电气化铁路对成都电网继电保护的影响

申双葵, 陈 立,沈文韬,易 东,马庆安,陈民武

(1.国网四川省电力公司成都供电公司,成都 610041；2.西南交通大学 电气工程学院,成都 610031)

电气化铁路对成都电网继电保护的影响

申双葵1*, 陈 立1,沈文韬2,易 东2,马庆安2,陈民武2

(1.国网四川省电力公司成都供电公司,成都 610041；2.西南交通大学 电气工程学院,成都 610031)

为解决电气化铁路给与其相连接的电网带来的电能质量问题，分析了成都境内电气化铁路对成都电网继电保护装置的影响。介绍成都电网境内电气化铁路供电和成都电网保护配置的基本情况，分析电气化铁路对电网继电保护造成影响的原因，并建立成都电网的Simulink仿真模型，仿真分析牵引网3种类型的短路对成都电网继电保护的影响，得出结论：电气化铁路对电网的继电保护影响很小。

成都电网；电气化铁路；继电保护；影响

随着重载铁路和高速客运专线的发展，电力网中的牵引负荷比重在不断增长。牵引负荷的三相不对称性及非线性引起的负序和谐波问题会影响电网的正常运行。因此，电气化铁路对电网电能质量的影响问题引起了很多学者的关注[1-2]。电气化铁路恶化了电网的电能质量[1-4]，而劣质电能质量可能引起继电保护装置的误动作[5-7]。在电能质量对电网继电保护的影响方面，文献[5]研究了谐波和频率变化对继电保护的影响，文献[6,8-10]论述了谐波对继电保护的影响，文献[7]从频率变化、谐波、三相不平衡以及电压凹陷等多个角度分析了对继电保护的影响，文献[11]论述了电压三相不对称对继电保护的影响，文献[12]从谐波、电压凹陷、波动和闪变以及停电对对继电保护的影响，文献[13]在理论方面阐述了电力机车变压器励磁涌流和电流波动性对以负序、突变量为启动条件的继电保护装置的影响。

成都作为我国八大铁路枢纽之一[14]，铁路运输量极大，而其对成都电网的继电保护影响有待研究。为此，本文论述了电气化铁路对成都电网继电保护装置的影响，并通过短路分析研究了电气化铁路短路对成都电网的影响。

1 成都电网及其境内牵引供电系统概述

目前，成都境内运营有宝成铁路、成渝铁路、成昆铁路、遂渝铁路、沪昆铁路和成绵乐高铁等干线及达成、达万、水柏线3条合资铁路，共11条支线，营业里程超过5 000 km。

与此同时，成都电网建设的步伐也逐年加快，电网结构逐步增强，初步形成了以尖山、蜀州、丹景、龙王、桃乡等5座500 kV变电站为支撑，220 kV网络为市级骨干网，110 kV网络为县级骨干网的网架结构，电网的安全稳定水平和供电能力得到较大提高。

目前，成都电网电气化铁路主要为直接供电方式及带回流线的直接供电方式和AT供电方式。从牵引负荷来讲，既有交直整流型电力机车，也有交直交型动车组，两者的功率因数、谐波水平和负荷功率大小均不相同，如表1所示。不同位置的电气化铁路，牵引变压器的接线形式、容量差别很大。

表1 成都电网范围牵引变压器情况

2 原因分析及应对措施

继电保护装置用于检测设备的故障及不正常运行状态，并及时启动断路器跳闸，保护电力系统和设备的安全。由于牵引负荷是单相的，运行时将在电力系统中引起负序电流；同时，交直整流型的电力机车的电流含有谐波，使电力系统的电压、电流波形产生畸变。

2.1 谐波问题

电力系统中，微机保护已得到广泛应用。微机保护一般采用对采集数据进行离散傅里叶变换(DFT)得到电压、电流的基波分量并用于过电流保护、阻抗保护以及差动保护等。理论上来讲，DFT变换后的电压、电流仅包含基波分量，对保护无影响。然而，对于超高压电力系统，由于快速切除故障的需要，常常对半波或1/4周波的采样数据加窗函数以降低频率泄漏，估计基波分量[1]。例如，变压器的差动保护通常采用突变量作为起动判据。若采用基于半周或1/4周积分算法的电压、电流工频变化量作为判据，无法完全消除谐波的影响，可能导致保护不正常起动、拒动或频繁告警现象[2-5]。全周傅里叶算法均具有较好的滤波特性。例如，差动保护实际加入含有50%的3次谐波的内部、外部故障电流进行试验，未发现误动和拒动[6]。

