临沂电网电气化铁路供电及对电网的影响

杜晓平，李 涛，陈瑞林，杜晓媛

（1.山东临沂供电公司，山东 临沂 276003；2.山东临清供电公司，山东 临清 2760032；3.山东郯城供电公司，山东 郯城 276100）

0 引言

电气化铁路具有污染小、功率大，能源综合利用率高等特点，因此在各国都得到广泛应用。根据国务院批准的《中长期铁路网规划》，到2020年，我国铁路总里程将达到10万km，其中电气化5万km，主要干线铁路将实现电气化。铁路电气化率约为50%，承担80%以上的运量。

1 临沂电网电气化铁路的规模

作为济南铁路局菏兖日铁路电气化工程的一部分，2009年，临沂市境内将建设嵋铁站、皇铁站、安铁站、历铁站4个110 kV牵引变电站。

2 临沂电网电气化铁路基本供电模式

2.1 电气化铁路的交流供电模式

电气化铁路由电源、牵引变电站、牵引网和电力机车四部分组成，如图1所示。

工程是在菏兖日铁路沿线建4个牵引变电站，每个电铁牵引变电站均采用两路相互独立的电源进线，由110 kV电源经过牵引变压器后，降压为27.5 kV，然后供给牵引网。牵引网由馈电线、接触网、轨道回路组成，接触网随铁路架设于上空。

图1 电气化铁路的交流供电示意图

其中接触网采用了带回 （吸）流线的直接（RT）供电方式，如图2所示。这种供电方式是在接触网支柱上架设一条与钢轨并联的吸流线，利用接触网与吸流线之间的互感作用，使钢轨中的电流尽可能地由回流线流回牵引变电所，从而可以部分抵消接触网对邻近通信线路的干扰。

图2 接触网带回流线的直接（RT）供电方式

交-直-交型交流传动电力机车通过受电弓与接触网的滑动接触而受电。交流传动方式已成为机车传动的主流技术，它提高了机车用电的功率因数（0.95以上）、降低了注入系统的谐波（谐波电流总畸变率小于5%），从而减少了接触网的电压降、电压波动和注入系统的谐波电流，消除了对通讯、信号的干扰，综合用电效益明显。

2.2 牵引变电站的具体接线形式

临沂电网铁路牵引站主接线如图3所示。由于电力牵引负荷为一级负荷，临沂电网4个110 kV电铁牵引站均采用两路相互独立的电源进线，两台牵引变压器，一主一备方式运行。

两台V/V接线变压器任何情况下均不得在其高压侧或低压侧并列运行，外桥隔离开关只有在供电线路与牵引变交叉带电时才闭合。

2.2.1 电铁牵引站电源

110 kV皇铁站两路电源进线取自220 kV相公站、220 kV梅埠站两座不同的变电站。

以下牵引站电源取自同一电源站：110 kV嵋铁站电源进线取自220 kV九莲站；110 kV安铁站电源进线取自220 kV钟罗站；110 kV历铁站其电源进线取自220 kV温水站；同时满足以下条件：①两路电源取自不同段母线；②该电源站至少有两路电源进线（含来自高一级电压的不同降压变压器）。

牵引站采取轮流换相方式接入。

2.2.2 电能质量监测装置

图3 临沂电网电气化铁路牵引站电气主接线图

在牵引站接入系统的公共连接点（PCC）安装电能质量监测装置，实时监测谐波、负序、电压波动与闪变等电能质量参数，并将数据传送到电力调度和电能质量技术监督部门。

2.2.3 无功补偿装置

27.5 kV侧无功补偿装置采用动态补偿方式，保证公共电网的电能质量。电容器设计时已采用并联电容器回路中串联电抗 （其感抗为容抗的12%）进行消谐，大部分三次谐波和部分其他高次谐波得以滤除。

2.2.4 牵引变压器的接线方式

V/V接线由三铁心“V”接双绕组构成，在牵引侧可方便的提供三相自用电，如图4所示。这种牵引变压器理论容量利用率达到100%，它相当于两台单相变压器，但是它优于单相变压器，其负序容量为正序容量的 50%。它是近几年推出的产品，集成了以前牵引变压器的优点。表1为临沂电网各牵引变参数。

图4 V/V牵引变的接线形式

表1 临沂电网各牵引主变参数

3 牵引站并网线保护配置及其注意事项

3.1 保护配置

临沂电网4个牵引站并网线均采用南瑞的RCS-941D微机保护，保护主要配置有距离保护、零序电流保护、TV断线过流Ⅰ、Ⅱ段。

3.2 保护整定原则及注意事项

3.2.1牵引变压器漏抗的等值计算

保护整定计算如图5所示，图中，ZX为系统等值正序阻抗，Z1为线路正序阻抗，Zt1、Zt2为牵引变每相短路阻抗。当Zt1=Zt2=Zt时，保护安装处三相短路的测量阻抗范围是（Z1+0.345 Zt，Z1+0.42 Zt），因此，变压器漏抗的等值应按0.345 Zt计算，否则可能造成系统侧线路保护定值灵敏度过高，可靠性严重不足，上、下级定值不配而引起保护误动作。

