重載鐵路樹形貫通式同相供電系統的運行狀態

康德建 ，易 東 ，王 輝 ,3

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

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

在單所同相供電的基礎上，相鄰2 個牽引變電所之間采用雙邊供電方式可構成電氣化鐵路貫通式同相供電系統.對于單所同相供電，組合式同相供電技術以最小變流器容量實現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.根據外部電源的不同，文獻[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，文獻[10]建立了牽引網阻抗模型和潮流計算模型；文獻[11]研究了負序補償方案，包括集中式補償和分布式補償方案.此外，文獻[12]還對雙邊供電中諧波的傳輸模型及諧振發生機理進行了研究.

已有的貫通供電系統研究側重于牽引供電系統側建模，對考慮外部電源結構的系統整體運行研究相對較少.本文從空載、負載和故障三方面對樹形貫通式同相供電系統的運行狀態進行研究.對于空載工況，建立雙邊供電系統均衡電流評估模型；對于負載工況，以某實際重載線路為例，借助于負荷過程仿真，評估系統的供電能力，分析系統對外部電網的負序影響；對于系統故障工況，分析該系統可能出現的各類系統故障，提出不同故障時系統的運行策略和保護配置方案.

1 均衡電流

根據牽引供電系統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，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，牽引網與電力系統輸電線并聯形成環網，產生附加的均衡電流，會對鐵路電量計費等造成影響[13-14].因此，有必要構建均衡電流評估模型分析2 類雙邊供電系統.

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進線對應的公共連接點（PCC）處的電壓；ZJ1、ZJ2分別為牽引變電所TS1、TS2 進線對應的總阻抗；ZT1、ZT2分別為TS1、TS2 中牽引變壓器T1、T2 歸算至牽引側的阻抗；Zq為牽引網的等值阻抗；為空載時的牽引網電流，即均衡電流；牽引變壓器T1、T2 原（次）邊電壓分別為對應的變比分別為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，在滿足經濟條件的前提下，重載鐵路貫通式同相供電系統外部電源可選擇樹形供電方式；對于機車負荷造成的三相電壓不平衡，可在牽引變電所設置組合式同相供電裝置進行治理，同時為新能源的消納預留接口；為提高系統供電可靠性，接觸網可采用分段供電與狀態測控技術保障牽引網安全運行.結合上述技術措施構成重載鐵路樹形貫通式同相供電系統，如圖5 所示.此時，牽引變電所TS1、TS2 出口處及TS1、TS2之間的供電區段不需再設置電分相，能夠實現對重載鐵路機車的不間斷供電，避免機車過電分相時存在的失速、過電壓和過電流等風險.

圖5 樹形貫通式同相供電系統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的供電能力與外部電源的電壓等級、系統短路容量、進線阻抗、牽引供電系統的供電方式、牽引變壓器容量、牽引網導線選型、機車負荷和運量水平等因素均有關系，當設備容量、導線載流量均滿足要求時，牽引網的電壓水平則成為系統供電能力良好發揮的主要制約因素.外部電源的電壓等級越大、系統的短路容量越大、進線阻抗越小、牽引變壓器容量越大、牽引網阻抗越小，則輸送至牽引變電所處的電壓損失越小，對應的牽引網電壓水平則越高.

通過負荷過程仿真、現場數據實測等技術手段，可以評估牽引網的電壓水平，校驗方案的設計是否合理.以某實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的供電能力進行分析與評估.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，共設置7 處電分相，全線異相供電.

圖6 改造前的牽引供電系統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所作為分段，采用牽引網分段保護與狀態測控技術對既有牽引變電所和分區所進行改造.改造后，全線存在2 種運行方式.當變電站5 正常供電時，TS4、TS5同時由變電站5 進行供電，構成樹形貫通式同相供電系統，為全線供電，全線電分相由7 處變為0 處；當TS4、TS5 分別由變電站4、6 供電時，開閉所4 處開關斷開，TS4、TS5 分別構成單所同相供電，全線電分相由7 處變為1 處.正常情況下，該系統優先工作于雙邊供電模式，故本節通過構建雙邊供電系統的鏈式電路模型，并采用連續線性潮流算法求解[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 均投入運行，如圖7（a）所示，牽引網貫通供電，短路容量按照1 000 MV·A 考慮.對年運量3 500 萬、5 000 萬噸的情形進行負荷過程仿真，機車為HXD4D，牽引網采用直供帶回流線的供電方式.典型值統計結果如表1 所示，在年運量3 500 萬噸時，牽引網上、下行最低網壓為24.37 kV，年運量5 000 萬噸時，最低網壓為25.28 kV，滿足牽引網電壓要求.

表1 正常供電情況下典型值統計結果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，進行負荷過程仿真，典型值統計結果如表2 所示，上、下行牽引網最低網壓為22.74 kV，滿足牽引網電壓要求.

