電氣化鐵路對成都電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響

申雙葵, 陳 立,沈文韜,易 東,馬慶安,陳民武

(1.國網(wǎng)四川省電力公司成都供電公司,成都 610041；2.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,成都 610031)

電氣化鐵路對成都電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響

申雙葵1*, 陳 立1,沈文韜2,易 東2,馬慶安2,陳民武2

(1.國網(wǎng)四川省電力公司成都供電公司,成都 610041；2.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,成都 610031)

為解決電氣化鐵路給與其相連接的電網(wǎng)帶來的電能質(zhì)量問題，分析了成都境內(nèi)電氣化鐵路對成都電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置的影響。介紹成都電網(wǎng)境內(nèi)電氣化鐵路供電和成都電網(wǎng)保護(hù)配置的基本情況，分析電氣化鐵路對電網(wǎng)繼電保護(hù)造成影響的原因，并建立成都電網(wǎng)的Simulink仿真模型，仿真分析牽引網(wǎng)3種類型的短路對成都電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響，得出結(jié)論：電氣化鐵路對電網(wǎng)的繼電保護(hù)影響很小。

成都電網(wǎng)；電氣化鐵路；繼電保護(hù)；影響

隨著重載鐵路和高速客運(yùn)專線的發(fā)展，電力網(wǎng)中的牽引負(fù)荷比重在不斷增長。牽引負(fù)荷的三相不對稱性及非線性引起的負(fù)序和諧波問題會影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行。因此，電氣化鐵路對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響問題引起了很多學(xué)者的關(guān)注[1-2]。電氣化鐵路惡化了電網(wǎng)的電能質(zhì)量[1-4]，而劣質(zhì)電能質(zhì)量可能引起繼電保護(hù)裝置的誤動作[5-7]。在電能質(zhì)量對電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響方面，文獻(xiàn)[5]研究了諧波和頻率變化對繼電保護(hù)的影響，文獻(xiàn)[6,8-10]論述了諧波對繼電保護(hù)的影響，文獻(xiàn)[7]從頻率變化、諧波、三相不平衡以及電壓凹陷等多個(gè)角度分析了對繼電保護(hù)的影響，文獻(xiàn)[11]論述了電壓三相不對稱對繼電保護(hù)的影響，文獻(xiàn)[12]從諧波、電壓凹陷、波動和閃變以及停電對對繼電保護(hù)的影響，文獻(xiàn)[13]在理論方面闡述了電力機(jī)車變壓器勵磁涌流和電流波動性對以負(fù)序、突變量為啟動條件的繼電保護(hù)裝置的影響。

成都作為我國八大鐵路樞紐之一[14]，鐵路運(yùn)輸量極大，而其對成都電網(wǎng)的繼電保護(hù)影響有待研究。為此，本文論述了電氣化鐵路對成都電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置的影響，并通過短路分析研究了電氣化鐵路短路對成都電網(wǎng)的影響。

1 成都電網(wǎng)及其境內(nèi)牽引供電系統(tǒng)概述

目前，成都境內(nèi)運(yùn)營有寶成鐵路、成渝鐵路、成昆鐵路、遂渝鐵路、滬昆鐵路和成綿樂高鐵等干線及達(dá)成、達(dá)萬、水柏線3條合資鐵路，共11條支線，營業(yè)里程超過5 000 km。

與此同時(shí)，成都電網(wǎng)建設(shè)的步伐也逐年加快，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)逐步增強(qiáng)，初步形成了以尖山、蜀州、丹景、龍王、桃鄉(xiāng)等5座500 kV變電站為支撐，220 kV網(wǎng)絡(luò)為市級骨干網(wǎng)，110 kV網(wǎng)絡(luò)為縣級骨干網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定水平和供電能力得到較大提高。

目前，成都電網(wǎng)電氣化鐵路主要為直接供電方式及帶回流線的直接供電方式和AT供電方式。從牽引負(fù)荷來講，既有交直整流型電力機(jī)車，也有交直交型動車組，兩者的功率因數(shù)、諧波水平和負(fù)荷功率大小均不相同，如表1所示。不同位置的電氣化鐵路，牽引變壓器的接線形式、容量差別很大。

