拉林電氣化鐵路對(duì)牽引站附近變電站繼電保護(hù)影響分析

趙文陶，梅 燕，周德生，鄒曉峰，曾 平

(1.國網(wǎng)西藏電力有限公司電力科學(xué)研究院，拉薩 850000 ；2.華東電力試驗(yàn)研究院有限公司，上海 200437)

繼電保護(hù)裝置為了提高反應(yīng)故障分量的靈敏度，以電流電壓的負(fù)序、零序分量的測量代替全電壓、全電流的測量，因?yàn)檫@樣可以避開負(fù)載電流對(duì)定值整定的影響，從而提高保護(hù)裝置的靈敏度。但是，隨著大容量不對(duì)稱設(shè)備在各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用，負(fù)載的不對(duì)稱性加大了，電網(wǎng)中出現(xiàn)了相當(dāng)嚴(yán)重的電流、電壓負(fù)序分量，從而影響了反應(yīng)電流、電壓負(fù)序分量的繼電器的工作。尤其是電氣化鐵路(以下簡稱電鐵)作為電網(wǎng)中最主要的負(fù)序源，影響程度最深，范圍最廣，應(yīng)值得密切關(guān)注。

改革開放以來，我國電鐵獲得了迅速發(fā)展，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但與此同時(shí)，電鐵機(jī)車在用電過程中產(chǎn)生大量的負(fù)序與諧波，且電鐵機(jī)車沿鐵路沿線移動(dòng)用電，產(chǎn)生的危害性遠(yuǎn)比其他負(fù)荷更為嚴(yán)重，更為廣泛。

拉林鐵路是川藏鐵路、滇藏鐵路的重要組成部分，遠(yuǎn)期將是藏區(qū)與川渝黔、華中和華東等地客貨交流的主通道。拉林鐵路共計(jì)新建11個(gè)牽引站，將大幅提高周邊電源點(diǎn)與電網(wǎng)的負(fù)序水平，本文對(duì)拉林鐵路對(duì)繼電保護(hù)裝置的正常運(yùn)行造成影響。

1 拉林電氣化鐵路對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量影響

拉林鐵路的客機(jī)(HXD1D)和貨機(jī)(HXD2)采用的是大功率流線型交直交型牽引機(jī)車。其中交—直環(huán)節(jié)的整流器，不是采用晶閘管的相控整流器，也不是采用二極管的不可控整流器，而是采用基于GTO晶閘管、IGBT等全控型器件的SPMW(脈沖等幅頻寬調(diào)制)技術(shù)的整流器，通過對(duì)25kV牽引電源進(jìn)行變頻變壓作為機(jī)車交流馬達(dá)的電源。PWM整流電路的特點(diǎn)是通過適當(dāng)?shù)目刂?，可以使得交流電源?cè)電流為正弦波，并與電壓同相位，得到很高的功率因數(shù)和很小的諧波發(fā)射水平。

根據(jù)《川藏鐵路拉薩至林芝段牽引變電所接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)》中林鐵路各牽引站外部供電方案，通過ETAP軟件建立西藏電網(wǎng)2020年網(wǎng)架模型，按照機(jī)車設(shè)計(jì)參數(shù)中規(guī)定的機(jī)車各次諧波含量設(shè)定各牽引站諧波源諧波特性，對(duì)牽引機(jī)車運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)各牽引站諧波影響進(jìn)行分析計(jì)算[1-4]，示例如圖1、圖2所示。

