王賢寧，鄒 靜，康 曦

（國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司 贛州供電分公司，江西 贛州 341000）

0 引言

隨著江西省近年的快速發(fā)展，交通境況有了極大改善，貫穿江西南北的高鐵在各地市普遍投運(yùn)。但高鐵牽引站接入電網(wǎng)，對(duì)江西多家地市供電單位而言，尚屬首次。高鐵由于其特殊的運(yùn)行特性，在所經(jīng)供電段基本都采用單相供電方式［1］，屬于三相不平衡系統(tǒng)。文獻(xiàn)［2］通過(guò)相量圖分析來(lái)具體判斷正常三相平衡系統(tǒng)下的計(jì)量接線問(wèn)題，具體分析了中性線斷線的計(jì)量誤差。文獻(xiàn)［3］、文獻(xiàn)［4］分別將相量圖分析方法應(yīng)用在竊電事件與三相三線計(jì)量接線的案例場(chǎng)景中。文獻(xiàn)［5］用實(shí)際案例驗(yàn)證了低功率因數(shù)、諧波造成電能表的計(jì)量誤差，也應(yīng)納入計(jì)量的誤差范疇。

另外，在高鐵中的電能計(jì)量研究較少，分析較為特殊，文獻(xiàn)［6］、文獻(xiàn)［7］分別對(duì)110 kV 鐵路牽引站與220 kV 高鐵牽引站的高線損進(jìn)行了故障排查與分析，并由此獲知110 kV 鐵路牽引站與220 kV高鐵牽引站的供電方式有所不同，220 kV 高鐵牽引站存在公共相供電的特征等；文獻(xiàn)［8］研究了高鐵負(fù)序電壓、電流對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，然后討論有功功率電能計(jì)量方式存在的問(wèn)題；文獻(xiàn)［9］研究了220 kV 高鐵站內(nèi)計(jì)量回路二次線接地造成的計(jì)量誤差，但不涉及到負(fù)荷運(yùn)行特性。

但現(xiàn)有文獻(xiàn)沒(méi)有針對(duì)220 kV 高鐵牽引站相序接線錯(cuò)誤的案例分析，故本文結(jié)合實(shí)際案例，針對(duì)220 kV 高鐵牽引站相電壓反接的情形進(jìn)行了具體剖析與論證，并為企業(yè)挽回了重大經(jīng)濟(jì)損失。

1 用戶負(fù)荷及運(yùn)行方式基本情況

輸電線路為了保持三相平衡，每隔一段距離會(huì)進(jìn)行換相，在接入該高鐵牽引站時(shí)，該站輸電線路的A、C、B相對(duì)應(yīng)牽引站內(nèi)的A、B、C相，如圖1所示。

該牽引站供電線路的計(jì)量方式為三相四線制，電能表型號(hào)為EDMI，電壓互感器采用YN-yn-d0 接線，電流互感器采用三相星形接線方式。

圖1 某牽引站主接線圖Fig.1 Main wiring diagram of a traction station

以牽引站的A、B、C 相作為參考系，根據(jù)圖1 牽引站主接線原理，該牽引站內(nèi)有4 臺(tái)主變，2 條供電線路211、212互為備用，交替向主變供電。T1F1、T2F2供電段具有空間獨(dú)立性，列車行駛在T1F1時(shí)，T1F1形成電氣回路（行駛在T2F2段同理）。供電線路211、212的B、C相都向T1F1段供電，A、B相都向T2F2段供電。任何一段有列車經(jīng)過(guò)，B相都存在電流，即B相為公共相（對(duì)于輸電線路而言是C相）。I?a0、I?b0、I?c0為該參考系下線路A、B、C相對(duì)應(yīng)電流。當(dāng)僅在T1F1段有列車時(shí)，由線路的B、C相供電，且I?b0= -I?c0；當(dāng)僅在 T2F2段有列車時(shí)，線路的 A、B 相供電，且I?b0=-I?a0；T1F1段、T2F2段同時(shí)有列車經(jīng)過(guò)時(shí)，由線路三相供電，且I?b0=I?a0+I?c0。