表1 成都電網(wǎng)范圍牽引變壓器情況

2 原因分析及應(yīng)對措施

繼電保護(hù)裝置用于檢測設(shè)備的故障及不正常運(yùn)行狀態(tài)，并及時(shí)啟動斷路器跳閘，保護(hù)電力系統(tǒng)和設(shè)備的安全。由于牽引負(fù)荷是單相的，運(yùn)行時(shí)將在電力系統(tǒng)中引起負(fù)序電流；同時(shí)，交直整流型的電力機(jī)車的電流含有諧波，使電力系統(tǒng)的電壓、電流波形產(chǎn)生畸變。

2.1 諧波問題

電力系統(tǒng)中，微機(jī)保護(hù)已得到廣泛應(yīng)用。微機(jī)保護(hù)一般采用對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行離散傅里葉變換(DFT)得到電壓、電流的基波分量并用于過電流保護(hù)、阻抗保護(hù)以及差動保護(hù)等。理論上來講，DFT變換后的電壓、電流僅包含基波分量，對保護(hù)無影響。然而，對于超高壓電力系統(tǒng)，由于快速切除故障的需要，常常對半波或1/4周波的采樣數(shù)據(jù)加窗函數(shù)以降低頻率泄漏，估計(jì)基波分量[1]。例如，變壓器的差動保護(hù)通常采用突變量作為起動判據(jù)。若采用基于半周或1/4周積分算法的電壓、電流工頻變化量作為判據(jù)，無法完全消除諧波的影響，可能導(dǎo)致保護(hù)不正常起動、拒動或頻繁告警現(xiàn)象[2-5]。全周傅里葉算法均具有較好的濾波特性。例如，差動保護(hù)實(shí)際加入含有50%的3次諧波的內(nèi)部、外部故障電流進(jìn)行試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)誤動和拒動[6]。

距離保護(hù)中的測距元件是按照線路或變壓器的基波阻抗整定的。在故障情況下，當(dāng)有諧波電流(特別是3次諧波)存在時(shí)，測得的阻抗值相對于實(shí)際基波阻抗有誤差，導(dǎo)致動作區(qū)發(fā)生一定程度的變化[6-9]?？傮w而言，其影響不是很大。

電容器可能流過過量的諧波電流，造成電容器過載。若電容器過流保護(hù)對諧波不靈敏，就不能充分保護(hù)電容器；若保護(hù)對電容器靈敏，可能造成保護(hù)誤動[7]。

電力網(wǎng)中的諧波分量可能透入二次系統(tǒng)而導(dǎo)致諧波感抗與容抗之間發(fā)生并聯(lián)或串聯(lián)諧振，干擾繼電保護(hù)的正常工作，甚至威脅二次回路安全[6-9]。

2.2 三相不對稱問題

由于電力牽引等大功率單相負(fù)荷的接入，電力網(wǎng)中出現(xiàn)較高的負(fù)序電壓、電流，可能引起以負(fù)序分量為啟動元件的多種保護(hù)裝置出現(xiàn)頻繁告警或發(fā)生誤動作[8]。例如變壓器的復(fù)合電壓閉鎖過流保護(hù)和復(fù)合電壓閉鎖(方向)過流保護(hù)；線路復(fù)壓閉鎖過流保護(hù)等，尤其是當(dāng)電網(wǎng)中又存在諧波時(shí)，就會嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行[12]。某一輸電線路發(fā)生曾因負(fù)序電流過大(約為正序電流的12%)而引起斷路器跳閘[7]。

另外，若干擾性負(fù)序電流的相角和電網(wǎng)短路引起的負(fù)序電流的相角相反，從而減小啟動元件流過的負(fù)序電流而降低負(fù)序啟動元件反應(yīng)于電網(wǎng)故障的靈敏度[11]。

