王琦，解绍锋，冯金博，刘黎

（西南交通大学电气工程学院，成都610031）

电气化铁道牵引供电系统电压水平评估

王琦，解绍锋，冯金博，刘黎

（西南交通大学电气工程学院，成都610031）

从牵引供电系统电压水平影响因素出发，利用多导体传输线理论推导了牵引网电压损失公式，分析了不同供电方式、不同进线短路容量、不同牵引变压器容量对供电系统电压损失的影响，提出了改善牵引网供电电压水平最有效的措施，即尽可能地减小牵引网电压损失。建议采用AT供电方式。此外，还分析了牵引网电压损失的实际值与工程值，提出了利用电压降模值计算高速铁路牵引网电压损失的方法。研究表明，该方法能有效评估实际牵引网供电臂末端电压水平。

牵引供电；电压损失；多导体传输线；阻抗模型；负荷特征

牵引网电压水平直接影响机车牵引力和运行速度，进而影响区段的通过能力和运输量。在实际设计中需要考虑牵引供电系统供电能力，这就需要计算牵引供电系统的电压损失。牵引网电压水平受多种因素的影响，诸如电力系统短路容量及其运行方式，牵引网供电系统供电方式，牵引负荷的大小及功率因数，这就使得电气化铁路牵引供电系统电压水平的评估比较复杂。

本文研究了牵引网阻抗模型，推导了牵引网电压损失公式，结合普速铁路和高速铁路列车运行情况，分析了不同供电方式、不同进线短路容量、不同牵引变容量对牵引网电压损失的影响，提出了改善牵引网电压水平的有效措施，为设计牵引供电系统提供科学理论依据。

1 供电系统电压水平

电气化铁路牵引供电系统的电压水平受电力系统电压损失、牵引变压器电压损失和牵引网电压损失三方面的影响[1]，如图1所示。电力系统电压损失与电力系统短路容量密切相关，牵引变压

图5 电压损失工程值与实际值的比较Fig.5Comparison of voltage-loss between engineering values and theoretical values

3 电力系统及牵引变电压损失

3.1 电气化铁路电力系统电压损失

电力系统电压损失受到电力系统运行方式和牵引负荷状况的影响。GB/T12325中规定：35 kV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过标称电压的10%。如供电电压上下偏差同号时，按较大的偏差绝对值为衡量依据[2]，即

3.2 电气化铁路牵引变压器电压损失

图6所示为目前普遍采用的V/V接线和V/X接线变压器，两者均由2台单相变压器组成。V/V接线与V/X接线变压器数学建模相同。

图6 V/V接线和V/X接线变压器Fig.6V/V-type and V/X-type transformer

图中变压器参数为

式中：RT、XT为单相变压器归算到次边的电阻和电抗值；UN为变压器额定电压，kV；ΔPC为变压器额定铜耗，kW；SN为变压器额定容量，MVA；Ud为变压器短路电压百分比。

变压器超前相绕组电压损失与滞后相绕组电压损失相同，即

4 牵引供电系统电压水平与负荷特征仿真

4.1 基本数据

（1）牵引负荷：普速铁路单车负荷为6 400 kW，高速铁路单车负荷为13 200 kW；

（2）牵引变压器：SN=31.5 MVA，Ud=10.5%和SN=80 MVA，Ud=13%；

（3）导线型号及其参数：接触线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；钢轨P60：r=12.79 mm，R= 0.135 Ω/km；回流线、加强线、正馈线、保护线采用TGJ-185：r=9.03 mm，R=0.163 Ω/km；

（4）各供电臂最大列车数：供电臂长度30 km，普速机车和高速机车时速分别为100 km/h和300 km/h，最小追踪间隔为6 min和3 min，由此计算每供电臂最大列车数分别为4列和3列。当各供电臂分别有一列机车处于供电臂最前端时，需将其造成的电压损失归算至牵引变压器内。

4.2 牵引网电压水平与负荷特征仿真

将高速铁路单车负荷对电气化铁路直接供电方式、NF供电方式和AT供电方式牵引网末端电压损失进行比较，结果如图7所示。

图7 3种供电方式电压损失比较Fig.7Voltage-loss comparison among the three different power-supply patterns

由图7可知：相同牵引功率及功率因数，直接供电方式牵引网电压损失最大，NF供电方式次之，AT供电方式最小。但NF与AT供电方式牵引网电压损失相差不大，由于AT供电方式牵引网相对复杂且投资较大，可用NF牵引网代替。

4.3 牵引供电系统电压水平与负荷特征

设牵引网双边功率及功率因数相同，列车按额定功率运行，最小追踪间隔发车，各供电臂列车数为最大。牵引网最大电压损失如表1所示。普速铁路及高速铁路各部分电压损失如表2、表3所示。表中Sr为牵引变压器安装容量；Sd为系统短路容量。

表1 AT供电方式复线牵引网最大电压损失Tab.1The maximum voltage-loss of complex powersupply network under AT power-supply pattern

表2 普速铁路各部分电压损失Tab.2Voltage-loss of the ordinary-speed railway

表4 高速铁路各部分电压损失（Sr=75，Sd=2 400）Tab.4Voltage-loss of the high-speed railway

由表1可知：当高速铁路功率因数接近于1时，由于其负荷较大，牵引网最大压损较严重。

由表2、表3可知：系统短路容量对牵引供电系统的电压损失影响不大，通过增加短路容量提高电铁供电电压的作用比较有限；通过提高牵引变压器安装容量使得牵引变电所的电压损失大为降低，但由此产生的基本电费也相对较高；对电气化铁路牵引供电系统电压水平影响最大的是牵引网电压损失，因此可行的方法是应尽量减小牵引网电压损失，如采用AT供电方式或者NF供电方式。

5 结论

（1）采用电压降模制计算方法能更准确地分析高速铁路供电电压水平。通过仿真对比当前普遍采用的3种供电方式（直接供电方式、NF供电方式、AT供电方式）下的牵引网电压损失，建议采用能尽可能降低牵引网电压损失的AT供电方式或者NF供电方式，从而有效提高电气化铁路供电电压水平。

（2）对电气化铁路供电电压水平影响最大的是牵引网电压损失，因此可行的方法是在功率因数一定的前提下应尽量采用能有效降低牵引网电压损失的供电方式。另外，系统短路容量和牵引变压器安装容量对牵引供电系统电压水平的影响不大，因此不建议通过增加两者容量来提高供电电压水平。电气化铁路牵引供电系统电压水平受多种因素共同制约，应综合考虑，具体分析，确定行之有效的方法。

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

[2]能源部铁道部电铁谐波负序联合测试研究工作组.雁同电网和丰沙大北同蒲电气化铁路谐波负序测试报告[R].能源部铁道部，1995.

[3]李群湛，贺建闽.电气化铁路电能质量及其综合控制技术[M].成都：西南交通大学出版社，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]唐开林，李群湛，张丽艳，等（Tang Kailin，Li Qunzhan，Zhang Liyan，et al）.电气化铁道牵引网馈线电流概率分布（Probability distribution of feeder current of electrified railway traction）[J].电力系统及其自动化学报（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，硕士研究生，研究方向为牵引供电系统及电能质量控制。Email：wan_gqi@126.com

2012-01-04；

2012-03-09

解绍锋（1979—），男，博士，副教授，研究方向为牵引供电系统及电能质量控制。Email：sfxie@swjtu.cn

冯金博（1985—），男，硕士，工程师，研究方向为牵引供电系统分析与控制。Email：bkO41382174142@126.com