杜曉平，李 濤，陳瑞林，杜曉媛

（1.山東臨沂供電公司，山東 臨沂 276003；2.山東臨清供電公司，山東 臨清 2760032；3.山東郯城供電公司，山東 郯城 276100）

0 引言

電氣化鐵路具有污染小、功率大，能源綜合利用率高等特點(diǎn)，因此在各國都得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)國務(wù)院批準(zhǔn)的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，到2020年，我國鐵路總里程將達(dá)到10萬km，其中電氣化5萬km，主要干線鐵路將實(shí)現(xiàn)電氣化。鐵路電氣化率約為50%，承擔(dān)80%以上的運(yùn)量。

1 臨沂電網(wǎng)電氣化鐵路的規(guī)模

作為濟(jì)南鐵路局菏兗日鐵路電氣化工程的一部分，2009年，臨沂市境內(nèi)將建設(shè)嵋鐵站、皇鐵站、安鐵站、歷鐵站4個(gè)110 kV牽引變電站。

2 臨沂電網(wǎng)電氣化鐵路基本供電模式

2.1 電氣化鐵路的交流供電模式

電氣化鐵路由電源、牽引變電站、牽引網(wǎng)和電力機(jī)車四部分組成，如圖1所示。

工程是在菏兗日鐵路沿線建4個(gè)牽引變電站，每個(gè)電鐵牽引變電站均采用兩路相互獨(dú)立的電源進(jìn)線，由110 kV電源經(jīng)過牽引變壓器后，降壓為27.5 kV，然后供給牽引網(wǎng)。牽引網(wǎng)由饋電線、接觸網(wǎng)、軌道回路組成，接觸網(wǎng)隨鐵路架設(shè)于上空。

圖1 電氣化鐵路的交流供電示意圖

其中接觸網(wǎng)采用了帶回 （吸）流線的直接（RT）供電方式，如圖2所示。這種供電方式是在接觸網(wǎng)支柱上架設(shè)一條與鋼軌并聯(lián)的吸流線，利用接觸網(wǎng)與吸流線之間的互感作用，使鋼軌中的電流盡可能地由回流線流回牽引變電所，從而可以部分抵消接觸網(wǎng)對鄰近通信線路的干擾。

圖2 接觸網(wǎng)帶回流線的直接（RT）供電方式

交-直-交型交流傳動(dòng)電力機(jī)車通過受電弓與接觸網(wǎng)的滑動(dòng)接觸而受電。交流傳動(dòng)方式已成為機(jī)車傳動(dòng)的主流技術(shù)，它提高了機(jī)車用電的功率因數(shù)（0.95以上）、降低了注入系統(tǒng)的諧波（諧波電流總畸變率小于5%），從而減少了接觸網(wǎng)的電壓降、電壓波動(dòng)和注入系統(tǒng)的諧波電流，消除了對通訊、信號(hào)的干擾，綜合用電效益明顯。

2.2 牽引變電站的具體接線形式

臨沂電網(wǎng)鐵路牽引站主接線如圖3所示。由于電力牽引負(fù)荷為一級(jí)負(fù)荷，臨沂電網(wǎng)4個(gè)110 kV電鐵牽引站均采用兩路相互獨(dú)立的電源進(jìn)線，兩臺(tái)牽引變壓器，一主一備方式運(yùn)行。

兩臺(tái)V/V接線變壓器任何情況下均不得在其高壓側(cè)或低壓側(cè)并列運(yùn)行，外橋隔離開關(guān)只有在供電線路與牽引變交叉帶電時(shí)才閉合。

2.2.1 電鐵牽引站電源

110 kV皇鐵站兩路電源進(jìn)線取自220 kV相公站、220 kV梅埠站兩座不同的變電站。

以下牽引站電源取自同一電源站：110 kV嵋鐵站電源進(jìn)線取自220 kV九蓮站；110 kV安鐵站電源進(jìn)線取自220 kV鐘羅站；110 kV歷鐵站其電源進(jìn)線取自220 kV溫水站；同時(shí)滿足以下條件：①兩路電源取自不同段母線；②該電源站至少有兩路電源進(jìn)線（含來自高一級(jí)電壓的不同降壓變壓器）。

牽引站采取輪流換相方式接入。

2.2.2 電能質(zhì)量監(jiān)測裝置

圖3 臨沂電網(wǎng)電氣化鐵路牽引站電氣主接線圖

在牽引站接入系統(tǒng)的公共連接點(diǎn)（PCC）安裝電能質(zhì)量監(jiān)測裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測諧波、負(fù)序、電壓波動(dòng)與閃變等電能質(zhì)量參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳送到電力調(diào)度和電能質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督部門。

