康德建 ，易 東 ，王 輝 ,3

（1.國能新朔鐵路有限責(zé)任公司供電分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010318；2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 611756；3.成都尚華電氣有限公司，四川 成都 610200）

我國現(xiàn)行電氣化鐵路需在牽引變電所出口處和分區(qū)所處均設(shè)置電分相[1-3].電分相為無電區(qū)，若機(jī)車通過電分相時速度較低，可能造成機(jī)車闖分相失敗，造成停車事故；司機(jī)操作一旦失誤，可能造成供電系統(tǒng)短路，引起跳閘斷電，嚴(yán)重時可能損壞供電系統(tǒng)和車載設(shè)備，對重載機(jī)車安全可靠運(yùn)行造成重大影響，成為限制重載鐵路運(yùn)輸能力的瓶頸[4-6].

在單所同相供電的基礎(chǔ)上，相鄰2 個牽引變電所之間采用雙邊供電方式可構(gòu)成電氣化鐵路貫通式同相供電系統(tǒng).對于單所同相供電，組合式同相供電技術(shù)以最小變流器容量實(shí)現(xiàn)了單個牽引變電所的同相供電[1]，被溫州市域鐵路S1 線、廣州地鐵18 號和22 號線等采用.根據(jù)外部電源的不同，文獻(xiàn)[7]將雙邊供電分為平行雙邊供電和樹形雙邊供電.目前，平行雙邊供電被韓國和俄羅斯等國采用，但存在均衡電流、三相電壓不平衡等問題[8-9].對于樹形雙邊供電系統(tǒng)，文獻(xiàn)[10]建立了牽引網(wǎng)阻抗模型和潮流計算模型；文獻(xiàn)[11]研究了負(fù)序補(bǔ)償方案，包括集中式補(bǔ)償和分布式補(bǔ)償方案.此外，文獻(xiàn)[12]還對雙邊供電中諧波的傳輸模型及諧振發(fā)生機(jī)理進(jìn)行了研究.

已有的貫通供電系統(tǒng)研究側(cè)重于牽引供電系統(tǒng)側(cè)建模，對考慮外部電源結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)整體運(yùn)行研究相對較少.本文從空載、負(fù)載和故障三方面對樹形貫通式同相供電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行研究.對于空載工況，建立雙邊供電系統(tǒng)均衡電流評估模型；對于負(fù)載工況，以某實(shí)際重載線路為例，借助于負(fù)荷過程仿真，評估系統(tǒng)的供電能力，分析系統(tǒng)對外部電網(wǎng)的負(fù)序影響；對于系統(tǒng)故障工況，分析該系統(tǒng)可能出現(xiàn)的各類系統(tǒng)故障，提出不同故障時系統(tǒng)的運(yùn)行策略和保護(hù)配置方案.

1 均衡電流

根據(jù)牽引供電系統(tǒng)外部電源供電方式的不同，牽引變電所TS1、TS2 可形成2 類雙邊供電系統(tǒng)，即平行雙邊供電和樹形雙邊供電，如圖1 所示[7].雙邊供電方式下，牽引網(wǎng)與電力系統(tǒng)輸電線并聯(lián)形成環(huán)網(wǎng)，產(chǎn)生附加的均衡電流，會對鐵路電量計費(fèi)等造成影響[13-14].因此，有必要構(gòu)建均衡電流評估模型分析2 類雙邊供電系統(tǒng).

圖1 電氣化鐵路雙邊供電方式Fig.1 Bilateral power supply modes of electrified railway

2 類雙邊供電形式都可以用圖2 所示的等值電路表示.圖中：分別為牽引變電所TS1、TS2進(jìn)線對應(yīng)的公共連接點(diǎn)（PCC）處的電壓；ZJ1、ZJ2分別為牽引變電所TS1、TS2 進(jìn)線對應(yīng)的總阻抗；ZT1、ZT2分別為TS1、TS2 中牽引變壓器T1、T2 歸算至牽引側(cè)的阻抗；Zq為牽引網(wǎng)的等值阻抗；為空載時的牽引網(wǎng)電流，即均衡電流；牽引變壓器T1、T2 原（次）邊電壓分別為對應(yīng)的變比分別為k1、k2.

圖2 雙邊供電等值電路Fig.2 Bilateral equivalent power supply circuit

圖3 均衡電流變化規(guī)律（平行雙邊供電）Fig.3 Equalizing current variation（parallel bilateral power supply）

對圖2 中回路1～3 列寫方程，得

UTi、UTdi和PTi分別為牽引變壓器的額定容量、額定電壓、短路電壓百分比和短路損耗.

