《工业控制计算机》2019年第32卷第11期
∗国网江苏省电力公司科技项目“基于线路参数未知的220kV 及以上同杆双回线精确故障测距技术研究及应用”(5210011600Z6)
模块电源故障
随着当前铁道和电网快速发展，机车、动车正常运行的电力来源，是保障国民生活交通的重要方面。牵引网一旦发生故障，会导致线路断电，甚至影响机车正常运行。
牵引供电系统的电压等级不同于传统的电力系统电压等级，主要通过电网侧的专用铁路供电线路经牵引变电站降压至特殊电压等级后给牵引网供电[1]。由机车、牵引网、牵引变组成的牵引供电系统[2]示意图如图1所示。
图1牵引供电系统示意图
牵引变电站有主供电源和备供电源两路，保证了铁路供电的可靠性。通常高压侧连接三相110kV 或220kV 电压等级的电源线，低压侧则是27.5kV 的两相电压，给机车运行的牵引网提供电源动力。
1牵引网AT 供电方式及模型1.1AT 供电方式变压器模型分析
AT (Auto Transformer )供电方式(又称为自耦变压器供电方式)主要由接触悬挂T 、正馈线F 、保护线PW (包括CPW 线)、轨道大地系统R 以及每隔一定距离设置的自耦变压器(AT )构成[3]，如图2a 所示。采用Scott 变压器进行供电时的示意图如图2b 。
牵引变电所中使用比较成熟的三相-两相变压器为由两台单相变压器构成的Scott 变压器接线[4]，其接线如图3a 所示，从三相-两相变换角度也可把两个二次绕组分别称为α相或β相，两绕组电压相位差90毅。A 、B 、C 三个一次端子接110kV ,AD 额定电压为110kV×3√/2。
图3Scott 接线变压器图
在本文的PSCAD 仿真中，将电力系统110kV 三相电经Scott 变压器直接降为27.5kV 单相交流电，使用三相两绕组变压器来表示Scott 接线变压器，变压器容量选为50MVA ，其结构如图3b 所示。
1.2电力机车模型分析
牵引网的负荷特点比较复杂，谐波含量大，负荷冲击变化频繁。实际可利用晶闸管整流相位控制来实现负荷的平稳控制与调整。负荷机车的模型如图4a 所示，在仿真系统PSCAD 中的
AT 牵引供电系统单相接地故障仿真分析∗
张誉龄
李
澄
邵
亮(国网无锡供电公司，江苏无锡214061)
Single-phase Ground Fault Simulation Analysis of AT Traction Power Supply System
摘要：分析了牵引供电系统的构成，牵引变电所的AT 供电方式，以及牵引供电系统中复杂的机车负荷特点。利用PSCAD 软件对电力机车正常运行进行了仿真分析，验证了牵引供电系统的负荷特点，并对电网侧与牵引网侧发生单相接地故障进行了仿真分析与对比，探究了线路发生故障时对机车负荷的影响。
关键词：牵引供电;AT 供电；单相接地；仿真分析
Abstract 押The composition of the traction power supply system熏the AT power supply mode of the traction substation熏and the complex locomotive load characteristics of the traction power supply system is analyzed in this paper.The load charac⁃teristics of the traction power supply system is verified by PSCAD software simulation analysis on the normal operation of the electric locomotive.The single-phase ground faults is simulated and compared on the grid side and the traction grid side熏and effect of locomotive load is researched on the fault line.