2.2.3 無功補(bǔ)償裝置

27.5 kV側(cè)無功補(bǔ)償裝置采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方式，保證公共電網(wǎng)的電能質(zhì)量。電容器設(shè)計(jì)時(shí)已采用并聯(lián)電容器回路中串聯(lián)電抗 （其感抗為容抗的12%）進(jìn)行消諧，大部分三次諧波和部分其他高次諧波得以濾除。

2.2.4 牽引變壓器的接線方式

V/V接線由三鐵心“V”接雙繞組構(gòu)成，在牽引側(cè)可方便的提供三相自用電，如圖4所示。這種牽引變壓器理論容量利用率達(dá)到100%，它相當(dāng)于兩臺(tái)單相變壓器，但是它優(yōu)于單相變壓器，其負(fù)序容量為正序容量的 50%。它是近幾年推出的產(chǎn)品，集成了以前牽引變壓器的優(yōu)點(diǎn)。表1為臨沂電網(wǎng)各牽引變參數(shù)。

圖4 V/V牽引變的接線形式

表1 臨沂電網(wǎng)各牽引主變參數(shù)

3 牽引站并網(wǎng)線保護(hù)配置及其注意事項(xiàng)

3.1 保護(hù)配置

臨沂電網(wǎng)4個(gè)牽引站并網(wǎng)線均采用南瑞的RCS-941D微機(jī)保護(hù)，保護(hù)主要配置有距離保護(hù)、零序電流保護(hù)、TV斷線過流Ⅰ、Ⅱ段。

3.2 保護(hù)整定原則及注意事項(xiàng)

3.2.1牽引變壓器漏抗的等值計(jì)算

保護(hù)整定計(jì)算如圖5所示，圖中，ZX為系統(tǒng)等值正序阻抗，Z1為線路正序阻抗，Zt1、Zt2為牽引變每相短路阻抗。當(dāng)Zt1=Zt2=Zt時(shí)，保護(hù)安裝處三相短路的測量阻抗范圍是（Z1+0.345 Zt，Z1+0.42 Zt），因此，變壓器漏抗的等值應(yīng)按0.345 Zt計(jì)算，否則可能造成系統(tǒng)側(cè)線路保護(hù)定值靈敏度過高，可靠性嚴(yán)重不足，上、下級(jí)定值不配而引起保護(hù)誤動(dòng)作。

圖5 牽引變壓器阻抗等值計(jì)算圖

3.2.2 整定原則

零序電流保護(hù)整定原則等同于普通110 kV線路整定原則。

相間距離保護(hù)各段整定原則等同與普通線路保護(hù)，即Ⅰ段躲線末，II段考慮保證線路靈敏度（亦可考慮躲變壓器低壓側(cè)），Ⅲ段躲負(fù)荷 （沖擊）電流。

為防止V/V接線變壓器低壓側(cè)故障時(shí)接地距離Ⅱ段、Ⅲ段誤動(dòng)，將接地距離Ⅱ段、Ⅲ段整定為距離Ⅰ段定值。

3.2.3 注意事項(xiàng)

保護(hù)裝置只配置于電源側(cè)，此保護(hù)只作線路本身的主、后備保護(hù)。

雖然電鐵電流的基波負(fù)序分量、突變量以及高次諧波均導(dǎo)致距離保護(hù)振蕩閉鎖頻繁開放，增加誤動(dòng)概率，但作為單側(cè)電源線路，距離保護(hù)不需經(jīng)振蕩閉鎖。

線路故障切除后不需重合，自動(dòng)投入備用線路。重合閘永久解除。

保護(hù)裝置對保護(hù)區(qū)內(nèi)任何故障均兩相跳閘。

4 電氣化鐵路對電網(wǎng)的影響因素

電鐵牽引負(fù)荷是典型的日波動(dòng)負(fù)荷。負(fù)序、諧波、無功、電壓波動(dòng)是電氣化鐵路供電急需解決的四大問題。其中，負(fù)序和諧波為影響最大的兩個(gè)因素。同時(shí)，電鐵牽引負(fù)荷對電網(wǎng)的影響還與其接入的電壓等級(jí)相關(guān)。

