李煒

(湖南省電力公司調(diào)度通信局，湖南長沙 410007)

電氣化鐵路運輸為采用電力網(wǎng)供電、電力機車驅(qū)動的大量物資與旅客的運輸系統(tǒng)。電氣化鐵路以其牽引力大、速度快、能耗低、效率高、污染小、對環(huán)境友好等優(yōu)越性在世界各發(fā)達國家得到快速發(fā)展。到2012年，我國將建成“四縱四橫”高速鐵路網(wǎng)，建成客運專線42條，總里程1.3萬km，其中速度250 km/h的線路5 000 km、速度350 km/h的線路8 000 km。到2012年，國網(wǎng)公司經(jīng)營區(qū)域內(nèi)電氣化鐵路牽引站將超過1 000座，在2008年基礎(chǔ)上翻番。僅客運專線網(wǎng)就需新增230多座牽引站，其中大多數(shù)需要采用220 kV電壓等級供電。

截至2009年底，湖南省境內(nèi)已投產(chǎn)電氣化鐵路7條，分別是京廣鐵路、湘黔鐵路、枝柳鐵路、渝懷鐵路、浙贛鐵路、武廣高鐵、洛張鐵路。

武廣鐵路客運專線是京廣鐵路客運專線的一部分。線路經(jīng)湖北省咸寧市西側(cè)，沿京珠高速公路南行進入湖南省境內(nèi)，途經(jīng)岳陽市、長沙市、株洲市、衡陽市、郴州市后進入廣東省境內(nèi)。武廣客運專線湖南境內(nèi)長518.5 km，新建梅子、先鋒、坦渡、塝上、經(jīng)塘、邊山、師古、松山、豪坡、用口、董家11座高速鐵路牽引變電站，目前已經(jīng)投產(chǎn)運營。

1 電氣化鐵路運行特性及電氣特征

1.1 電氣化鐵路的特性

電氣化鐵路牽引負荷是一種特殊負荷，具有不對稱性、非線性、沖擊性，短時集中負荷特征明顯，越區(qū)供電能力要求高，負序諧波特性明顯等顯著特點。電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)是一個非常龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)，包括牽引變、接觸網(wǎng)、電力機車等很多部分，每部分又呈現(xiàn)復(fù)雜多樣的特點。這些使得配套供電工程的方案設(shè)計不同于普通供電工程的方案設(shè)計，設(shè)計更加復(fù)雜，對供電技術(shù)提出了更高標(biāo)準(zhǔn)，協(xié)調(diào)工作量更大。對于速度160 km/h，牽引重量為1 000 t，所需的列車牽引功率為4 600 kW;速度提高到250 km/h，牽引重量仍為1 000 t時，列車牽引功率達到13 300 kW，速度提高0.6倍，牽引功率增加1.9倍;高速鐵路設(shè)計最高速度350 km/h，列車牽引功率將達到24 800 kW，速度提高1.2倍，牽引功率則提高4.4倍。對于萬噸重載列車、設(shè)計速度100 km/h時，牽引功率達到28 000 kW，重載鐵路牽引功率還稍大于高速鐵路的牽引功率。

1.2 湖南電網(wǎng)220 kV電氣化鐵路一次接線及電氣特征

湖南電網(wǎng)采用2回三相輸電線路接人系統(tǒng)，電鐵牽引站的典型接線如圖1。圖1中所示為示意接線，系統(tǒng)變電所母線為雙母，本圖僅表示單母，牽引站內(nèi)部為采用2臺單相變壓器組成V/V結(jié)線。

這種2臺單相變壓器組成V/V結(jié)線不同于以前采用的單相接線的電鐵牽引變壓器，兩者的電氣量分析也不同。如圖2所示。

圖1 電鐵牽引站典型一次接線

圖2 單相變壓器和V/V接線變壓器的電氣量特征分析

從圖2可以看出，對于單相接線的牽引變壓器而言，由于電鐵牽引變的低壓側(cè)電壓等級為55 kV，高壓側(cè)的電壓等級為220 kV，即高、低壓側(cè)的電壓比為4∶1，所以存在如下電氣關(guān)系:

高壓側(cè)三相電流為

低壓側(cè)電流和高壓側(cè)電流之間的關(guān)系為

即:

對于V/V接線的牽引變壓器而言，其高低壓側(cè)電流存在如下的關(guān)聯(lián)關(guān)系:

即:

2 供電線路保護配置情況及整定原則

2.1 220 kV電氣化鐵路供電線路保護配置

(1)電鐵供電線路的保護按單線送終端方式考慮，即僅在系統(tǒng)變電所側(cè)配置微機距離、零序保護裝置，線路在電鐵牽引站側(cè)不配置任何保護。

(2)線路保護采取三相跳閘方式，重合閘功能退出。

(3)電鐵供電線路系統(tǒng)側(cè)不考慮旁路代。

(4)距離保護不需經(jīng)振蕩閉鎖。

2.2 220 kV電氣化鐵路供電線路保護整定原則

由于電鐵牽引站側(cè)的變壓器保護等屬于鐵路部門的整定范圍，所以僅需整定線路保護。針對湖南電網(wǎng)首次出現(xiàn)的220 kV電氣化鐵路供電線路，特制定了如下統(tǒng)一規(guī)范的整定原則。