由式（1）求得

1）平行雙邊供電

2）樹形雙邊供電

圖4 均衡電流變化規(guī)律（樹形雙邊供電）Fig.4 Equalizing current variation（tree bilateral power supply）

為最大限度降低均衡電流影響，在滿足經(jīng)濟(jì)條件的前提下，重載鐵路貫通式同相供電系統(tǒng)外部電源可選擇樹形供電方式；對于機(jī)車負(fù)荷造成的三相電壓不平衡，可在牽引變電所設(shè)置組合式同相供電裝置進(jìn)行治理，同時為新能源的消納預(yù)留接口；為提高系統(tǒng)供電可靠性，接觸網(wǎng)可采用分段供電與狀態(tài)測控技術(shù)保障牽引網(wǎng)安全運(yùn)行.結(jié)合上述技術(shù)措施構(gòu)成重載鐵路樹形貫通式同相供電系統(tǒng)，如圖5 所示.此時，牽引變電所TS1、TS2 出口處及TS1、TS2之間的供電區(qū)段不需再設(shè)置電分相，能夠?qū)崿F(xiàn)對重載鐵路機(jī)車的不間斷供電，避免機(jī)車過電分相時存在的失速、過電壓和過電流等風(fēng)險.

圖5 樹形貫通式同相供電系統(tǒng)Fig.5 Tree continuous co-phase power supply system

2 供電能力

重載鐵路貫通式同相供電系統(tǒng)的供電能力與外部電源的電壓等級、系統(tǒng)短路容量、進(jìn)線阻抗、牽引供電系統(tǒng)的供電方式、牽引變壓器容量、牽引網(wǎng)導(dǎo)線選型、機(jī)車負(fù)荷和運(yùn)量水平等因素均有關(guān)系，當(dāng)設(shè)備容量、導(dǎo)線載流量均滿足要求時，牽引網(wǎng)的電壓水平則成為系統(tǒng)供電能力良好發(fā)揮的主要制約因素.外部電源的電壓等級越大、系統(tǒng)的短路容量越大、進(jìn)線阻抗越小、牽引變壓器容量越大、牽引網(wǎng)阻抗越小，則輸送至牽引變電所處的電壓損失越小，對應(yīng)的牽引網(wǎng)電壓水平則越高.

通過負(fù)荷過程仿真、現(xiàn)場數(shù)據(jù)實(shí)測等技術(shù)手段，可以評估牽引網(wǎng)的電壓水平，校驗(yàn)方案的設(shè)計是否合理.以某實(shí)際重載線路樹形貫通式同相供電改造方案為例，分別從正常供電和牽引變電所解列2 類工況對樹形貫通式同相供電系統(tǒng)的供電能力進(jìn)行分析與評估.該線路全長約130 km，如圖6 所示，改造前，全線共設(shè)置4 座牽引變電所，分別為牽引變電所TS3、TS4、TS5 和TS6，采用Vv 接線方式，共設(shè)置7 處電分相，全線異相供電.

圖6 改造前的牽引供電系統(tǒng)Fig.6 Traction power supply system before transformation

如圖7 所示，利用既有牽引變電所和分區(qū)所作為分段，采用牽引網(wǎng)分段保護(hù)與狀態(tài)測控技術(shù)對既有牽引變電所和分區(qū)所進(jìn)行改造.改造后，全線存在2 種運(yùn)行方式.當(dāng)變電站5 正常供電時，TS4、TS5同時由變電站5 進(jìn)行供電，構(gòu)成樹形貫通式同相供電系統(tǒng)，為全線供電，全線電分相由7 處變?yōu)? 處；當(dāng)TS4、TS5 分別由變電站4、6 供電時，開閉所4 處開關(guān)斷開，TS4、TS5 分別構(gòu)成單所同相供電，全線電分相由7 處變?yōu)? 處.正常情況下，該系統(tǒng)優(yōu)先工作于雙邊供電模式，故本節(jié)通過構(gòu)建雙邊供電系統(tǒng)的鏈?zhǔn)诫娐纺Ｐ停⒉捎眠B續(xù)線性潮流算法求解[15]，分析其供電能力.

圖7 采用樹形貫通式同相供電系統(tǒng)的改造方案Fig.7 Transformation schemes with tree continuous co-phase power supply system

2.1 正常供電

正常供電情況下牽引變電所TS4、TS5 均投入運(yùn)行，如圖7（a）所示，牽引網(wǎng)貫通供電，短路容量按照1 000 MV·A 考慮.對年運(yùn)量3 500 萬、5 000 萬噸的情形進(jìn)行負(fù)荷過程仿真，機(jī)車為HXD4D，牽引網(wǎng)采用直供帶回流線的供電方式.典型值統(tǒng)計結(jié)果如表1 所示，在年運(yùn)量3 500 萬噸時，牽引網(wǎng)上、下行最低網(wǎng)壓為24.37 kV，年運(yùn)量5 000 萬噸時，最低網(wǎng)壓為25.28 kV，滿足牽引網(wǎng)電壓要求.