2 異常特征

故障前，牽引站側(cè)線路瞬時(shí)有功功率通常為正值，偶爾出現(xiàn)負(fù)值時(shí)幅值較小（列車制動(dòng)返送電造成），且牽引站側(cè)總用電量與對(duì)側(cè)變電站供電線路基本接近，如表1 所示；故障期間，發(fā)現(xiàn)牽引站運(yùn)行線路的瞬時(shí)正向有功功率既有正值也有負(fù)值，且負(fù)值較大，如表2 所示，監(jiān)測(cè)功率可高達(dá)萬(wàn)瓦級(jí)（可排除列車制動(dòng)時(shí)造成的反送電情形）。

表1 牽引站與對(duì)側(cè)變電站電鐵I線211電量比對(duì)Table 1 Electric quantity comparison of electric railway line 211 between the traction station and the opposite substation kWh

由表1可知，3月份牽引站運(yùn)行線路與對(duì)側(cè)變電站供電線路總用電量數(shù)額相差巨大。

表2 電鐵I線211瞬時(shí)功率Table 2 Instantaneous power of electric railway line 211

3 常規(guī)三相負(fù)荷平衡系統(tǒng)與高鐵不平衡系統(tǒng)

3.1 常規(guī)三相負(fù)荷平衡系統(tǒng)分析

圖2所示為三相負(fù)荷平衡系統(tǒng)正確接線時(shí)的相量圖。根據(jù)相量圖及電能表功率表達(dá)式如下

式中:Ua、Ub、Uc分別為A、B、C 相電壓；Ia、Ib、Ic分別為A、B、C 相電流；Φa、Φb、Φc分別為A、B、C相功率因數(shù)角。若正確接線，P始終為正。

圖2 正確接線時(shí)的三相平衡系統(tǒng)相量圖Fig.2 Phasor diagram of a three-phase balanced system with correct wiring

3.2 高鐵不平衡系統(tǒng)常規(guī)分析

為便于理論分析，此時(shí)理論推導(dǎo)以輸電線路的A、B、C相作為參考系，即公共相為C相（對(duì)于牽引站而言是B相）。I?a、I?b、I?c為該參考系下線路A、B、C相對(duì)應(yīng)電流。圖3所示為正確接線時(shí)高鐵3種運(yùn)行方式下的相量圖。左圖為僅T1F1段有列車時(shí)的相量圖。此時(shí)線路的B、C相向T1F1鐵路段供電，電流I?b、I?c大小相等、方向相反，代入公式（1）可知P1恒為正值；居中圖為僅T2F2段有列車時(shí)的相量圖。此時(shí)線路的 A、C 相向 T2F2鐵路段供電，電流I?a、I?c大小相等、方向相反，代入公式（1）可知P2恒為正值；右圖為T1F1段、T2F2段同時(shí)有列車時(shí)相量圖（以Φc＞0為例）。T1F1段、T2F2段都存在穩(wěn)定負(fù)荷時(shí)，分別對(duì)應(yīng)B、C 相與A、C相存在電流，且I?c=I?a+I?b，Φc在0°左右徘徊，可正可負(fù)。代入公式（1）可知P3恒為正值（Φc≤0時(shí)結(jié)論相同）。

圖3 正確接線時(shí)高鐵3種運(yùn)行方式下的相量圖Fig.3 Phasor diagram of three operating modes of the high-speed rail when the wiring is correct

4 案例分析

4.1 現(xiàn)場(chǎng)檢查

牽引站內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)二次回路概況:電壓互感器二次回路從電壓互感器二次抽頭引出，接入PT端子箱，再?gòu)腜T端子箱接入室內(nèi)計(jì)量屏；電流互感器二次回路從電流互感器二次抽頭引出，直接接入室內(nèi)計(jì)量屏。

針對(duì)客戶側(cè)的計(jì)量設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)排查過(guò)程概括為5個(gè)步驟:排查PT 端子箱電壓二次回路、對(duì)計(jì)量屏后端子排進(jìn)行核相、對(duì)電能表進(jìn)行校驗(yàn)、對(duì)計(jì)量二次回路全面檢查、查閱牽引站檢修記錄。

