重載鐵路樹形貫通式同相供電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)

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(shí)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(shí)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(gè)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(gè)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(jì)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(shí)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(huì)對鐵路電量計(jì)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(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)存在的失速、過電壓和過電流等風(fēng)險(xiǎn).

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(shí)，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(jì)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(shí)，TS4、TS5同時(shí)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(shí)，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?，并采用連續(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(jì)結(jié)果如表1 所示，在年運(yùn)量3 500 萬噸時(shí)，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(shí)，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(jì)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(tái)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(shí)，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(jì)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(shí)，TS4 典型值統(tǒng)計(jì)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(shí)，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(jì)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(shí)，TS5 典型值統(tǒng)計(jì)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(dòng)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(shí)，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(shí)，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(huì)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(dòng)機(jī)效率下降、局部過熱、繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(shí)，保護(hù)裝置應(yīng)及時(shí)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(huì)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(shí)，電網(wǎng)側(cè)保護(hù)動(dòng)作使DL101 跳閘，反向保護(hù)裝置動(dòng)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(shí)，繼電保護(hù)動(dòng)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(gè)分段相當(dāng)于原單邊供電的一個(gè)供電臂.分段兩端設(shè)置開閉所，在每個(gè)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(shí)，保護(hù)裝置可及時(shí)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(shí)，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(dòng)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(shí)，保護(hù)裝置會(huì)將整個(gè)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(shí)，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(shí)的保護(hù)裝置動(dòng)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(shí)，不會(huì)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(dòng)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(shí)，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.