表1 正常供電情況下典型值統(tǒng)計結(jié)果Tab.1 Statistical results of simulation values under normal power supply

2.2 牽引變電所解列

牽引變電所TS4、TS5 均有2 路電源和2 臺主變，解列的概率極低，但一旦解列，將對系統(tǒng)供電能力造成影響.牽引變電所解列包括以下2 種情況：

1）牽引變電所TS5 解列

牽引變電所TS5 解列時，由牽引變電所TS4 為全線供電，如圖7（b）所示，進(jìn)行負(fù)荷過程仿真，典型值統(tǒng)計結(jié)果如表2 所示，上、下行牽引網(wǎng)最低網(wǎng)壓為22.74 kV，滿足牽引網(wǎng)電壓要求.

表2 牽引變電所TS5 故障時，TS4 典型值統(tǒng)計結(jié)果Tab.2 Statistical results of simulation values of TS4 with traction substation TS5 fault

2）牽引變電所TS4 解列

牽引變電所TS4 解列時，由牽引變電所TS5 為全線供電，如圖7（c）所示，進(jìn)行負(fù)荷過程仿真，典型值統(tǒng)計結(jié)果如表3 所示，上、下行牽引網(wǎng)最低網(wǎng)壓為22.78 kV，滿足牽引網(wǎng)電壓要求.

表3 牽引變電所TS4 故障時，TS5 典型值統(tǒng)計結(jié)果Tab.3 Statistical results of simulation values of TS5 with traction substation TS4 fault

機(jī)車牽引工況和再生制動工況下的額定功率發(fā)揮均受接觸網(wǎng)電壓的影響.以牽引工況為例，當(dāng)接觸網(wǎng)電壓低于22.50 kV 或高于29.00 kV 時，機(jī)車將不能發(fā)揮額定功率，為確保機(jī)車安全運(yùn)行，需要校驗(yàn)接觸網(wǎng)電壓是否在機(jī)車功率發(fā)揮曲線要求的范圍內(nèi)[16].對于接觸網(wǎng)電壓偏低，影響機(jī)車額定功率發(fā)揮的情形，可通過增加無功補(bǔ)償裝置（例如靜止無功發(fā)生器）和調(diào)節(jié)牽引變壓器抽頭等措施提升牽引網(wǎng)的電壓.經(jīng)校驗(yàn)，牽引變電所解列時，本文方案能夠滿足列車功率需求.

此外，對于鋼軌電位較高的情形，可通過增加貫通地線等措施降低鋼軌電位[17-18].

3 對外部電網(wǎng)的負(fù)序影響

電氣化鐵路為單相負(fù)荷，會對外部電網(wǎng)產(chǎn)生負(fù)序影響，對電力系統(tǒng)造成危害，如電動機(jī)效率下降、局部過熱、繼電保護(hù)裝置誤動作等[19-20].因此，準(zhǔn)確地評估負(fù)序有利于保證重載鐵路貫通式同相供電系統(tǒng)以及其外部電源的安全運(yùn)營.針對線路的不同階段可采用不同的評估方法.對于處在規(guī)劃設(shè)計階段的線路，可收集數(shù)據(jù)資料，建立系統(tǒng)模型，通過仿真計算對系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)序評估；對于已投入運(yùn)行的線路，可通過電能質(zhì)量測試儀等專業(yè)設(shè)備直接測量系統(tǒng)負(fù)序，并進(jìn)行評估.

《電能質(zhì)量——三相電壓不平衡》（GB/T 15543—2008）[21]給出一種電壓不平衡度 εU2的近似計算方法，如式（4）所示.

式中：I2為負(fù)序電流值；Sd為PCC 處的三相短路容量；UL為三相電力系統(tǒng)線電壓.

在改造方案設(shè)計階段可結(jié)合仿真數(shù)據(jù)，利用式（4）對樹形貫通式同相供電系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)序評估，若PCC 處的三相電壓不平衡度符合規(guī)定要求，牽引變壓器采用單相接線變壓器即可；若PCC 處的三相電壓不平衡度超過規(guī)定范圍，可投入同相補(bǔ)償裝置來治理負(fù)序問題.

由仿真結(jié)果可知，采用單相接線變壓器構(gòu)成的樹形貫通式同相供電系統(tǒng)的三相電壓不平衡度95%概率大值和最大值分別為2.59%和3.41%，不滿足《電能質(zhì)量——三相電壓不平衡》對于三相電壓不平衡度限值的要求；采用組合式同相供電裝置后，三相電壓不平衡度95%概率大值和最大值分別為1.20%和1.65%，滿足《電能質(zhì)量——三相電壓不平衡》對于三相電壓不平衡度限值的要求.