图5 牵引变压器阻抗等值计算图

3.2.2 整定原则

零序电流保护整定原则等同于普通110 kV线路整定原则。

相间距离保护各段整定原则等同与普通线路保护，即Ⅰ段躲线末，II段考虑保证线路灵敏度（亦可考虑躲变压器低压侧），Ⅲ段躲负荷 （冲击）电流。

为防止V/V接线变压器低压侧故障时接地距离Ⅱ段、Ⅲ段误动，将接地距离Ⅱ段、Ⅲ段整定为距离Ⅰ段定值。

3.2.3 注意事项

保护装置只配置于电源侧，此保护只作线路本身的主、后备保护。

虽然电铁电流的基波负序分量、突变量以及高次谐波均导致距离保护振荡闭锁频繁开放，增加误动概率，但作为单侧电源线路，距离保护不需经振荡闭锁。

线路故障切除后不需重合，自动投入备用线路。重合闸永久解除。

保护装置对保护区内任何故障均两相跳闸。

4 电气化铁路对电网的影响因素

电铁牵引负荷是典型的日波动负荷。负序、谐波、无功、电压波动是电气化铁路供电急需解决的四大问题。其中，负序和谐波为影响最大的两个因素。同时，电铁牵引负荷对电网的影响还与其接入的电压等级相关。

4.1 负序对电网的影响

负序使三相电流不对称，系统变压器有一相电流最大，不能有效发挥变压器额定出力。另外，造成其附加能量损失和附加发热。

负序功率不做功，降低了线路输送能力。

一般认为负序电流对输电线路和电力变压器的影响不大。

导致同步发电机出力下降，产生附加振动，造成定子各部分不均匀发热，引起转子表面发热。

负序电流的流入降低电动机运行效率，使其过热，对电动机转子起制动作用。

4.2 谐波对电网的影响

过大的谐波电流流入电气设备，会造成过负荷、过热现象，并可能在一定条件下形成谐振现象。电缆输电时，由于其分布电容对谐波电流有放大作用，谐波电压以正比于其幅值电压的形式增加了介质的电场强度。会严重影响电缆的绝缘及寿命，铁路的馈供线路尽量避免采用高压电缆。

对利用电压波形进行控制的设备及仪表计量等会引起误控和计量误差，影响准确性。

4.3 牵引负荷接入系统的电压等级

国标GB/T15543-1995《电能质量三相电压允许不平衡度》规定了衡量负序水平的指标是共连接点（PCC）三相电压不平衡度，在负序功率一定的情况下，短路容量越大，系统承受负序影响的能力越强。

国标将电网各公共连接点（PCC）的电压总谐波畸变率和各次谐波电压含有率作为谐波推荐性标准。当牵引负荷和牵引变压器接线方式一定时，变电所高压侧的电压单次谐波含有率和总谐波畸变率与高压进线的短路容量成反比。

单从保证牵引供电系统电压水平角度来看，牵引供电系统与接入电力系统的电压等级无关，只与接入电力系统的系统短路容量有关。接入的系统短路容量越大，电力系统的电压损失越小，从而牵引供电系统的综合压降也就越小。

《电气化铁路牵引站接入电网导则（试行）》规定：对于负荷较小的一般铁路，采用110 kV供电。

临沂电网电铁负荷较小，同时临沂电网网架结构合理，220 kV站的110 kV母线都具有较大的短路容量（都在1000 MVA及以上）。

5 电气化铁路对电网的影响

5.1 对继电保护的影响

（1）负荷波动大，110 kV电源线路距离保护的相电流突变量可能使负序启动元件频繁启动。

（2）电源站主变复合电压启动过电流保护装置的负序电压启动元件误动。

（3）电源侧母线差动保护负序电压闭锁元件误动。

（4）负序电流可能导致PT、CT的断线判据误报警。

（5）电源侧故障录波器负序启动元件频繁启动，将导致录波器走纸过多等。

在不得已的情况下，可适提高这些元件整定动作值，在多数情况下不会过分降低故障响应灵敏度，但并不能完全避免谐波影响。

5.2 对电网方式的影响及注意事项

如果受电铁负荷负序分量的影响较大牵引站接入的220 kV变电站的110 kV母线不能并列运行，虽然这样会降低电网的运行可靠性。临沂电网牵引站接入的电源站运行方式也应根据实际运行情况而定。

今后如有小电厂并网，要与电气化铁路不接在同一个电源站上，以避免小电厂的负序保护频繁跳闸。