拉林电气化铁路对牵引站附近变电站继电保护影响分析

赵文陶，梅 燕，周德生，邹晓峰，曾 平

(1.国网西藏电力有限公司电力科学研究院，拉萨 850000 ；2.华东电力试验研究院有限公司，上海 200437)

继电保护装置为了提高反应故障分量的灵敏度，以电流电压的负序、零序分量的测量代替全电压、全电流的测量，因为这样可以避开负载电流对定值整定的影响，从而提高保护装置的灵敏度。但是，随着大容量不对称设备在各行各业的广泛应用，负载的不对称性加大了，电网中出现了相当严重的电流、电压负序分量，从而影响了反应电流、电压负序分量的继电器的工作。尤其是电气化铁路(以下简称电铁)作为电网中最主要的负序源，影响程度最深，范围最广，应值得密切关注。

改革开放以来，我国电铁获得了迅速发展，带来了巨大的经济效益和社会效益。但与此同时，电铁机车在用电过程中产生大量的负序与谐波，且电铁机车沿铁路沿线移动用电，产生的危害性远比其他负荷更为严重，更为广泛。

拉林铁路是川藏铁路、滇藏铁路的重要组成部分，远期将是藏区与川渝黔、华中和华东等地客货交流的主通道。拉林铁路共计新建11个牵引站，将大幅提高周边电源点与电网的负序水平，本文对拉林铁路对继电保护装置的正常运行造成影响。

1 拉林电气化铁路对电网电能质量影响

拉林铁路的客机(HXD1D)和货机(HXD2)采用的是大功率流线型交直交型牵引机车。其中交—直环节的整流器，不是采用晶闸管的相控整流器，也不是采用二极管的不可控整流器，而是采用基于GTO晶闸管、IGBT等全控型器件的SPMW(脉冲等幅频宽调制)技术的整流器，通过对25kV牵引电源进行变频变压作为机车交流马达的电源。PWM整流电路的特点是通过适当的控制，可以使得交流电源侧电流为正弦波，并与电压同相位，得到很高的功率因数和很小的谐波发射水平。

根据《川藏铁路拉萨至林芝段牵引变电所接入系统设计》中林铁路各牵引站外部供电方案，通过ETAP软件建立西藏电网2020年网架模型，按照机车设计参数中规定的机车各次谐波含量设定各牵引站谐波源谐波特性，对牵引机车运行对电网各牵引站谐波影响进行分析计算[1-4]，示例如图1、图2所示。

图1 谐波注入后对电网220 kV变电站母线的影响结果

图2 谐波注入后牵引站接入线路谐波电流结果

2 电气化铁路电能质量对继电保护的影响分析

谐波被称为“电力系统污染”，它降低了系统电压正弦波的质量，而且干扰电网的正常运行。电力电子设备的推广应用，非线性负荷的增加，例如变频调速设备、电气机车、工业电炉等的应用，使电力系统的谐波问题日趋严重。牵引变电站是牵引网与电力系统相联系的环节，电铁牵引负荷由整流型电力机车产生，含有丰富的谐波，属于谐波电流源。电力机车采用单相整流桥，特征谐波为奇次谐波。此外，电力机车在启动与过分区空载投入时会产生远高于额定电流的励磁涌流。励磁涌流不仅含有奇次谐波，还含有各偶次谐波，其中二次谐波含量最大。对于小容量变压器，励磁涌流倍数较大，但是衰减较快，一般对低压保护不会有影响。电力机车负荷产生的谐波电流由此进入电力系统，对于电力系统而言，它就是一个谐波源。各电力机车向牵引网注入的谐波电流之间并不相互独立，各机车注入电流共同作用引起牵引网各点电压变化，从而间接地使机车注入的谐波电流发生变化。

谐波电流和谐波电压的出现，会危害系统中的一次和二次设备，干扰设备的正常工作。电力系统谐波会改变继电保护设备的工作特性。由于不同类型继电器的设计性能和工作原理不同，谐波的影响程度也不同。感应型继电器的可动部分惯性较大，动作速度慢，谐波转矩对其影响并不严重。但是对于应用积分比相器原理构成的整流型继电保护装置(如高频相差保护和差动保护)，当波形出现谐波畸变时，过零检测易于出错，从而造成保护不正确动作。根据电科院动模实验结果，快速距离保护和某些快速方向保护需要将其中的A、B滤波器串联，而GE公司的TLS1B型快速距离保护需要在极化回路中加装有源带通滤波器，才能可靠消除谐波对保护的影响。微机型继电保护装置通过在硬件中采用滤波单元，在软件中采用数字滤波技术，可以削弱谐波的影响，但是对于一些采用快速算法的高速保护，谐波的存在仍然会带来一定的不利影响。比如工频变化量保护，对于接近50 Hz的电流/电压分量，会发生误动。谐波对继电保护会产生干扰和造成误动或拒动，尤其是一些衰减时间较长的暂态过程，更容易引起保护的误动作。

