢轨连接，每隔5～10 km做一个分段，如图1所示[1]。

图1 电缆牵引供电方式原理示意图

电缆牵引供电方式的馈电线和回流线在同一电缆中，间隔很小，使得互感系数很大。电力电缆的阻抗比接触网和钢轨的阻抗小得多，牵引电流和回流基本从电缆中流过，电缆中 2根芯线电流相等，方向相反，二者形成的磁场互相抵消，对邻近的通信线路干扰很小[2]。

2 电缆供电方式牵引网电流分配

电缆供电方式牵引网各区段电流分布见图2。

图2 电缆供电方式牵引网各区段电流分布示意图

对有车区段（BC）列回路电压方程和电流方程：

解该方程组有：

且有：

对于无车区段，同样可以建立电流和电压方程：

解方程组可得：

3 电缆供电方式牵引网仿真模型

牵引变电所的主要设备包括牵引变压器、电压互感器、电流互感器、断路器、隔离开关、避雷器等，由于仿真模型主要考虑电气特性，变电所中的设备只考虑牵引变压器以及牵引变电所110 kV进线和接触网，即可组建牵引变电所的仿真模型。

电缆牵引网仿真模型采用8根导线等值模型，其组成为上行接触线（C1）、上行钢轨（T1）、上行电缆馈线（F1）、上行电缆回流线（R1）和下行接触线（C2）、下行钢轨（T2）、下行电缆馈电线（F2）、下行电缆回流线（R2）。

通过MATLAB/SIMULINK中的“Series RLC Branch”模块和“Mutual Inductance”模块，可以搭建电缆供电方式牵引网模型，并将其分装成模块。

4 仿真模型分析结果

仿真模型基本参数设置见表1和表2。

表1 牵引变压器参数表

表2 线路参数表

牵引网模型中，设置牵引网长度100 km，每隔 10 km将电缆馈线和回流线分别与接触线和钢轨横向并联并进行分段。

4.1 牵引网短路阻抗分析

根据表 1和表 2中参数，取电缆截面为240 mm2，对牵引网进行短路仿真，得出测试结果如图3所示。由图3可知，由于电缆馈电线和回流线与牵引网接触线和钢轨并联，可以使牵引网阻抗大大降低，效果明显。短路阻抗整体趋势呈马鞍形增长，同时不同横连分段的短路阻抗相差不大。因此，在工程应用中，电缆分段距离可以稍大，取10 km分段可以满足工程精度需要。

图3 电缆牵引网短路阻抗曲线图

4.2 电流分配系数

4.2.1 无车区间电流分配系数

根据仿真模型，对牵引网无车区段接触线和电缆馈线电流之比（分流系数）进行测试，结果如图4所示，可以看出随着电缆截面的增大，电缆阻抗降低，电缆传输的电流越来越大。当电缆截面为240 mm2时，电缆电流为接触线电流的3.496 8倍，可以大大降低电能的损耗，提高供电能力。

图4 无车区间电流分配系数图

4.2.2 有车区间电流分配系数

在有车区间内，固定车辆取流位置（93.3 km），当电缆芯线面积变化时，接触线中的电流要大于电缆馈电线的电流，而且跟电缆芯线截面的关系不大（见图 5）。因为在有车区间内，车辆电流由取流点前后接触线提供电流，电缆中的电流主要为取流点远离变电所接触线中的电流。

图5 有车区间电流分配系数图

4.2.3 车辆位置变化时电流分配系数

在牵引网仿真模型中，以10 km为分段区间，电缆芯线截面为240 mm2，当车辆位于分段区间不同位置时，电流分配系数如图6所示。由图6可知，车辆越靠近分段区间起点时，接触线中电流越大；反之，越靠近分段区间终点，电缆中电流越大。

图6 车辆位置变化时电流分配系数图

由上述仿真结果可知，电缆牵引供电方式中电缆馈电线和回流线与接触线和钢轨的并联将大大增强牵引网的供电能力，在正常工作条件下，大部分电流将从电缆馈电线和回流线中流过，降低了接触线和钢轨电流，从而降低钢轨电位，减小对沿线通信的干扰影响。

4.3 牵引网压降

4.3.1 牵引网空载电压仿真结果

设置牵引网供电臂为 100 km，电缆截面为240 mm2。从图7可以看出，由于电缆的容性效应，线路空载时，牵引网电压有一定程度的升高。如采用不同截面的电缆，容抗有所增加，电容电流进一步加大时，可通过静态或动态补偿来降低线路空载电压的升高。

图7 牵引网空载时电压分布图

4.3.2 牵引网负载电压仿真结果

设置牵引网供电臂为100 km，机车取流点为90 km处，负载大小为8+j0.8 MV·A，电缆截面为240 mm2。测试结果如图8所示，从该图可以看出，负荷点位于90 km处时，电压降最大，相对额定电压降幅为8.545%，但电压仍在合格范围内。

图8 牵引网负载时电压分布图

从上述仿真可以看出，电缆供电方式供电能力较强，在长达100 km的供电臂末端，其牵引网电压降在允许范围内。相比于直接供电和AT供电方式，这是一个很大的优点，适用于国内西部地区尤其青藏等高原地区。

5 结论

本文研究了电缆牵引供电方式，对牵引网电气参数进行计算，通过MATLAB/SIMULINK仿真实验，仿真分析了牵引网短路阻抗、电流分配系数、牵引网空载和负载条件下的供电能力等电气特性。牵引网的电气特性决定其供电系统的性能和经济技术指标。通过该文的研究分析，可以为电缆牵引供电方式的工程应用提供参考。

[1]李群湛，贺建闽.牵引供电系统分析[M].成都：西南交通大学出版社，2007.

[2]李群湛，易东，贺建闽.交流电气化铁路牵引电缆供电系统分析[J].西南交通大学学报，2011，（4）.

[3]王健石.电线电缆实用技术手册[M].北京：中国标准出版社，2004.

[4]喻奇，高仕斌，桑丙玉.计入保护线影响的 AT牵引网等值电路推导[J].电气化铁道，2009，（2）.

[5]刑晓乾.带加强线的全并联直接供电方式研究[D].西南交通大学硕士论文，2011.