臨沂電網(wǎng)電氣化鐵路供電及對電網(wǎng)的影響

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，因此在各國都得到廣泛應用。根據(jù)國務院批準的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，到2020年，我國鐵路總里程將達到10萬km，其中電氣化5萬km，主要干線鐵路將實現(xiàn)電氣化。鐵路電氣化率約為50%，承擔80%以上的運量。

1 臨沂電網(wǎng)電氣化鐵路的規(guī)模

作為濟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個牽引變電站，每個電鐵牽引變電站均采用兩路相互獨立的電源進線，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-交型交流傳動電力機車通過受電弓與接觸網(wǎng)的滑動接觸而受電。交流傳動方式已成為機車傳動的主流技術(shù)，它提高了機車用電的功率因數(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、電壓波動和注入系統(tǒng)的諧波電流，消除了對通訊、信號的干擾，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。由于電力牽引負荷為一級負荷，臨沂電網(wǎng)4個110 kV電鐵牽引站均采用兩路相互獨立的電源進線，兩臺牽引變壓器，一主一備方式運行。

兩臺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)并列運行，外橋隔離開關(guān)只有在供電線路與牽引變交叉帶電時才閉合。

2.2.1 電鐵牽引站電源

110 kV皇鐵站兩路電源進線取自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嵋鐵站電源進線取自220 kV九蓮站；110 kV安鐵站電源進線取自220 kV鐘羅站；110 kV歷鐵站其電源進線取自220 kV溫水站；同時滿足以下條件：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線（含來自高一級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（PCC）安裝電能質(zhì)量監(jiān)測裝置，實時監(jiān)測諧波、負序、電壓波動與閃變等電能質(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 無功補償裝置

27.5 kV側(cè)無功補償裝置采用動態(tài)補償方式，保證公共電網(wǎng)的電能質(zhì)量。電容器設(shè)計時已采用并聯(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到100%，它相當于兩臺單相變壓器，但是它優(yōu)于單相變壓器，其負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。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)線保護配置及其注意事項

3.1 保護配置

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

3.2 保護整定原則及注意事項

3.2.1牽引變壓器漏抗的等值計算

保護整定計算如圖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Zt1=Zt2=Zt時，保護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按0.345 Zt計算，否則可能造成系統(tǒng)側(cè)線路保護定值靈敏度過高，可靠性嚴重不足，上、下級定值不配而引起保護誤動作。

圖5 牽引變壓器阻抗等值計算圖

3.2.2 整定原則

零序電流保護整定原則等同于普通110 kV線路整定原則。

相間距離保護各段整定原則等同與普通線路保護，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段躲負荷 （沖擊）電流。

為防止V/V接線變壓器低壓側(cè)故障時接地距離Ⅱ段、Ⅲ段誤動，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

保護裝置只配置于電源側(cè)，此保護只作線路本身的主、后備保護。

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

線路故障切除后不需重合，自動投入備用線路。重合閘永久解除。

保護裝置對保護區(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

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

4.1 負序?qū)﹄娋W(wǎng)的影響

負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。

負序功率不做功，降低了線路輸送能力。

一般認為負序電流對輸電線路和電力變壓器的影響不大。

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

負序電流的流入降低電動機運行效率，使其過熱，對電動機轉(zhuǎn)子起制動作用。

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，會造成過負荷、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，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)的電場強度。會嚴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。

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

4.3 牽引負荷接入系統(tǒng)的電壓等級

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

國標將電網(wǎng)各公共連接點（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準。當牽引負荷和牽引變壓器接線方式一定時，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)導則（試行）》規(guī)定：對于負荷較小的一般鐵路，采用110 kV供電。

臨沂電網(wǎng)電鐵負荷較小，同時臨沂電網(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 對繼電保護的影響

（1）負荷波動大，110 kV電源線路距離保護的相電流突變量可能使負序啟動元件頻繁啟動。

（2）電源站主變復合電壓啟動過電流保護裝置的負序電壓啟動元件誤動。

（3）電源側(cè)母線差動保護負序電壓閉鎖元件誤動。

（4）負序電流可能導致PT、CT的斷線判據(jù)誤報警。

（5）電源側(cè)故障錄波器負序啟動元件頻繁啟動，將導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作值，在多數(shù)情況下不會過分降低故障響應靈敏度，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

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

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