(1)距離保護 (包括相間距離保護和接地距離保護)Ⅰ段，Ⅱ段，Ⅲ段均伸到電鐵變壓器內(nèi)，但不伸出變壓器低壓側(cè)母線處。其中距離保護Ⅰ段按照對本線路全長有1.5倍的靈敏度整定，延時0 s;距離保護Ⅱ段按照對本線路全長有2倍以上的靈敏度整定，延時1.2 s;距離保護Ⅲ段按照對本線路全長有3倍以上的靈敏度整定，延時1.5 s。

目前220 kV電氣化鐵路供電線路無全線速動保護，因此考慮將距離保護Ⅰ段延伸至牽引變壓器內(nèi)部，但是不超出牽引變壓器的低壓側(cè)，這樣一方面可以保證線路上任何一點故障有無延時段保護，即距離Ⅰ段保護動作切除故障，另一方面可以避免牽引變壓器低壓側(cè)故障引起線路保護越級跳閘。電鐵線路一般較短，其阻抗比牽引變壓器的阻抗小許多，距離保護Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ段的靈敏度按一般性原則整定，距離保護Ⅱ，Ⅲ段的延時則考慮與牽引變高壓側(cè)后備保護配合 (鐵路部門提供了統(tǒng)一的時限)。

(2)電鐵出線退出重合閘，所有保護段均采用三跳原則，三相啟動失靈。

由于V/V結(jié)線的牽引變壓器不允許存在非全相運行狀態(tài)，所以對于電鐵線路只能三相跳閘，而不能沿用湖南電網(wǎng)220 kV主網(wǎng)一直采用的單跳單重的運行方式。對于電鐵線路是否投入重合閘，當(dāng)時存在多種考慮。由于電鐵線路是終端線路，如果能夠快速重合，可以避免牽引站內(nèi)依靠備自投動作來切換供電線路，而且電網(wǎng)的大部分故障是瞬時性故障，重合成功率較高。但是考慮到三相重合閘對電網(wǎng)的沖擊性，處于安全穩(wěn)定原因考慮，最終決定停用重合閘。

(3)零序Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ段均投入使用。零序Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ整定原則按保本線路末端金屬性接地故障有1.5倍以上的靈敏度整定，零序Ⅳ段按照300 A，4.5 s整定。

電鐵牽引站不存在變壓器中性點接地點，只有在發(fā)生接地故障情況下才存在零序電流，并且牽引變的低壓側(cè)發(fā)生接地故障時零序電流不會反應(yīng)到高壓側(cè)，因此只對零序Ⅳ段按照經(jīng)100 Ω接地電阻有靈敏度來整定。

(4)電鐵供電線路不考慮旁路代。由于湖南電網(wǎng)220 kV變電站的旁路保護均為閉鎖式縱聯(lián)保護，考慮到電鐵牽引站本身有2路電源，而且無閉鎖式縱聯(lián)保護，所有電鐵供電線路不考慮旁路代的運行方式。

(5)距離保護不需經(jīng)振蕩閉鎖。對于220 kV電氣化鐵路供電線路而言，由于是單電源線路，不具備產(chǎn)生振蕩的條件，因此距離保護無需經(jīng)振蕩閉鎖。

(6)斷路器保護中的三相不一致保護延時整定為0.5 s。湖南電網(wǎng)常規(guī)220 kV線路的斷路器三相不一致保護延時整定為1.2 s，當(dāng)時是基于考慮躲過單相重合閘的延時0.7 s。但是對于220 kV電氣化鐵路供電線路而言，由于退出了重合閘功能而且采用三相跳閘方式，所以可以將斷路器三相不一致的延時縮短，只要可靠躲過斷路器的短時三相不同步時間即可。

3 供電線路運行的問題及解決方案

3.1 線路不能投入重合閘功能，供電可靠性降低

受湖南地區(qū)氣候特點影響，220 kV架空線路因雷擊、山火、污閃、舞動等原因引起的 (單相)瞬間接地故障概率遠大于永久性接地故障，故重合閘功能 (單跳單重)是保障架空線路可靠供電的有效措施。但按武廣高鐵設(shè)計單位及運行部門的意見，為保證牽引變主變 (不平衡變壓器)的安全穩(wěn)定運行，要求牽引變的2回220 kV供電線路電網(wǎng)側(cè)線路保護均不得投入單相重合閘功能。但是湖南電網(wǎng)220 kV電網(wǎng)一直采用單相重合閘，對于三相重合閘需要驗證電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平是否滿足要求。另一方面，就算是電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平允許投入三相重合閘，但是由于線路本身未配置全線速動的縱聯(lián)保護，線路的距離保護范圍伸至牽引變壓器內(nèi)部，當(dāng)牽引變壓器內(nèi)部故障時，如果牽引變壓器的差動保護拒動而未跳開牽引變壓器的高壓側(cè)開關(guān)，將造成線路三相重合于故障的牽引變壓器，有可能加劇牽引變壓器的損壞?；谝陨显颍罱K決定退出線路保護的重合閘功能。