4.1 負(fù)序?qū)﹄娋W(wǎng)的影響

負(fù)序使三相電流不對稱，系統(tǒng)變壓器有一相電流最大，不能有效發(fā)揮變壓器額定出力。另外，造成其附加能量損失和附加發(fā)熱。

負(fù)序功率不做功，降低了線路輸送能力。

一般認(rèn)為負(fù)序電流對輸電線路和電力變壓器的影響不大。

導(dǎo)致同步發(fā)電機(jī)出力下降，產(chǎn)生附加振動(dòng)，造成定子各部分不均勻發(fā)熱，引起轉(zhuǎn)子表面發(fā)熱。

負(fù)序電流的流入降低電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率，使其過熱，對電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子起制動(dòng)作用。

4.2 諧波對電網(wǎng)的影響

過大的諧波電流流入電氣設(shè)備，會(huì)造成過負(fù)荷、過熱現(xiàn)象，并可能在一定條件下形成諧振現(xiàn)象。電纜輸電時(shí)，由于其分布電容對諧波電流有放大作用，諧波電壓以正比于其幅值電壓的形式增加了介質(zhì)的電場強(qiáng)度。會(huì)嚴(yán)重影響電纜的絕緣及壽命，鐵路的饋供線路盡量避免采用高壓電纜。

對利用電壓波形進(jìn)行控制的設(shè)備及儀表計(jì)量等會(huì)引起誤控和計(jì)量誤差，影響準(zhǔn)確性。

4.3 牽引負(fù)荷接入系統(tǒng)的電壓等級(jí)

國標(biāo)GB/T15543-1995《電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度》規(guī)定了衡量負(fù)序水平的指標(biāo)是共連接點(diǎn)（PCC）三相電壓不平衡度，在負(fù)序功率一定的情況下，短路容量越大，系統(tǒng)承受負(fù)序影響的能力越強(qiáng)。

國標(biāo)將電網(wǎng)各公共連接點(diǎn)（PCC）的電壓總諧波畸變率和各次諧波電壓含有率作為諧波推薦性標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)牽引負(fù)荷和牽引變壓器接線方式一定時(shí)，變電所高壓側(cè)的電壓單次諧波含有率和總諧波畸變率與高壓進(jìn)線的短路容量成反比。

單從保證牽引供電系統(tǒng)電壓水平角度來看，牽引供電系統(tǒng)與接入電力系統(tǒng)的電壓等級(jí)無關(guān)，只與接入電力系統(tǒng)的系統(tǒng)短路容量有關(guān)。接入的系統(tǒng)短路容量越大，電力系統(tǒng)的電壓損失越小，從而牽引供電系統(tǒng)的綜合壓降也就越小。

《電氣化鐵路牽引站接入電網(wǎng)導(dǎo)則（試行）》規(guī)定：對于負(fù)荷較小的一般鐵路，采用110 kV供電。

臨沂電網(wǎng)電鐵負(fù)荷較小，同時(shí)臨沂電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)合理，220 kV站的110 kV母線都具有較大的短路容量（都在1000 MVA及以上）。

5 電氣化鐵路對電網(wǎng)的影響

5.1 對繼電保護(hù)的影響

（1）負(fù)荷波動(dòng)大，110 kV電源線路距離保護(hù)的相電流突變量可能使負(fù)序啟動(dòng)元件頻繁啟動(dòng)。

（2）電源站主變復(fù)合電壓啟動(dòng)過電流保護(hù)裝置的負(fù)序電壓啟動(dòng)元件誤動(dòng)。

（3）電源側(cè)母線差動(dòng)保護(hù)負(fù)序電壓閉鎖元件誤動(dòng)。

（4）負(fù)序電流可能導(dǎo)致PT、CT的斷線判據(jù)誤報(bào)警。

（5）電源側(cè)故障錄波器負(fù)序啟動(dòng)元件頻繁啟動(dòng)，將導(dǎo)致錄波器走紙過多等。

在不得已的情況下，可適提高這些元件整定動(dòng)作值，在多數(shù)情況下不會(huì)過分降低故障響應(yīng)靈敏度，但并不能完全避免諧波影響。

5.2 對電網(wǎng)方式的影響及注意事項(xiàng)

如果受電鐵負(fù)荷負(fù)序分量的影響較大牽引站接入的220 kV變電站的110 kV母線不能并列運(yùn)行，雖然這樣會(huì)降低電網(wǎng)的運(yùn)行可靠性。臨沂電網(wǎng)牽引站接入的電源站運(yùn)行方式也應(yīng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況而定。

今后如有小電廠并網(wǎng)，要與電氣化鐵路不接在同一個(gè)電源站上，以避免小電廠的負(fù)序保護(hù)頻繁跳閘。