經(jīng)過(guò)該排除步驟后查實(shí)在客戶端子箱處電壓Ub、Uc反接，并查閱到牽引站檢修記錄記載“2019年12月4日，電纜溝著火，燒損二次電纜”。經(jīng)鐵路施工方核實(shí)，火災(zāi)發(fā)生后對(duì)電纜溝內(nèi)二次電纜重新鋪設(shè)，其間更動(dòng)電壓互感器PT端子箱接線。下面進(jìn)行理論驗(yàn)證。

4.2 電壓逆相序致反向有功突增的推導(dǎo)

本節(jié)分析數(shù)值較大的反向有功值是如何產(chǎn)生的，首先分析在三相負(fù)荷平衡系統(tǒng)中的情形。

4.2.1 三相平衡系統(tǒng)Ub、Uc 反接分析

圖4 所示為Ub、Uc反接時(shí)的錯(cuò)誤相量圖。若Ub、Uc反接，可得

在三相負(fù)荷平衡系統(tǒng)中，可令Ua=Ub=Uc=U，Φa=Φb=Φc=Φ，代入公式（2），得P=0，即三相負(fù)荷平衡系統(tǒng)Ub、Uc反接時(shí)，會(huì)導(dǎo)致有功功率近乎為0，并不會(huì)使P出現(xiàn)大的負(fù)值。

圖4 三相平衡系統(tǒng)錯(cuò)誤接線相量圖Fig.4 Phasor diagram of wrong wiring of three-phase balanced system

下面將牽引站三相不平衡負(fù)荷系統(tǒng)代入，分別把鐵路段3 種運(yùn)行方式代入公式中，P1、P2、P3為 3種運(yùn)行方式下對(duì)應(yīng)的有功功率值，對(duì)應(yīng)的相量圖為牽引站負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)實(shí)測(cè)采錄，Φa、Φb、Φc為正常接線時(shí)牽引站的三相功率角，實(shí)測(cè)角度都接近30°。即研究Ub、Uc反接是如何導(dǎo)致電能表月累計(jì)正向有功總值與反向有功總值接近，且瞬時(shí)正向有功功率出現(xiàn)頻率較高的正值、較大負(fù)值的情形，結(jié)合鐵路供電段運(yùn)行特點(diǎn)，從理論上進(jìn)行推導(dǎo)。

4.2.2 牽引站系統(tǒng)僅T1F1段有列車經(jīng)過(guò)分析

錯(cuò)誤接線時(shí)高鐵3種運(yùn)行方式下的相量圖如圖5 所示。圖5（a）為僅T1F1段有列車，且Ub、Uc反接時(shí)的錯(cuò)誤接線相量圖，其功率表達(dá)式如下

實(shí)測(cè)Φb、Φc均在25°～35°，即在第一象限，可知Ub、Uc反接情況下P1恒為負(fù)值。以Ub=Uc=132 kV，Ib=Ic=92 A，Φb=Φc=30°為例，代入公式（3），P1=-21 033.4 kW。

圖5 錯(cuò)誤接線時(shí)高鐵3種運(yùn)行方式下的相量圖Fig.5 Phasor diagrams of three operating modes of high-speed rail during incorrect wiring

4.2.3 牽引站系統(tǒng)僅T2F2段有列車經(jīng)過(guò)分析

圖5（b）僅T2F2段有列車，且Ub、Uc反接時(shí)的錯(cuò)誤接線相量圖，其功率表達(dá)式如下所示

經(jīng)實(shí)測(cè)，可近似令Ua=Uc=U，Ia=Ic=I，Φa=Φc=Φ，可簡(jiǎn)化功率表達(dá)式P2

則知-30°＜Φ＜150°時(shí)P2為正，負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)實(shí)測(cè)Φa、Φc角度均在25°～35°之間，可知Ub、Uc反接情況下P2恒為正值。以Ua=Uc=132 kV，Ia=Ic=92 A，Φa=Φc=30°為例，代入公式（5），可得P2=10 517 kW。