表2 牽引變電所TS5 故障時，TS4 典型值統計結果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，進行負荷過程仿真，典型值統計結果如表3 所示，上、下行牽引網最低網壓為22.78 kV，滿足牽引網電壓要求.

表3 牽引變電所TS4 故障時，TS5 典型值統計結果Tab.3 Statistical results of simulation values of TS5 with traction substation TS4 fault

機車牽引工況和再生制動工況下的額定功率發揮均受接觸網電壓的影響.以牽引工況為例，當接觸網電壓低于22.50 kV 或高于29.00 kV 時，機車將不能發揮額定功率，為確保機車安全運行，需要校驗接觸網電壓是否在機車功率發揮曲線要求的范圍內[16].對于接觸網電壓偏低，影響機車額定功率發揮的情形，可通過增加無功補償裝置（例如靜止無功發生器）和調節牽引變壓器抽頭等措施提升牽引網的電壓.經校驗，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 對外部電網的負序影響

電氣化鐵路為單相負荷，會對外部電網產生負序影響，對電力系統造成危害，如電動機效率下降、局部過熱、繼電保護裝置誤動作等[19-20].因此，準確地評估負序有利于保證重載鐵路貫通式同相供電系統以及其外部電源的安全運營.針對線路的不同階段可采用不同的評估方法.對于處在規劃設計階段的線路，可收集數據資料，建立系統模型，通過仿真計算對系統進行負序評估；對于已投入運行的線路，可通過電能質量測試儀等專業設備直接測量系統負序，并進行評估.

《電能質量——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為負序電流值；Sd為PCC 處的三相短路容量；UL為三相電力系統線電壓.

在改造方案設計階段可結合仿真數據，利用式（4）對樹形貫通式同相供電系統進行負序評估，若PCC 處的三相電壓不平衡度符合規定要求，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定范圍，可投入同相補償裝置來治理負序問題.

由仿真結果可知，采用單相接線變壓器構成的樹形貫通式同相供電系統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 系統故障和保護配置

電氣化鐵路作為一級負荷，當系統發生故障時，保護裝置應及時采取措施，使系統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輸能力的影響.樹形貫通式同相供電系統可能會發生的故障有高壓進線故障、同相供電裝置故障、接觸網故障等，各類故障及相應保護裝置如圖8 所示，DL 表示短路器，K1～K4 為典型故障位置.

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

1）高壓側進線短路故障

當高壓側進線發生短路故障時，電網側保護動作使DL101 跳閘，反向保護裝置動作使DL103 跳閘，從而切除故障，斷開電源進線，備用進線投入運行.

2）同相供電裝置故障

貫通供電工程改造完成后，除了既有繼電保護外，同相供電裝置設置繼電保護.當同相供電裝置故障時，繼電保護動作使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行；同相供電裝置因故障全部退出運行后，主牽引變壓器單獨供電.

3）接觸網短路故障

對重載鐵路樹形貫通式同相供電系統，接觸網上增設分段保護與狀態測控裝置，可在分區所處自然分段，每個分段相當于原單邊供電的一個供電臂.分段兩端設置開閉所，在每個開閉所內設置電壓互感器、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，可判斷分段內機車的運行情況；通過分段兩端電壓互感器測得的電壓，結合潮流符號法，可判斷分段內是否發生接地短路或斷路故障.當接觸網發生故障時，保護裝置可及時分辨故障類型并切除故障區間，達到盡可能保證非故障區間正常運行的目的.

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 故障為例進行分析.接觸網2 種不同位置發生故障時，傳統牽引供電系統和樹形貫通式同相供電系統各保護裝置的動作情況對比如表4 所示.由表4 可知，當傳統牽引供電系統發生接觸網故障時，保護裝置會將整個供電臂甚至非故障區間的供電臂切除，影響范圍擴大；當重載鐵路樹形貫通式同相供電系統發生接觸網故障時，采用由分段保護及測控裝置準確識別故障分段并切除，既有保護作為后備的運行策略，只將故障區段切除，其余區段正常供電.

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

進一步得到重載鐵路傳統牽引供電系統和樹形貫通式同相供電系統各類故障分析及措施對比，如表5 所示.

表5 系統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 結論

1）對于采用樹形雙邊供電構成的貫通式同相供電系統，當兩相鄰牽引變電所變壓器變比相同時，不會產生均衡電流.

2）以某實際重載線路為例，結合負荷過程仿真，對樹形貫通式同相供電系統的運輸能力進行分析，結果說明系統在正常供電和牽引變電所解列越區供電情況下的供電能力均滿足要求，說明該系統具有良好的供電能力.

3）對系統進行負序評估，結果說明投入同相補償裝置可使負序問題得到治理.

4）通過系統故障及保護裝置動作的分析，說明系統的可靠性得到保障；當發生接觸網故障時，提出的運行策略可準確識別故障區段并切除，縮小影響范圍.