拉林電氣化鐵路對牽引站附近變電站繼電保護影響分析

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研究院，拉薩 850000 ；2.華東電力試驗研究院有限公司，上海 200437)

繼電保護裝置為了提高反應故障分量的靈敏度，以電流電壓的負序、零序分量的測量代替全電壓、全電流的測量，因為這樣可以避開負載電流對定值整定的影響，從而提高保護裝置的靈敏度。但是，隨著大容量不對稱設備在各行各業(yè)的廣泛應用，負載的不對稱性加大了，電網(wǎng)中出現(xiàn)了相當嚴重的電流、電壓負序分量，從而影響了反應電流、電壓負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)中最主要的負序源，影響程度最深，范圍最廣，應值得密切關注。

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)濟效益和社會效益。但與此同時，電鐵機車在用電過程中產(chǎn)生大量的負序與諧波，且電鐵機車沿鐵路沿線移動用電，產(chǎn)生的危害性遠比其他負荷更為嚴重，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。拉林鐵路共計新建11個牽引站，將大幅提高周邊電源點與電網(wǎng)的負序水平，本文對拉林鐵路對繼電保護裝置的正常運行造成影響。

1 拉林電氣化鐵路對電網(wǎng)電能質(zhì)量影響

拉林鐵路的客機(HXD1D)和貨機(HXD2)采用的是大功率流線型交直交型牽引機車。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)技術的整流器，通過對25kV牽引電源進行變頻變壓作為機車交流馬達的電源。PWM整流電路的特點是通過適當?shù)目刂疲梢允沟媒涣麟娫磦?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)設計》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，按照機車設計參數(shù)中規(guī)定的機車各次諧波含量設定各牽引站諧波源諧波特性，對牽引機車運行對電網(wǎng)各牽引站諧波影響進行分析計算[1-4]，示例如圖1、圖2所示。

圖1 諧波注入后對電網(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)量對繼電保護的影響分析

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)的正常運行。電力電子設備的推廣應用，非線性負荷的增加，例如變頻調(diào)速設備、電氣機車、工業(yè)電爐等的應用，使電力系統(tǒng)的諧波問題日趨嚴重。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)，電鐵牽引負荷由整流型電力機車產(chǎn)生，含有豐富的諧波，屬于諧波電流源。電力機車采用單相整流橋，特征諧波為奇次諧波。此外，電力機車在啟動與過分區(qū)空載投入時會產(chǎn)生遠高于額定電流的勵磁涌流。勵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。對于小容量變壓器，勵磁涌流倍數(shù)較大，但是衰減較快，一般對低壓保護不會有影響。電力機車負荷產(chǎn)生的諧波電流由此進入電力系統(tǒng)，對于電力系統(tǒng)而言，它就是一個諧波源。各電力機車向牽引網(wǎng)注入的諧波電流之間并不相互獨立，各機車注入電流共同作用引起牽引網(wǎng)各點電壓變化，從而間接地使機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)，會危害系統(tǒng)中的一次和二次設備，干擾設備的正常工作。電力系統(tǒng)諧波會改變繼電保護設備的工作特性。由于不同類型繼電器的設計性能和工作原理不同，諧波的影響程度也不同。感應型繼電器的可動部分慣性較大，動作速度慢，諧波轉(zhuǎn)矩對其影響并不嚴重。但是對于應用積分比相器原理構(gòu)成的整流型繼電保護裝置(如高頻相差保護和差動保護)，當波形出現(xiàn)諧波畸變時，過零檢測易于出錯，從而造成保護不正確動作。根據(jù)電科院動模實驗結(jié)果，快速距離保護和某些快速方向保護需要將其中的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保護的影響。微機型繼電保護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，可以削弱諧波的影響，但是對于一些采用快速算法的高速保護，諧波的存在仍然會帶來一定的不利影響。比如工頻變化量保護，對于接近50 Hz的電流/電壓分量，會發(fā)生誤動。諧波對繼電保護會產(chǎn)生干擾和造成誤動或拒動，尤其是一些衰減時間較長的暫態(tài)過程，更容易引起保護的誤動作。

