CN115117830B - 一种适用于电气化铁路贯通供电系统的混合型牵引线路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于电气化铁路贯通供电系统的混合型牵引线路，涉及交流电气化铁路供电技术领域，所述混合型牵引线路在两个相邻牵引变电所之间采用电缆和架空线混合连接，连接方式有电缆—架空线、电缆—架空线—电缆等混合形式，为保证线路安全可靠供电，在电缆和架空线连接处安装避雷器。混合型牵引线路中各类输电线路长度的设计，可根据电容效应系数来确定，在满足线路实际运行条件的前提下，通过合理规划各类输电线路长度，最终实现混合型牵引线路总的电容效应系数相对最小。经上述设计得到的混合型牵引线路不仅降低了输电线路的建设成本，还能有效提升贯通供电系统的电能质量。

Description

一种适用于电气化铁路贯通供电系统的混合型牵引线路

技术领域

本发明属于交流电气化铁路供电技术领域,具体涉及一种适用于电气化铁路贯通供电系统的混合型牵引线路。

背景技术

随着电气化铁路事业的快速发展，为提升铁路运输的运行效率及减少系统的能源损耗，经研究发现去除既有系统线路上的电分相是一条行之有效的解决途径。在此研究基础之上，各种新型牵引供电系统方案相继被提出，这些方案都有着各自的特点和优势，其中对于电缆贯通供电系统，它利用电缆传送功率大、输电距离长的优势，有效延长了牵引供电里程，减少甚至取消电分相，同时还能够集中治理牵引供电带来的一系列电能质量问题；该方案同时还减少了外部电源接口，使牵引供电系统的可靠性及安全性均得到提升，能够很好地满足重载运输铁路、高速铁路、需长距离供电铁路等的供电需求；并且该方案还能使列车运行过程中所产生的再生制动能量得到充分的利用，实现清洁、安全的运输。

也有发明者提出“一种电气化铁路同相供变电系统(申请号：201811066548.0)”，也称高压专线贯通供电系统，它采用高压输电线实现牵引供电里程的延长以及无分相供电，且不在电网内产生穿越功率；该方案采用负序集中无功补偿的方式，不改变牵引变电所牵引网的有功潮流，不增加牵引网功率的额外损耗；该方案同电缆贯通供电系统一样可实现列车再生制动能量的充分利用，当系统处于等效再生工况时，还可向电网送出达标的电能。

但经研究分析得出，对于上述能够实现长距离供电的贯通供电系统，大量的使用电缆会给电气化铁路带来一些不利的影响，电缆对地电容是架空线的几十倍，在线路空载、轻载时，由于电缆沿线分布电容的作用，可能会使功率因数角由正变负，造成正常运行时无功向电网倒送，影响送电经济性。同时电缆牵引网内，牵引电缆对外阻抗呈容性，接触网与钢轨的对外阻抗呈感性，牵引电缆从中心变电所吸收大量容性电流，使得线路的容性无功电流增大，而大量容性无功电流流过线路的串联电感时，会引起线路末端电压的升高，电压上升会严重危及设备和系统的安全，并且贯通供电系统内部无法平衡交换无功功率，此时，整个贯通供电系统表现出容性，有可能与电力系统发生串联谐振，并且无功功率的流动会增加贯通供电系统的电能损耗。且目前电缆的造价也制约着该系统的广泛使用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，为了保证电气化铁路贯通供电系统在可靠供电的前提下，提供了一种经济、有效地的混合型牵引线路方案，它能大大改善长距离贯通供电系统大量应用纯电缆造成的“电容效应”等一系列问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下：

一种适用于电气化铁路贯通供电系统的混合型牵引线路，包括电缆、架空线及避雷器；其特征在于：所述电缆、架空线以交替混合连接的方式连接构成混合型牵引线路，混合型牵引线路分别与中心牵引变电所低压侧和沿线每个普通牵引变电所高压侧相连；所述避雷器安装在混合型牵引线路电缆与架空线连接处；