4 系統(tǒng)故障和保護(hù)配置

電氣化鐵路作為一級負(fù)荷，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，保護(hù)裝置應(yīng)及時采取措施，使系統(tǒng)故障范圍盡可能的小.對于重載鐵路而言，盡可能小的故障范圍能夠降低其對于運(yùn)輸能力的影響.樹形貫通式同相供電系統(tǒng)可能會發(fā)生的故障有高壓進(jìn)線故障、同相供電裝置故障、接觸網(wǎng)故障等，各類故障及相應(yīng)保護(hù)裝置如圖8 所示，DL 表示短路器，K1～K4 為典型故障位置.

圖8 各類故障及保護(hù)裝置示意Fig.8 Various types of faults and protection devices

1）高壓側(cè)進(jìn)線短路故障

當(dāng)高壓側(cè)進(jìn)線發(fā)生短路故障時，電網(wǎng)側(cè)保護(hù)動作使DL101 跳閘，反向保護(hù)裝置動作使DL103 跳閘，從而切除故障，斷開電源進(jìn)線，備用進(jìn)線投入運(yùn)行.

2）同相供電裝置故障

貫通供電工程改造完成后，除了既有繼電保護(hù)外，同相供電裝置設(shè)置繼電保護(hù).當(dāng)同相供電裝置故障時，繼電保護(hù)動作使DL203 和DL205 跳閘，將故障的同相供電裝置支路切除，備用同相供電裝置投入運(yùn)行；同相供電裝置因故障全部退出運(yùn)行后，主牽引變壓器單獨(dú)供電.

3）接觸網(wǎng)短路故障

對重載鐵路樹形貫通式同相供電系統(tǒng)，接觸網(wǎng)上增設(shè)分段保護(hù)與狀態(tài)測控裝置，可在分區(qū)所處自然分段，每個分段相當(dāng)于原單邊供電的一個供電臂.分段兩端設(shè)置開閉所，在每個開閉所內(nèi)設(shè)置電壓互感器、電流互感器、分段器及斷路器，如圖8 所示.通過分段兩端電流互感器測得的電流大小，可判斷分段內(nèi)機(jī)車的運(yùn)行情況；通過分段兩端電壓互感器測得的電壓，結(jié)合潮流符號法，可判斷分段內(nèi)是否發(fā)生接地短路或斷路故障.當(dāng)接觸網(wǎng)發(fā)生故障時，保護(hù)裝置可及時分辨故障類型并切除故障區(qū)間，達(dá)到盡可能保證非故障區(qū)間正常運(yùn)行的目的.

圖8 中，K1 和K3、K2 和K4 分別屬于同一種故障位置類型，故以K1、K2 故障為例進(jìn)行分析.接觸網(wǎng)2 種不同位置發(fā)生故障時，傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)和樹形貫通式同相供電系統(tǒng)各保護(hù)裝置的動作情況對比如表4 所示.由表4 可知，當(dāng)傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)發(fā)生接觸網(wǎng)故障時，保護(hù)裝置會將整個供電臂甚至非故障區(qū)間的供電臂切除，影響范圍擴(kuò)大；當(dāng)重載鐵路樹形貫通式同相供電系統(tǒng)發(fā)生接觸網(wǎng)故障時，采用由分段保護(hù)及測控裝置準(zhǔn)確識別故障分段并切除，既有保護(hù)作為后備的運(yùn)行策略，只將故障區(qū)段切除，其余區(qū)段正常供電.

表4 接觸網(wǎng)不同位置發(fā)生故障時的保護(hù)裝置動作分析Tab.4 Analysis of protection device action when faults occurred in different locations of overhead contact line system

進(jìn)一步得到重載鐵路傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)和樹形貫通式同相供電系統(tǒng)各類故障分析及措施對比，如表5 所示.

表5 系統(tǒng)各類故障分析及措施對比Tab.5 Analysis of various types of system faults and comparison of measures

5 結(jié)論

1）對于采用樹形雙邊供電構(gòu)成的貫通式同相供電系統(tǒng)，當(dāng)兩相鄰牽引變電所變壓器變比相同時，不會產(chǎn)生均衡電流.

2）以某實(shí)際重載線路為例，結(jié)合負(fù)荷過程仿真，對樹形貫通式同相供電系統(tǒng)的運(yùn)輸能力進(jìn)行分析，結(jié)果說明系統(tǒng)在正常供電和牽引變電所解列越區(qū)供電情況下的供電能力均滿足要求，說明該系統(tǒng)具有良好的供電能力.

3）對系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)序評估，結(jié)果說明投入同相補(bǔ)償裝置可使負(fù)序問題得到治理.

4）通過系統(tǒng)故障及保護(hù)裝置動作的分析，說明系統(tǒng)的可靠性得到保障；當(dāng)發(fā)生接觸網(wǎng)故障時，提出的運(yùn)行策略可準(zhǔn)確識別故障區(qū)段并切除，縮小影響范圍.