距离保护中的测距元件是按照线路或变压器的基波阻抗整定的。在故障情况下，当有谐波电流(特别是3次谐波)存在时，测得的阻抗值相对于实际基波阻抗有误差，导致动作区发生一定程度的变化[6-9]。总体而言，其影响不是很大。

电容器可能流过过量的谐波电流，造成电容器过载。若电容器过流保护对谐波不灵敏，就不能充分保护电容器；若保护对电容器灵敏，可能造成保护误动[7]。

电力网中的谐波分量可能透入二次系统而导致谐波感抗与容抗之间发生并联或串联谐振，干扰继电保护的正常工作，甚至威胁二次回路安全[6-9]。

2.2 三相不对称问题

由于电力牵引等大功率单相负荷的接入，电力网中出现较高的负序电压、电流，可能引起以负序分量为启动元件的多种保护装置出现频繁告警或发生误动作[8]。例如变压器的复合电压闭锁过流保护和复合电压闭锁(方向)过流保护；线路复压闭锁过流保护等，尤其是当电网中又存在谐波时，就会严重威胁电网的安全运行[12]。某一输电线路发生曾因负序电流过大(约为正序电流的12%)而引起断路器跳闸[7]。

另外，若干扰性负序电流的相角和电网短路引起的负序电流的相角相反，从而减小启动元件流过的负序电流而降低负序启动元件反应于电网故障的灵敏度[11]。

2.3 应对措施和运行实践

为尽量降低电气化铁路对成都电网的影响，成都供电公司采取了相应的防范措施，为绝大多数客运专线牵引变电所供电的220 kV线路均采用了PRS-753D、RCS-931光纤分相纵差成套保护装置；为普速铁路供电的110 kV输电线路主要采用由微机实现的RCS-943A型光纤差动保护装置，或iPACS-5911C型高压输电线路成套保护装置[15]；差动保护定值按躲过外部短路时引起的最大不平衡电流设计；方向距离保护I段按躲过牵引变压器高压侧短路来设计，II段按躲过牵引变压器低压侧短路来设计。从多年的运行来看，尚未发现电气化铁路误启动继电保护的案例。

3 仿真研究

3.1 成都龙王—桃乡—尖山区域仿真模型建立

在成都电网进行的电能质量测量表明，牵引供电系统正常运行时牵引变压器高压侧电能质量均合格，而合格的电能质量不应、也不会引起继电保护的误动作。

本文建立了成都电网、电流互感器和差动保护、距离保护的仿真模型，研究牵引网短路对成都电网继电保护的影响。该仿真模型包括3座500 kV变电站，24座220 kV变电站，4座110 kV变电站。其中，元件参数按文献[17]计算。

由于短路电流中的谐波分量非常小，且成都电网未采用增量保护、负序过流保护，故本文仅研究了短路对电网差动、距离保护的影响。

下面以石板滩牵引变电所为例进行仿真。

3.2 牵引网-钢轨短路

该仿真模拟牵引网-钢轨发生短路故障对整体电网产生影响。短路点的电压、电流波形如图1所示，运行结果如表2所示。

图1 石板滩牵引变二次侧短路时110kV侧电压、电流

表2 石板滩二次侧短路前后电压电流仿真数据

由表2可知，石板滩牵引变电所机车正常运行时，电网内各变电所电压、电流均在国际要求的范围以内。石板滩27.5 kV侧短路时，成都电网各处电压下降不到10%。仿真结果表明：石板滩牵引变压器二次侧出口处发生牵引网-钢轨之间的短路时，短路电流未达到为石板滩牵引变电所供电的蓉东变电所差动保护、距离保护的启动条件，2种保护均未发生误动作。