圖1 諧波注入后對(duì)電網(wǎng)220 kV變電站母線的影響結(jié)果

圖2 諧波注入后牽引站接入線路諧波電流結(jié)果

2 電氣化鐵路電能質(zhì)量對(duì)繼電保護(hù)的影響分析

諧波被稱為“電力系統(tǒng)污染”，它降低了系統(tǒng)電壓正弦波的質(zhì)量，而且干擾電網(wǎng)的正常運(yùn)行。電力電子設(shè)備的推廣應(yīng)用，非線性負(fù)荷的增加，例如變頻調(diào)速設(shè)備、電氣機(jī)車、工業(yè)電爐等的應(yīng)用，使電力系統(tǒng)的諧波問題日趨嚴(yán)重。牽引變電站是牽引網(wǎng)與電力系統(tǒng)相聯(lián)系的環(huán)節(jié)，電鐵牽引負(fù)荷由整流型電力機(jī)車產(chǎn)生，含有豐富的諧波，屬于諧波電流源。電力機(jī)車采用單相整流橋，特征諧波為奇次諧波。此外，電力機(jī)車在啟動(dòng)與過分區(qū)空載投入時(shí)會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)高于額定電流的勵(lì)磁涌流。勵(lì)磁涌流不僅含有奇次諧波，還含有各偶次諧波，其中二次諧波含量最大。對(duì)于小容量變壓器，勵(lì)磁涌流倍數(shù)較大，但是衰減較快，一般對(duì)低壓保護(hù)不會(huì)有影響。電力機(jī)車負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流由此進(jìn)入電力系統(tǒng)，對(duì)于電力系統(tǒng)而言，它就是一個(gè)諧波源。各電力機(jī)車向牽引網(wǎng)注入的諧波電流之間并不相互獨(dú)立，各機(jī)車注入電流共同作用引起牽引網(wǎng)各點(diǎn)電壓變化，從而間接地使機(jī)車注入的諧波電流發(fā)生變化。

諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn)，會(huì)危害系統(tǒng)中的一次和二次設(shè)備，干擾設(shè)備的正常工作。電力系統(tǒng)諧波會(huì)改變繼電保護(hù)設(shè)備的工作特性。由于不同類型繼電器的設(shè)計(jì)性能和工作原理不同，諧波的影響程度也不同。感應(yīng)型繼電器的可動(dòng)部分慣性較大，動(dòng)作速度慢，諧波轉(zhuǎn)矩對(duì)其影響并不嚴(yán)重。但是對(duì)于應(yīng)用積分比相器原理構(gòu)成的整流型繼電保護(hù)裝置(如高頻相差保護(hù)和差動(dòng)保護(hù))，當(dāng)波形出現(xiàn)諧波畸變時(shí)，過零檢測易于出錯(cuò)，從而造成保護(hù)不正確動(dòng)作。根據(jù)電科院動(dòng)模實(shí)驗(yàn)結(jié)果，快速距離保護(hù)和某些快速方向保護(hù)需要將其中的A、B濾波器串聯(lián)，而GE公司的TLS1B型快速距離保護(hù)需要在極化回路中加裝有源帶通濾波器，才能可靠消除諧波對(duì)保護(hù)的影響。微機(jī)型繼電保護(hù)裝置通過在硬件中采用濾波單元，在軟件中采用數(shù)字濾波技術(shù)，可以削弱諧波的影響，但是對(duì)于一些采用快速算法的高速保護(hù)，諧波的存在仍然會(huì)帶來一定的不利影響。比如工頻變化量保護(hù)，對(duì)于接近50 Hz的電流/電壓分量，會(huì)發(fā)生誤動(dòng)。諧波對(duì)繼電保護(hù)會(huì)產(chǎn)生干擾和造成誤動(dòng)或拒動(dòng)，尤其是一些衰減時(shí)間較長的暫態(tài)過程，更容易引起保護(hù)的誤動(dòng)作。

較之普通三相系統(tǒng)，電鐵兩相供電系統(tǒng)有其特殊性：由于電力機(jī)車啟動(dòng)頻繁，電鐵負(fù)荷具有較大的移動(dòng)性和沖擊性；且電鐵負(fù)荷為整流負(fù)荷，又是兩相供電，因無接地點(diǎn)，電流中主要含有大量的負(fù)序和諧波電流，其中尤以三次諧波最為顯著；電鐵牽引負(fù)荷的日波動(dòng)與線路條件，機(jī)車類型，與操縱，機(jī)車速度，牽引重量等多種因素有關(guān)，而這些影響因素又具有隨機(jī)特性，長時(shí)間的負(fù)荷不對(duì)稱將形成較大的負(fù)序電流。此外，當(dāng)供電回路合閘送電或電力機(jī)車通過無電區(qū)時(shí)，變壓器還會(huì)因空投而產(chǎn)生較大的勵(lì)磁涌流。