混合型牵引线路中电缆和架空线具体线长可根据电容效应系数进行合理设计，对任意两牵引变电所之间的混合型牵引线路，电容效应系数的确定方法为：

对于一条长度为l的输电线路，定义其首末两端的电压电流关系为

式中，Z为输电线路的波阻抗，波阻抗

α为输电线路的相移系数，相移系数

ω为角速度，C为输电线路单位长度电容，L为输电线路单位长度电感，/>

和/>

为输电线路输入端口电压、电流，/>

和/>

为输电线路输出端口电压、电流；

根据定义，则对于一条长度为l_c的电缆，其首末两端的电压电流关系为：

同理，对于一条长度为l_o的架空线，其首末两端的电压电流关系为：

定义任意两相邻牵引变电所之间混合型牵引线路长度为S，前一个牵引变电所端口电压、电流为

后一个牵引变电所端口电压、电流为/>

根据牵引线路的混合连接方式，得到该混合型牵引线路首末两端电压、电流关系为：

令/>

式中，A表示所求混合牵引线路首末两端总的电压电流变化矩阵，a₁₁、a₁₂、a₂₁、a₂₂为上述矩阵A中对应元素数值的大小，A₁、A₂、…A_n表示混合牵引线路从输入到输出依次排列的两类输电线路首末两端的电压电流变化矩阵，l₁、l₂、…l_n为对应两类输电线路的长度，A_c1、A_o1分别表示电缆和架空线的输电线路首末两端的电压电流变化矩阵；

当线路空载时，即

等于0，代入混合型牵引线路首末两端电压电流方程中，可得混合型牵引线路首段对末端电容效应系数k为：

根据得到的电容效应系数k来设置混合型牵引线路中电缆和架空线的线路长度。

所述交替混合连接的方式至少包括电缆—架空线、电缆—架空线—电缆、架空线—电缆—架空线的连接方式。

本发明的有益效果主要体现在如下方面：

一、架空线具有制作工艺简单、投资较低的优点，牵引线路采用电缆和架空线混合型连接，在满足供电需求的前提下，可减少电缆建设资金的投入，并且相对于长距离电缆贯通供电，混合型牵引线路不要求沿线不间断铺设电缆沟，运行维护相对来说更简单。

二、对于交流电气化铁路系统，线路空载和轻载的情形比较常见，混合型牵引线路在此情形下，可有效减少线路中容性电流的产生，降低了系统内无功功率的流动，同时混合型牵引线路降低了线路的分布电容，减少了系统谐振点，大大提高并改善了铁路系统的电压稳定性和电能质量问题。

附图说明

图1是本发明实施例中的一种应用混合型牵引线路的贯通供电系统结构示意图。

图2是本发明实施例中输电线路分布参数等值电路示意图。

图3是本发明实施例中一种电缆—架空线混合型牵引线路等效电路图。

具体实施方式

为了更好理解本发明创造，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明实施例提供一种适用于电气化铁路贯通供电系统的混合型牵引线路，包括电缆(CL)、架空线(OHL)及避雷器(LA)；所述电缆(CL)、架空线(OHL)以交替混合连接的方式连接构成混合型牵引线路(HTL)，混合型牵引线路(HTL)分别与中心牵引变电所(SS0)低压侧和沿线每个普通牵引变电所高压侧相连；所述避雷器(LA)安装在混合型牵引线路(HTL)电缆(CL)与架空线(OHL)连接处，起到保护线路的作用。

混合型牵引线路(HTL)中电缆和架空线具体线长可根据电容效应系数进行合理设计，对任意两牵引变电所之间的混合型牵引线路，电容效应系数的确定方法为：

电力线路是分布参数的均匀传输线，它的等值电路如图2所示，在不考虑线路的电导和电阻损耗的理想情况下，对于一条长度为l的输电线路，其首末两端的电压电流关系为：

式中，Z为输电线路的波阻抗，波阻抗

α为输电线路的相移系数，相移系数

ω为角速度，C为输电线路单位长度电容，L为输电线路单位长度电感，/>

和/>

为输电线路输入端口电压、电流，/>

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为输电线路输出端口电压、电流；

根据(1)式可计算得出对于一条长度为l_c的电缆，其首末两端的电压电流关系为：

同理，对于一条长度为l_o的架空线，计算其首末两端的电压电流关系为：

定义任意两相邻牵引变电所之间混合型牵引线路长度为S，前一个牵引变电所端口电压、电流为

后一个牵引变电所端口电压、电流为/>

根据牵引线路的混合连接方式，得到该混合型牵引线路首末两端电压、电流关系为：

令/>

式中，A表示所求混合牵引线路首末两端总的电压电流变化矩阵，a₁₁、a₁₂、a₂₁、a₂₂为上述矩阵A中对应元素数值的大小，A₁、A₂、…A_n表示混合牵引线路从输入到输出依次排列的两类输电线路首末两端的电压电流变化矩阵，l₁、l₂、…l_n为对应两类输电线路的长度，A_c1、A_o1分别表示电缆和架空线的输电线路首末两端的电压电流变化矩阵；