3.3 再生制动

该仿真研究动车组从牵引运行状态切换至再生制动模式时，动车组制动产生的再生电流对成都电网继电保护产生的影响。动车组再生制动功率并不大，约为动车组额定功率的0.8倍[18]，一般仅为几MW。列车再生制动时石板滩牵引变110 kV侧的电压、电流仿真结果如图2所示，仿真数据如表3所示。由表3可知，石板滩27.5 kV侧，动车组从正常牵引工况变到制动工况时，成都电网各处电压、电流波动不到5%。仿真结果表明：再生制动未引起为石板滩牵引变电所供电的蓉东变电所差动保护、距离保护的误动作。

图2 列车再生制动时石板滩牵引变110 kV侧电压、电流

表3 动车组牵引、制动前后成都电网电压电流仿真数据

3.4 牵引网跨区短路

该仿真研究石板滩和相邻的成都东牵引变电所之间的牵引网发生跨区短路对电网继电保护的影响。石板滩与成都东发生跨区短路时石板滩牵引变110 kV侧的电压、电流仿真波形如图3所示，仿真数据如表4所示。

由表4可知，石板滩变电所与蓉东牵引变电所之间的牵引网发生短路时，电网各处电压、电流的变化。仿真结果表明，石板滩、蓉东之间的牵引网发生跨区短路时，短路电流未达到为石板滩牵引变电所供电的蓉东变电所差动保护、距离保护的启动条件，2种保护均未发生误动作。

图3 跨区短路时石板滩牵引变110 kV侧电压、电流

表4 发生跨区短路前后电压电流仿真数据

3.5 仿真结果

成都电网短路容量220 kV、110 kV电力设备的保护主要采用了差动、距离继电保护，且成都电网的差动保护的定值躲过了短路时的最大不平衡电流，距离保护II段躲开了牵引变压器二次侧短路的影响，牵引供电系统发生短路故障或再生制动时，成都电力网的电压、电流均达不到继电保护装置启动条件，而故障由牵引变电所的继电保护来切除，故电气化铁路短路或再生制动对成都电网的影响无影响。其原因是牵引变电所分散在成都电网中，牵引变电所负载相对成都电网而言微不足道，比如石板滩牵引变压器容量仅16 MVA，而向其供电的蓉东变电所变压器容量达600 MVA，故牵引网短路不会造成成都电网电压过大的波动和继电保护的误动作。

4 结语

成都电网辖区内的牵引变电所虽然很多，但都具有分散性。成都电网相对于各牵引变电所而言是一个无穷大电源。牵引供电系统在短路故障、再生制动工况及跨区短路时，电力网的电压、电流均在保护启动的范围之外，牵引网故障由牵引网继电保护装置切除，与电网保护构成正常的上下级保护关系，牵引侧短路对电力系统继电保护的影响甚小。

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Study on Influences of Electrified Railways on Relay Protectionin Chengdu Power Grid

SHENShuangkui1*,CHENLi1,SHENWentao2,YIDong2,MAQingan2,CHENMinwu2

(1. Chengdu Power Supply Company, State Grid Corporation of China, Chengdu 610041,China; 2. School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031,China)

Electrified railway brings power grid power quality problems, and poor power quality may cause malfunction of relay protection device. The influences of electrified railway on protection devices in Chengdu power grid was focused on in this paper. First of all, the basic situations of the electrified railways and relay protection configuration within Chengdu grid are described in this paper. Secondly, the influences of electrified railway on power grid are discussed theoretically. Finally, a Simulink model of Chengdu power grid is constructed, and the influences of electrified railways on Chengdu power grid is analyzed based on simulation under three kinds of short-circuit conditions. It comes to the conclusion that electrified railways have neglectable influences on Chengdu power grid.

Chengdu power grid; electrified railways; relay protection; influences

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2015.04.001

2015-11-06

国家自科基金项目“高速铁路新型‘独立’供电系统建模、仿真与优化研究”(51307143)；国网四川省电力公司资助项目“电气化高速铁路对成都电网继电保护的影响”

申双葵(1982— )，男(汉族)，湖南邵东人，工程师，硕士，研究方向:电力系统调度、电力系统继电保护，通信作者邮箱: 12053214@qq.com。 陈立(1967— )，男(汉族)，四川成都人，高级工程师，博士，研究方向:电力系统调度、电力系统继电保护等。

TM77

A

2095-5383(2015)04-0001-04