因此，牽引站供電線路的保護(hù)啟動(dòng)元件不宜采用負(fù)序及負(fù)序突變量啟動(dòng)；速動(dòng)保護(hù)也不宜采用突變量啟動(dòng)元件。由于線路保護(hù)模擬量的采樣裝置需要具有較強(qiáng)的濾波功能，故全線速動(dòng)保護(hù)宜采用工頻量作為啟動(dòng)元件，采用光纖差動(dòng)保護(hù)來實(shí)現(xiàn)主保護(hù)[5-6]。

3 電氣化鐵路電能質(zhì)量對(duì)線路保護(hù)的影響

按照近年國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)保護(hù)配置，220 kV及110 kV線路保護(hù)配置有全線速動(dòng)的差動(dòng)保護(hù)作為主保護(hù)，距離或者過流保護(hù)作為設(shè)備后備保護(hù)，零流保護(hù)作為高阻故障及電網(wǎng)故障遠(yuǎn)后備保護(hù)。負(fù)序分量可能對(duì)系統(tǒng)中以負(fù)序分量啟動(dòng)的繼電保護(hù)裝置產(chǎn)生負(fù)面影響。

根據(jù)電鐵兩相供電系統(tǒng)有其特殊性，首先，電鐵負(fù)荷具有較大的移動(dòng)性和沖擊性，其運(yùn)行特點(diǎn)近似于運(yùn)行線路兩相相間經(jīng)高阻故障。其次，電鐵負(fù)荷為脈動(dòng)負(fù)荷，對(duì)采用電流突變量元件作為啟動(dòng)元件的周圍其它220 kV線路的微機(jī)保護(hù)會(huì)造成保護(hù)裝置頻繁啟動(dòng)?？梢酝ㄟ^提高220 kV線路保護(hù)裝置起動(dòng)定值，或采用低電壓元件和相間過流元件為裝置的輔助啟動(dòng)元件，從設(shè)計(jì)原理上避免保護(hù)裝置的頻繁啟動(dòng)[7-9]。

根據(jù)對(duì)國網(wǎng)同類型電氣化鐵路負(fù)荷錄波波形的研究，電鐵沖擊性負(fù)荷所產(chǎn)生的最大電流突變量主要由機(jī)車內(nèi)部變壓器的勵(lì)磁涌流組成。根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，提出了電鐵負(fù)荷沖擊性可能引起的最大電流突變量估算方法，以此為依據(jù)來整定保護(hù)裝置的突變量元件，能有效保證啟動(dòng)元件不頻繁誤啟動(dòng)。通過提高動(dòng)作門檻防止保護(hù)裝置頻繁啟動(dòng)的措施，對(duì)保護(hù)裝置的靈敏度會(huì)帶來不利影響。若保護(hù)的靈敏度不能滿足要求，則需從保護(hù)裝置啟動(dòng)元件的原理上采取改進(jìn)措施。

(1)對(duì)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的影響。如果采用分相光纖縱差，從原理上來說不會(huì)受到諧波及不平衡影響。

(2)對(duì)后備距離保護(hù)的影響。3次及其倍數(shù)次的諧波三相相位一致，與系統(tǒng)零序分量相序相同。 次(k為正整數(shù))諧波相序反轉(zhuǎn)，與系統(tǒng)負(fù)序分量相似，可能對(duì)各類采用零序、負(fù)序分量組成啟動(dòng)元件的保護(hù)產(chǎn)生一定的影響。