Keywords 押traction power supply熏AT power supply熏single-phase ground熏simulation
analysis
图2牵引网AT 供电图
141
AT 牵引供电系统单相接地故障仿真分析
模型如图4b 所示，对于晶闸管需要触发门极，其中晶闸管导通角控制触发脉冲信号模块如图4c 所示。改变控制角α可实现机车平稳调速，输出电压U d 为:
U d =1
π
πα
∫2√U 2
sintd (wt )=0.45U 2
(1+cos α)
其中:U 2是负荷侧二次侧电压有效值,α是控制角,α∈[0,π]。
图4牵引供电系统图
圆仿真分析
电气化铁路为单相供电，因此短路的方式较一般三相供电方式简单，可以分为单相短路和两相短路(供电系统不同相之间的带电部分绝缘破坏)。利用PSCAD 仿真软件分别对正常运行、电网侧单相接地故障、牵引网侧单相接地故障进行仿真。2.1正常运行
牵引供电系统正常运行时，通过PSCAD 对机车系统进行仿真，电源电压EA 与电流IA ，电力机车负载电流Id 、端电压Ud 及对地电压Ud1仿真如图5a 、b 所示。
从图5中可见，正常运行情况下，机车负载谐波电流脉动很大，机车负荷电压明显不同于常见的交流负载，是连续的锯齿波形，具有大量谐波，负荷周期性冲击变化频繁，而电流特性则较为平稳，能适用于平滑控制。2.2电网侧单相接地故障
在PSCAD 中搭建电网侧单相接地故障模型，见图6。故障开始时间为0.4s ，持续时间为0.2s 。故障时电源电压EA 、故障点电压Uf 及机车端电压Ud 及对地电压Ud1，电源电流IA 、故障点电流If 及机车负载电流Id 。仿真结果如图7a 、b 所示。
可以看出，在0.4s 时刻单相接地短路故障后，故障点的电压突然降至零，线电流增大。持续0.2s 时间后，电压与电流又恢复至正常运行状态。从0.4s 至0.6s 时间段,Scott 变压器高压母线侧单相接地故障后，牵引网侧负载电力机车电流上升的陡度降低且滞缓，两端电压降低，对地电压降低。对比正常运行时的电力机车负载的参数，可见电压与电流均增加了大量的谐
波
图5电力机车正常运行仿真
图
图6PSCAD 中电网侧单相
接地故障模型图
图7电网侧故障仿真结果
142
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(上接第140页)
网情况，具体仿真如图5和图6所示。
仿真结果表明：采用补偿策略后，零序环流幅值较采用补偿策略前降低了近二分之一，三电平中点电位波动小于4V ，并网电流200A 时谐波为1.71%，说明采用该补偿策略对抑制模块化三电平并联零序环流具有可行性。
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及脉动。电力机车正常稳定运行需要脉动较小的电流与电压，否则将出现机车的电机烧坏，甚至灾难性事故。2.3牵引网侧单相接地故障
在PSCAD 中搭建牵引网侧单相接地故障模型，见图8。故障开始时间为0.4s ，持续时间为0.2s ，其余设置同上。
图8PSCAD 中的牵引网侧单相接地故障模型图
由图9a 、b 可知，在0.4s 时刻牵引网侧单相接地短路故障后，故障点的电压突然降至零，线电流增大。持续0.2s 时间后，电压与电流又恢复至正常运行状态。从0.4s 至0.6s 牵引网侧单相接地故障后，牵引网侧负载电力机车电流逐步降低至很小值，然后又回升至于原来状态一样。两端电压逐渐降低至很小数值，接近于零，对地电压亦逐渐降低至接近于零。
根据电网侧故障与牵引网侧的故障仿真分析可知，电网侧发生单相接地故障时对电力机车负载正常运行影响远没有牵引网侧故障时的危险严重。因此，必须对牵引网发生故障高度重视，这样才能对系统安全稳定运行提供保障。猿结束语
通过AT 牵引供电系统中单相接地故障仿真，分析并验证了牵引负荷特性，并对电网侧与牵引网侧发生单相接地故障进行了仿真分析与对比，探究了系统发生线路故障时的机车负荷特性。根据电网侧故障与牵引网侧的故障仿真分析可知，牵引网侧故障时对电力机车影响相当严重，应当采取合适的保护措施以保障机车稳定运行。
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[收稿日期:2019.9.30
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图9牵引网侧故障仿真结果
图5调制波补偿前后零序环
流对比
图6
三电平模块中点电位和并网电
流
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