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

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

3 電氣化鐵路電能質(zhì)量對線路保護的影響

按照近年國網(wǎng)標準化設計保護配置，220 kV及110 kV線路保護配置有全線速動的差動保護作為主保護，距離或者過流保護作為設備后備保護，零流保護作為高阻故障及電網(wǎng)故障遠后備保護。負序分量可能對系統(tǒng)中以負序分量啟動的繼電保護裝置產(chǎn)生負面影響。

根據(jù)電鐵兩相供電系統(tǒng)有其特殊性，首先，電鐵負荷具有較大的移動性和沖擊性，其運行特點近似于運行線路兩相相間經(jīng)高阻故障。其次，電鐵負荷為脈動負荷，對采用電流突變量元件作為啟動元件的周圍其它220 kV線路的微機保護會造成保護裝置頻繁啟動。可以通過提高220 kV線路保護裝置起動定值，或采用低電壓元件和相間過流元件為裝置的輔助啟動元件，從設計原理上避免保護裝置的頻繁啟動[7-9]。

根據(jù)對國網(wǎng)同類型電氣化鐵路負荷錄波波形的研究，電鐵沖擊性負荷所產(chǎn)生的最大電流突變量主要由機車內(nèi)部變壓器的勵磁涌流組成。根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，提出了電鐵負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)來整定保護裝置的突變量元件，能有效保證啟動元件不頻繁誤啟動。通過提高動作門檻防止保護裝置頻繁啟動的措施，對保護裝置的靈敏度會帶來不利影響。若保護的靈敏度不能滿足要求，則需從保護裝置啟動元件的原理上采取改進措施。

(1)對縱聯(lián)差動保護的影響。如果采用分相光纖縱差，從原理上來說不會受到諧波及不平衡影響。

(2)對后備距離保護的影響。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)負序分量相似，可能對各類采用零序、負序分量組成啟動元件的保護產(chǎn)生一定的影響。

距離保護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，當有諧波電流存在時(特別是三次諧波)所測得的阻抗值相對于基波阻抗值有誤差。因此動作區(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地阻抗計算的，只有相間阻抗和對地阻抗兩個整定值，如果三相諧波分量不平衡，可能需要整定時加以考慮。

負序電流或負序電壓啟動后，受它們干擾的繼電保護和自動裝置頻繁誤啟動。另外，電氣鐵路負序信號還可能產(chǎn)生以下后果：(1)信號作用時間較長時，距離保護要轉(zhuǎn)入閉鎖狀態(tài)，使線路在當時失去保護；(2)當鐵路負序作用于解除振蕩閉鎖后，系統(tǒng)又立即發(fā)生振蕩，則使保護誤動而觸發(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，其負序電壓>4%，將對距離保護的保護范圍產(chǎn)生影響。在對距離保護整定是，需要根據(jù)實際負序電壓的波動范圍進行相關修正。

4 電氣化鐵路電能質(zhì)量對母線保護的影響

根據(jù)《川藏鐵路拉薩至林芝段牽引變電所接入系統(tǒng)設計》，本次牽引站中共計有6個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)標準化設計保護配置原則，雙母線配置雙母線差動保護，差動保護需設置復合電壓閉鎖用以選擇動作母線及避免誤動作。對于雙母線接線母差保護的負序電壓、零序電壓或者電壓突變量解閉鎖，需要核算母線正常運行時的負序與零序電壓及電壓波動。牽引站機車運行引起的PCC點電壓波動仿真結(jié)果見表1所示。

表1 牽引站機車運行引起的PCC點電壓波動仿真結(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均不高于5%，對母差保護的影響不大。

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

5 結(jié)語

電鐵機車在用電過程中產(chǎn)生大量的負序與諧波，且電鐵機車沿鐵路沿線移動用電，產(chǎn)生的危害性遠比其他負荷更為嚴重，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，本工程共計新建11個牽引站，將大幅提高周邊電源點與電網(wǎng)的負序水平，改變周邊電網(wǎng)的短路電流水平及故障特性，從而對繼電保護裝置的正常運行造成影響。針對上述情況，本文對拉林電氣鐵路引起附近電源點與電網(wǎng)的諧波與負序分量進行了分析，并在此基礎上對不同原理不同類型的保護設備進行了分析，研究了電能質(zhì)量對繼電保護裝置的影響，提出了可行的解決方案。