如此，當(dāng)雷擊等原因造成主供線路發(fā)生瞬間接地故障時，只能三相跳閘，并立即通過牽引變電站站內(nèi)備自投改為備用線路供電，而一旦此時備用線路再發(fā)生故障跳閘 (因2條線路相距不遠，不排除該類現(xiàn)象發(fā)生。如局部區(qū)域密集落雷、山火、舞動、污穢等)，必將導(dǎo)致該牽引變失壓。

從武廣高鐵運行部門了解到，為預(yù)防牽引變失壓 (如上述2回線路均跳閘或全站停電檢修)影響高鐵營運，設(shè)計上考慮了臨近牽引變供電互補方案。但按武廣高鐵相關(guān)管理制度，如需啟動供電互補方案，需上報鐵道部統(tǒng)一調(diào)度。因此供電可靠性降低。

3.2 牽引變交叉?zhèn)渥酝斗绞讲缓侠?/h3>

武廣客運的所有牽引站均有備自投裝置。正常運行情況下，當(dāng)1回供電線路故障跳閘后，備自投裝置可以將牽引站的供電切換到另1回供電線路。但是在運行過程中，發(fā)現(xiàn)部分牽引變現(xiàn)有交叉?zhèn)渥酝兜倪\行方式，也就是在1回供電線路故障跳閘后，在沒有查清楚故障點的情況下，將另1回供電線路交叉?zhèn)渥酝肚兄猎瓉淼臓恳儔浩鱽砉╇?，?dāng)故障點發(fā)生在牽引變壓器內(nèi)部時，將造成雙供電源相繼失去。

3.3 保護的選擇性受到影響

在現(xiàn)有牽引變的繼電保護配置情況下，當(dāng)牽引變站內(nèi)發(fā)生故障時，電源側(cè)線路保護距離Ⅰ段和牽引變差動保護由于都是0 s動作，因此在動作時序上產(chǎn)生競爭，無法保證繼電保護動作的選擇性。

3.4 措施建議

3.4.1 備自投方式為交叉供電的應(yīng)改為獨立供電。以某變電站為例，正常運行時，主電源文先線供電給1，3號牽引變壓器，失壓時主電源所供變壓器高壓側(cè)斷路器101和低壓側(cè)斷路器201，203自動跳開，第2路進線電源新先線不再接著給1，3號牽引變壓器供電，而是改為向2，4號牽引變壓器供電，即合上所供變壓器高壓側(cè)斷路器102和低壓側(cè)斷路器202，204。

3.4.2 現(xiàn)有牽引變應(yīng)增加線路側(cè)斷路器和相應(yīng)保護，降低建設(shè)投資不能以降低供電可靠性為代價。在現(xiàn)有牽引變站內(nèi)增加線路側(cè)斷路器，這樣可以在線路上專設(shè)全線速動的縱聯(lián)保護。如果線路本身裝設(shè)了快速縱聯(lián)保護，這樣線路保護的后備保護Ⅰ段只需要保本線路末端故障有靈敏度即可，不需要再延伸至牽引變壓器內(nèi)部，線路保護的后備保護Ⅱ，Ⅲ段等就可以在延時上與牽引變壓器的相關(guān)保護進行配合，從而保證了保護的選擇性。在這種情況下，可以考慮投入線路保護的三相重合閘，以保障線路瞬時故障下依靠重合閘能連續(xù)供電，牽引變壓器的備自投時間可以與線路保護的重合閘時間進行配合，僅在重合閘動作不成功的情況下再進行備自投。

3.4.3 建議電鐵牽引變采用平衡變壓器。目前，電鐵牽引變采用不平衡變壓器，既限制了線路斷路器重合閘功能的使用又降低了線路供電可靠性，也給電網(wǎng)穩(wěn)定運行帶來其他方面的影響 (如諧波、負序電流增加等)。建議電鐵牽引變采用三相供電、牽引變采用平衡變壓器。

4 結(jié)論

隨著客運專線的快速發(fā)展，對牽引變電站的供電可靠性的要求越來越高，需要在這方面進行更多的探討，從而保證牽引變電站的安全可靠供電，為我國國民經(jīng)濟的發(fā)展做貢獻。

〔1〕李煒，陳劍．武廣客運專線220kV線路保護相關(guān)問題探討〔C〕．2008年中國電機工程學(xué)會年會．

〔2〕GB/T14285－2006繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程〔S〕．北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社．2006．

〔3〕DL/T 559－2007 220 kV－750 kV電網(wǎng)繼電保護裝置運行整定規(guī)程〔S〕．北京:中國電力出版社．2007．

〔4〕國家電網(wǎng)公司．國家電網(wǎng)發(fā)展〔2009〕974號－關(guān)于印發(fā)《電氣化鐵路牽引站接入電網(wǎng)導(dǎo)則 (試行)》的通知〔S〕．2009．