2.3 應(yīng)對措施和運(yùn)行實(shí)踐

為盡量降低電氣化鐵路對成都電網(wǎng)的影響，成都供電公司采取了相應(yīng)的防范措施，為絕大多數(shù)客運(yùn)專線牽引變電所供電的220 kV線路均采用了PRS-753D、RCS-931光纖分相縱差成套保護(hù)裝置；為普速鐵路供電的110 kV輸電線路主要采用由微機(jī)實(shí)現(xiàn)的RCS-943A型光纖差動保護(hù)裝置，或iPACS-5911C型高壓輸電線路成套保護(hù)裝置[15]；差動保護(hù)定值按躲過外部短路時(shí)引起的最大不平衡電流設(shè)計(jì)；方向距離保護(hù)I段按躲過牽引變壓器高壓側(cè)短路來設(shè)計(jì)，II段按躲過牽引變壓器低壓側(cè)短路來設(shè)計(jì)。從多年的運(yùn)行來看，尚未發(fā)現(xiàn)電氣化鐵路誤啟動繼電保護(hù)的案例。

3 仿真研究

3.1 成都龍王—桃鄉(xiāng)—尖山區(qū)域仿真模型建立

在成都電網(wǎng)進(jìn)行的電能質(zhì)量測量表明，牽引供電系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)牽引變壓器高壓側(cè)電能質(zhì)量均合格，而合格的電能質(zhì)量不應(yīng)、也不會引起繼電保護(hù)的誤動作。

本文建立了成都電網(wǎng)、電流互感器和差動保護(hù)、距離保護(hù)的仿真模型，研究牽引網(wǎng)短路對成都電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響。該仿真模型包括3座500 kV變電站，24座220 kV變電站，4座110 kV變電站。其中，元件參數(shù)按文獻(xiàn)[17]計(jì)算。

由于短路電流中的諧波分量非常小，且成都電網(wǎng)未采用增量保護(hù)、負(fù)序過流保護(hù)，故本文僅研究了短路對電網(wǎng)差動、距離保護(hù)的影響。

下面以石板灘牽引變電所為例進(jìn)行仿真。

3.2 牽引網(wǎng)-鋼軌短路

該仿真模擬牽引網(wǎng)-鋼軌發(fā)生短路故障對整體電網(wǎng)產(chǎn)生影響。短路點(diǎn)的電壓、電流波形如圖1所示，運(yùn)行結(jié)果如表2所示。

圖1 石板灘牽引變二次側(cè)短路時(shí)110kV側(cè)電壓、電流

表2 石板灘二次側(cè)短路前后電壓電流仿真數(shù)據(jù)

由表2可知，石板灘牽引變電所機(jī)車正常運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)內(nèi)各變電所電壓、電流均在國際要求的范圍以內(nèi)。石板灘27.5 kV側(cè)短路時(shí)，成都電網(wǎng)各處電壓下降不到10%。仿真結(jié)果表明：石板灘牽引變壓器二次側(cè)出口處發(fā)生牽引網(wǎng)-鋼軌之間的短路時(shí)，短路電流未達(dá)到為石板灘牽引變電所供電的蓉東變電所差動保護(hù)、距離保護(hù)的啟動條件，2種保護(hù)均未發(fā)生誤動作。

3.3 再生制動

該仿真研究動車組從牽引運(yùn)行狀態(tài)切換至再生制動模式時(shí)，動車組制動產(chǎn)生的再生電流對成都電網(wǎng)繼電保護(hù)產(chǎn)生的影響。動車組再生制動功率并不大，約為動車組額定功率的0.8倍[18]，一般僅為幾MW。列車再生制動時(shí)石板灘牽引變110 kV側(cè)的電壓、電流仿真結(jié)果如圖2所示，仿真數(shù)據(jù)如表3所示。由表3可知，石板灘27.5 kV側(cè)，動車組從正常牽引工況變到制動工況時(shí)，成都電網(wǎng)各處電壓、電流波動不到5%。仿真結(jié)果表明：再生制動未引起為石板灘牽引變電所供電的蓉東變電所差動保護(hù)、距離保護(hù)的誤動作。