4.2.4 牽引站系統(tǒng)T1F1 段、T2F2 段同時(shí)有列車經(jīng)過(guò)分析

圖5（c）為T1F1段、T2F2段同時(shí)有列車，且Ub、Uc反接時(shí)的錯(cuò)誤接線相量圖，其功率表達(dá)如下所示

經(jīng)實(shí)測(cè)，負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)Φc近似0，Ia、Ib與Φa、Φb大小接近。即令Φb=Φ，簡(jiǎn)化功率表達(dá)如下所示

可知Ub、Uc反接情況下P3恒為負(fù)值。以Ua=Ub=Uc=132 kV，Ia=Ib=Ic=92 A，Φa=Φb=Φc=30°為例，代入公式（7），P3=-10 517 kW。

綜上，若Ub、Uc反接，電能量系統(tǒng)瞬時(shí)正向有功P可為負(fù)值，也可為正值，這取決于鐵路軌道段的運(yùn)行方式，也取決于功率因數(shù)cosΦ（但Φ一般處于25°～35°，對(duì)P值方向無(wú)影響）。具體而言，列車有3種運(yùn)行方式，當(dāng)僅有T1F1段有列車經(jīng)過(guò)時(shí)，P恒為負(fù)值；當(dāng)僅有T2F2段有列車經(jīng)過(guò)時(shí)，P恒為正值；當(dāng)T1F1、T2F2段都有列車經(jīng)過(guò)時(shí)，P值恒為負(fù)值。

綜上所述，在線路211 的二次電壓相序Ub、Uc反接后，線路211 有功的方向?qū)⑹躎1F1段、T2F2段的運(yùn)行方式及功率因數(shù)角的影響。這與表1中故障期間數(shù)據(jù)吻合?，F(xiàn)對(duì)表2 進(jìn)行驗(yàn)證，令Φa≈Φb≈Φc≈Φ，3月2日所列時(shí)刻皆為僅T1F1有列車運(yùn)行時(shí)刻，代入公式（3），可知功率為負(fù)值；需要特別說(shuō)明的是，2020年3月1日所列時(shí)刻為僅T2F2有列車運(yùn)行時(shí)刻，但負(fù)荷處于不穩(wěn)定期，Φ對(duì)應(yīng)為245.04°，已超出-30°～150°范圍（功率恒為正值的前提），代入公式（5），也為負(fù)值。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文借助監(jiān)控高鐵牽引站功率數(shù)據(jù)異常及實(shí)踐排查出Ub、Uc反接，針對(duì)計(jì)量回路接線錯(cuò)誤所造成的功率異常進(jìn)行理論論證，利用相量圖及功率計(jì)算公式推導(dǎo)出計(jì)量接線錯(cuò)誤確會(huì)造成功率異常（功率出現(xiàn)負(fù)值）。理論論證并糾正接線后，可避免供受兩側(cè)計(jì)量電量發(fā)生差異，減少國(guó)有資產(chǎn)流失，在2020年2月28日—2020年4月6日期間共追補(bǔ)電費(fèi)756 756元。

本文可提供高鐵牽引站計(jì)量專業(yè)方向的借鑒如下:

（1）由于輸電線路具有換相的特點(diǎn)，實(shí)踐中存在輸電線路與高鐵牽引站內(nèi)相序參考不一致的現(xiàn)象，如本案例輸電線路的A、C、B相分別對(duì)應(yīng)牽引站的A、B、C相。為防止計(jì)量二次回路電壓、電流接線錯(cuò)誤，應(yīng)當(dāng)仔細(xì)核對(duì)相序，逐相對(duì)接；

（2）大電量客戶應(yīng)加強(qiáng)日常巡檢，重視日線損比對(duì)、功率因數(shù)值變化。針對(duì)鐵路等用電負(fù)荷，應(yīng)開展反向電量監(jiān)測(cè)，以便及早發(fā)現(xiàn)異常、及時(shí)研判處理；

（3）計(jì)量裝置及其二次回路的所有接線端子、試驗(yàn)端子應(yīng)當(dāng)加封，防止人為擅自改動(dòng)計(jì)量裝置接線或擅自開啟封印。