当线路空载时，即

等于0，代入混合型牵引线路首末两端电压电流方程中，可得混合型牵引线路首段对末端电容效应系数k为：

根据最终得到的电容效应系数k，不断调整混合型牵引线路中电缆和架空线的线路长度，寻找既能满足线路实际运行条件，又能保证输电线路电容效应相对最小的最优方案。

混合型牵引线路(HTL)在任意相邻的两牵引变电所(SS_k)和牵引变电所(SS_k+1)之间根据实际线路运行条件合理采用交替混合连接的方式，至少包括电缆—架空线、电缆—架空线—电缆、架空线—电缆—架空线的连接方式。

实施例：

如图3所示，当考虑在某相邻两个牵引变电所区间段内的牵引线路上采用电缆—架空线形式的接线，牵引线路电压等级为110kV，牵引线路总长为50km，考虑将电缆长度设置为30km，架空线路长度设置为20km，混合型牵引线路中采用的电缆型号选为YJLW02-64/110-400，其电缆电容经计算约为0.2537uF/km，电感约为0.0023H/km，进一步计算得出单一电缆的相移系数约为0.0059rad/km，波阻抗约为95欧；采用的架空线型号选为LGJQ-240，经过计算得出架空线电容约为5.856nF/km，电感约为0.001H/km，进一步计算得出单一架空线的相移系数约为0.00076rad/km，对应的波阻抗约为413欧。将上述计算得出的数值代入公式(2)(3)(4)(5)(6)，求得电缆—架空线混合牵引型线路电容效应系数k＝1.02，对比当牵引线路全为电缆时，计算出相应的电容效应系数k＝1.08，可以发现牵引线路采用混合线路可以有效降低线路电容效应，还能降低牵引线路建设成本。

Claims (2)

1.一种适用于电气化铁路贯通供电系统的混合型牵引线路，包括电缆、架空线及避雷器；其特征在于：所述电缆、架空线以交替混合连接的方式连接构成混合型牵引线路，混合型牵引线路分别与中心牵引变电所低压侧和沿线每个牵引变电所高压侧相连；所述避雷器安装在混合型牵引线路上电缆与架空线连接处；

混合型牵引线路中电缆和架空线的具体线长由电容效应系数获取，对于任意两牵引变电所之间的混合型牵引线路，电容效应系数的确定方法为：

对于一条长度为l的输电线路，定义其首末两端的电压电流关系为：

式中，Z为输电线路的波阻抗，波阻抗

α为输电线路的相移系数，相移系数

ω为角速度，C为输电线路单位长度电容，L为输电线路单位长度电感，/>

和/>

为输电线路输入端口电压、电流，/>

和/>

为输电线路输出端口电压、电流；

根据定义，则对于一条长度为l_c的电缆，其首末两端的电压电流关系为：

同理，对于一条长度为l_o的架空线，其首末两端的电压电流关系为：

定义任意两相邻牵引变电所之间混合型牵引线路长度为S，前一个牵引变电所端口电压、电流为

后一个牵引变电所端口电压、电流为/>

根据牵引线路的混合连接方式，得到该混合型牵引线路首末两端电压、电流关系为：

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式中，A表示所求混合牵引线路首末两端总的电压电流变化矩阵，a₁₁、a₁₂、a₂₁、a₂₂为上述矩阵A中对应元素数值的大小，A₁、A₂、…A_n表示混合牵引线路从输入到输出依次排列的两类输电线路首末两端的电压电流变化矩阵，l₁、l₂、…l_n为对应两类输电线路的长度，A_c1、A_o1分别表示电缆和架空线的输电线路首末两端的电压电流变化矩阵；

当线路空载时，即

等于0，代入混合型牵引线路首末两端电压电流方程中，可得混合型牵引线路首段对末端电容效应系数k为：

根据得到的电容效应系数k来设置混合型牵引线路中电缆和架空线的线路长度。

2.根据权利要求1所述一种适用于电气化铁路贯通供电系统的混合型牵引线路，其特征在于，所述交替混合连接的方式至少包括电缆—架空线、电缆—架空线—电缆、架空线—电缆—架空线的连接方式。

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