较之普通三相系统，电铁两相供电系统有其特殊性：由于电力机车启动频繁，电铁负荷具有较大的移动性和冲击性；且电铁负荷为整流负荷，又是两相供电，因无接地点，电流中主要含有大量的负序和谐波电流，其中尤以三次谐波最为显著；电铁牵引负荷的日波动与线路条件，机车类型，与操纵，机车速度，牵引重量等多种因素有关，而这些影响因素又具有随机特性，长时间的负荷不对称将形成较大的负序电流。此外，当供电回路合闸送电或电力机车通过无电区时，变压器还会因空投而产生较大的励磁涌流。

因此，牵引站供电线路的保护启动元件不宜采用负序及负序突变量启动；速动保护也不宜采用突变量启动元件。由于线路保护模拟量的采样装置需要具有较强的滤波功能，故全线速动保护宜采用工频量作为启动元件，采用光纤差动保护来实现主保护[5-6]。

3 电气化铁路电能质量对线路保护的影响

按照近年国网标准化设计保护配置，220 kV及110 kV线路保护配置有全线速动的差动保护作为主保护，距离或者过流保护作为设备后备保护，零流保护作为高阻故障及电网故障远后备保护。负序分量可能对系统中以负序分量启动的继电保护装置产生负面影响。

根据电铁两相供电系统有其特殊性，首先，电铁负荷具有较大的移动性和冲击性，其运行特点近似于运行线路两相相间经高阻故障。其次，电铁负荷为脉动负荷，对采用电流突变量元件作为启动元件的周围其它220 kV线路的微机保护会造成保护装置频繁启动。可以通过提高220 kV线路保护装置起动定值，或采用低电压元件和相间过流元件为装置的辅助启动元件，从设计原理上避免保护装置的频繁启动[7-9]。

根据对国网同类型电气化铁路负荷录波波形的研究，电铁冲击性负荷所产生的最大电流突变量主要由机车内部变压器的励磁涌流组成。根据这一发现，提出了电铁负荷冲击性可能引起的最大电流突变量估算方法，以此为依据来整定保护装置的突变量元件，能有效保证启动元件不频繁误启动。通过提高动作门槛防止保护装置频繁启动的措施，对保护装置的灵敏度会带来不利影响。若保护的灵敏度不能满足要求，则需从保护装置启动元件的原理上采取改进措施。

(1)对纵联差动保护的影响。如果采用分相光纤纵差，从原理上来说不会受到谐波及不平衡影响。

(2)对后备距离保护的影响。3次及其倍数次的谐波三相相位一致，与系统零序分量相序相同。 次(k为正整数)谐波相序反转，与系统负序分量相似，可能对各类采用零序、负序分量组成启动元件的保护产生一定的影响。

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，当有谐波电流存在时(特别是三次谐波)所测得的阻抗值相对于基波阻抗值有误差。因此动作区的边缘可能出现一定的误差。由于距离元件是按照相间阻抗和对地阻抗计算的，只有相间阻抗和对地阻抗两个整定值，如果三相谐波分量不平衡，可能需要整定时加以考虑。

负序电流或负序电压启动后，受它们干扰的继电保护和自动装置频繁误启动。另外，电气铁路负序信号还可能产生以下后果：(1)信号作用时间较长时，距离保护要转入闭锁状态，使线路在当时失去保护；(2)当铁路负序作用于解除振荡闭锁后，系统又立即发生振荡，则使保护误动而触发跳闸，切断线路。

此外，根据不平衡度仿真分析结果，如下觉牵引站，其负序电压>4%，将对距离保护的保护范围产生影响。在对距离保护整定是，需要根据实际负序电压的波动范围进行相关修正。

4 电气化铁路电能质量对母线保护的影响

根据《川藏铁路拉萨至林芝段牵引变电所接入系统设计》，本次牵引站中共计有6个220 kV变电站接入。220 kV主接线一般采用双母线配置，按照近年国网标准化设计保护配置原则，双母线配置双母线差动保护，差动保护需设置复合电压闭锁用以选择动作母线及避免误动作。对于双母线接线母差保护的负序电压、零序电压或者电压突变量解闭锁，需要核算母线正常运行时的负序与零序电压及电压波动。牵引站机车运行引起的PCC点电压波动仿真结果见表1所示。

表1 牵引站机车运行引起的PCC点电压波动仿真结果

根据拉林电气铁路电能质量仿真数据，可以看出除下觉牵引站外，其他牵引站引起的电压波动均不高于5%，对母差保护的影响不大。

此外，根据不平衡度仿真分析结果，其负序电压均<8%，零序电压均<10%，对母差保护影响不大。

5 结语

电铁机车在用电过程中产生大量的负序与谐波，且电铁机车沿铁路沿线移动用电，产生的危害性远比其他负荷更为严重，更为广泛。拉林铁路是川藏铁路、滇藏铁路的重要组成部分，远期将是藏区与川渝黔、华中和华东等地客货交流的主通道，本工程共计新建11个牵引站，将大幅提高周边电源点与电网的负序水平，改变周边电网的短路电流水平及故障特性，从而对继电保护装置的正常运行造成影响。针对上述情况，本文对拉林电气铁路引起附近电源点与电网的谐波与负序分量进行了分析，并在此基础上对不同原理不同类型的保护设备进行了分析，研究了电能质量对继电保护装置的影响，提出了可行的解决方案。