圖2 列車再生制動時(shí)石板灘牽引變110 kV側(cè)電壓、電流

表3 動車組牽引、制動前后成都電網(wǎng)電壓電流仿真數(shù)據(jù)

3.4 牽引網(wǎng)跨區(qū)短路

該仿真研究石板灘和相鄰的成都東牽引變電所之間的牽引網(wǎng)發(fā)生跨區(qū)短路對電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響。石板灘與成都東發(fā)生跨區(qū)短路時(shí)石板灘牽引變110 kV側(cè)的電壓、電流仿真波形如圖3所示，仿真數(shù)據(jù)如表4所示。

由表4可知，石板灘變電所與蓉東牽引變電所之間的牽引網(wǎng)發(fā)生短路時(shí)，電網(wǎng)各處電壓、電流的變化。仿真結(jié)果表明，石板灘、蓉東之間的牽引網(wǎng)發(fā)生跨區(qū)短路時(shí)，短路電流未達(dá)到為石板灘牽引變電所供電的蓉東變電所差動保護(hù)、距離保護(hù)的啟動條件，2種保護(hù)均未發(fā)生誤動作。

圖3 跨區(qū)短路時(shí)石板灘牽引變110 kV側(cè)電壓、電流

表4 發(fā)生跨區(qū)短路前后電壓電流仿真數(shù)據(jù)

3.5 仿真結(jié)果

成都電網(wǎng)短路容量220 kV、110 kV電力設(shè)備的保護(hù)主要采用了差動、距離繼電保護(hù)，且成都電網(wǎng)的差動保護(hù)的定值躲過了短路時(shí)的最大不平衡電流，距離保護(hù)II段躲開了牽引變壓器二次側(cè)短路的影響，牽引供電系統(tǒng)發(fā)生短路故障或再生制動時(shí)，成都電力網(wǎng)的電壓、電流均達(dá)不到繼電保護(hù)裝置啟動條件，而故障由牽引變電所的繼電保護(hù)來切除，故電氣化鐵路短路或再生制動對成都電網(wǎng)的影響無影響。其原因是牽引變電所分散在成都電網(wǎng)中，牽引變電所負(fù)載相對成都電網(wǎng)而言微不足道，比如石板灘牽引變壓器容量僅16 MVA，而向其供電的蓉東變電所變壓器容量達(dá)600 MVA，故牽引網(wǎng)短路不會造成成都電網(wǎng)電壓過大的波動和繼電保護(hù)的誤動作。

4 結(jié)語

成都電網(wǎng)轄區(qū)內(nèi)的牽引變電所雖然很多，但都具有分散性。成都電網(wǎng)相對于各牽引變電所而言是一個(gè)無窮大電源。牽引供電系統(tǒng)在短路故障、再生制動工況及跨區(qū)短路時(shí)，電力網(wǎng)的電壓、電流均在保護(hù)啟動的范圍之外，牽引網(wǎng)故障由牽引網(wǎng)繼電保護(hù)裝置切除，與電網(wǎng)保護(hù)構(gòu)成正常的上下級保護(hù)關(guān)系，牽引側(cè)短路對電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的影響甚小。

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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

國家自科基金項(xiàng)目“高速鐵路新型‘獨(dú)立’供電系統(tǒng)建模、仿真與優(yōu)化研究”(51307143)；國網(wǎng)四川省電力公司資助項(xiàng)目“電氣化高速鐵路對成都電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響”

申雙葵(1982— )，男(漢族)，湖南邵東人，工程師，碩士，研究方向:電力系統(tǒng)調(diào)度、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)，通信作者郵箱: 12053214@qq.com。 陳立(1967— )，男(漢族)，四川成都人，高級工程師，博士，研究方向:電力系統(tǒng)調(diào)度、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)等。

TM77

A

2095-5383(2015)04-0001-04