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)有諧波電流存在時(shí)(特別是三次諧波)所測得的阻抗值相對(duì)于基波阻抗值有誤差。因此動(dòng)作區(qū)的邊緣可能出現(xiàn)一定的誤差。由于距離元件是按照相間阻抗和對(duì)地阻抗計(jì)算的，只有相間阻抗和對(duì)地阻抗兩個(gè)整定值，如果三相諧波分量不平衡，可能需要整定時(shí)加以考慮。

負(fù)序電流或負(fù)序電壓啟動(dòng)后，受它們干擾的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置頻繁誤啟動(dòng)。另外，電氣鐵路負(fù)序信號(hào)還可能產(chǎn)生以下后果：(1)信號(hào)作用時(shí)間較長時(shí)，距離保護(hù)要轉(zhuǎn)入閉鎖狀態(tài)，使線路在當(dāng)時(shí)失去保護(hù)；(2)當(dāng)鐵路負(fù)序作用于解除振蕩閉鎖后，系統(tǒng)又立即發(fā)生振蕩，則使保護(hù)誤動(dòng)而觸發(fā)跳閘，切斷線路。

此外，根據(jù)不平衡度仿真分析結(jié)果，如下覺牽引站，其負(fù)序電壓>4%，將對(duì)距離保護(hù)的保護(hù)范圍產(chǎn)生影響。在對(duì)距離保護(hù)整定是，需要根據(jù)實(shí)際負(fù)序電壓的波動(dòng)范圍進(jìn)行相關(guān)修正。

4 電氣化鐵路電能質(zhì)量對(duì)母線保護(hù)的影響

根據(jù)《川藏鐵路拉薩至林芝段牽引變電所接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)》，本次牽引站中共計(jì)有6個(gè)220 kV變電站接入。220 kV主接線一般采用雙母線配置，按照近年國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)保護(hù)配置原則，雙母線配置雙母線差動(dòng)保護(hù)，差動(dòng)保護(hù)需設(shè)置復(fù)合電壓閉鎖用以選擇動(dòng)作母線及避免誤動(dòng)作。對(duì)于雙母線接線母差保護(hù)的負(fù)序電壓、零序電壓或者電壓突變量解閉鎖，需要核算母線正常運(yùn)行時(shí)的負(fù)序與零序電壓及電壓波動(dòng)。牽引站機(jī)車運(yùn)行引起的PCC點(diǎn)電壓波動(dòng)仿真結(jié)果見表1所示。

表1 牽引站機(jī)車運(yùn)行引起的PCC點(diǎn)電壓波動(dòng)仿真結(jié)果

根據(jù)拉林電氣鐵路電能質(zhì)量仿真數(shù)據(jù)，可以看出除下覺牽引站外，其他牽引站引起的電壓波動(dòng)均不高于5%，對(duì)母差保護(hù)的影響不大。

此外，根據(jù)不平衡度仿真分析結(jié)果，其負(fù)序電壓均<8%，零序電壓均<10%，對(duì)母差保護(hù)影響不大。

5 結(jié)語

電鐵機(jī)車在用電過程中產(chǎn)生大量的負(fù)序與諧波，且電鐵機(jī)車沿鐵路沿線移動(dòng)用電，產(chǎn)生的危害性遠(yuǎn)比其他負(fù)荷更為嚴(yán)重，更為廣泛。拉林鐵路是川藏鐵路、滇藏鐵路的重要組成部分，遠(yuǎn)期將是藏區(qū)與川渝黔、華中和華東等地客貨交流的主通道，本工程共計(jì)新建11個(gè)牽引站，將大幅提高周邊電源點(diǎn)與電網(wǎng)的負(fù)序水平，改變周邊電網(wǎng)的短路電流水平及故障特性，從而對(duì)繼電保護(hù)裝置的正常運(yùn)行造成影響。針對(duì)上述情況，本文對(duì)拉林電氣鐵路引起附近電源點(diǎn)與電網(wǎng)的諧波與負(fù)序分量進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)不同原理不同類型的保護(hù)設(shè)備進(jìn)行了分析，研究了電能質(zhì)量對(duì)繼電保護(hù)裝置的影響，提出了可行的解決方案。