昌贛高鐵某牽引站的計量錯誤接線分析及處理

王賢寧，鄒 靜，康 曦

（國網江西省電力有限公司 贛州供電分公司，江西 贛州 341000）

0 引言

隨著江西省近年的快速發展，交通境況有了極大改善，貫穿江西南北的高鐵在各地市普遍投運。但高鐵牽引站接入電網，對江西多家地市供電單位而言，尚屬首次。高鐵由于其特殊的運行特性，在所經供電段基本都采用單相供電方式［1］，屬于三相不平衡系統。文獻［2］通過相量圖分析來具體判斷正常三相平衡系統下的計量接線問題，具體分析了中性線斷線的計量誤差。文獻［3］、文獻［4］分別將相量圖分析方法應用在竊電事件與三相三線計量接線的案例場景中。文獻［5］用實際案例驗證了低功率因數、諧波造成電能表的計量誤差，也應納入計量的誤差范疇。

另外，在高鐵中的電能計量研究較少，分析較為特殊，文獻［6］、文獻［7］分別對110 kV 鐵路牽引站與220 kV 高鐵牽引站的高線損進行了故障排查與分析，并由此獲知110 kV 鐵路牽引站與220 kV高鐵牽引站的供電方式有所不同，220 kV 高鐵牽引站存在公共相供電的特征等；文獻［8］研究了高鐵負序電壓、電流對電力系統產生的影響，然后討論有功功率電能計量方式存在的問題；文獻［9］研究了220 kV 高鐵站內計量回路二次線接地造成的計量誤差，但不涉及到負荷運行特性。

但現有文獻沒有針對220 kV 高鐵牽引站相序接線錯誤的案例分析，故本文結合實際案例，針對220 kV 高鐵牽引站相電壓反接的情形進行了具體剖析與論證，并為企業挽回了重大經濟損失。

1 用戶負荷及運行方式基本情況

輸電線路為了保持三相平衡，每隔一段距離會進行換相，在接入該高鐵牽引站時，該站輸電線路的A、C、B相對應牽引站內的A、B、C相，如圖1所示。

該牽引站供電線路的計量方式為三相四線制，電能表型號為EDMI，電壓互感器采用YN-yn-d0 接線，電流互感器采用三相星形接線方式。

圖1 某牽引站主接線圖Fig.1 Main wiring diagram of a traction station

以牽引站的A、B、C 相作為參考系，根據圖1 牽引站主接線原理，該牽引站內有4 臺主變，2 條供電線路211、212互為備用，交替向主變供電。T1F1、T2F2供電段具有空間獨立性，列車行駛在T1F1時，T1F1形成電氣回路（行駛在T2F2段同理）。供電線路211、212的B、C相都向T1F1段供電，A、B相都向T2F2段供電。任何一段有列車經過，B相都存在電流，即B相為公共相（對于輸電線路而言是C相）。I?a0、I?b0、I?c0為該參考系下線路A、B、C相對應電流。當僅在T1F1段有列車時，由線路的B、C相供電，且I?b0= -I?c0；當僅在 T2F2段有列車時，線路的 A、B 相供電，且I?b0=-I?a0；T1F1段、T2F2段同時有列車經過時，由線路三相供電，且I?b0=I?a0+I?c0。

2 異常特征

故障前，牽引站側線路瞬時有功功率通常為正值，偶爾出現負值時幅值較小（列車制動返送電造成），且牽引站側總用電量與對側變電站供電線路基本接近，如表1 所示；故障期間，發現牽引站運行線路的瞬時正向有功功率既有正值也有負值，且負值較大，如表2 所示，監測功率可高達萬瓦級（可排除列車制動時造成的反送電情形）。

表1 牽引站與對側變電站電鐵I線211電量比對Table 1 Electric quantity comparison of electric railway line 211 between the traction station and the opposite substation kWh

由表1可知，3月份牽引站運行線路與對側變電站供電線路總用電量數額相差巨大。

表2 電鐵I線211瞬時功率Table 2 Instantaneous power of electric railway line 211

3 常規三相負荷平衡系統與高鐵不平衡系統

3.1 常規三相負荷平衡系統分析

圖2所示為三相負荷平衡系統正確接線時的相量圖。根據相量圖及電能表功率表達式如下

式中:Ua、Ub、Uc分別為A、B、C 相電壓；Ia、Ib、Ic分別為A、B、C 相電流；Φa、Φb、Φc分別為A、B、C相功率因數角。若正確接線，P始終為正。

圖2 正確接線時的三相平衡系統相量圖Fig.2 Phasor diagram of a three-phase balanced system with correct wiring

3.2 高鐵不平衡系統常規分析

為便于理論分析，此時理論推導以輸電線路的A、B、C相作為參考系，即公共相為C相（對于牽引站而言是B相）。I?a、I?b、I?c為該參考系下線路A、B、C相對應電流。圖3所示為正確接線時高鐵3種運行方式下的相量圖。左圖為僅T1F1段有列車時的相量圖。此時線路的B、C相向T1F1鐵路段供電，電流I?b、I?c大小相等、方向相反，代入公式（1）可知P1恒為正值；居中圖為僅T2F2段有列車時的相量圖。此時線路的 A、C 相向 T2F2鐵路段供電，電流I?a、I?c大小相等、方向相反，代入公式（1）可知P2恒為正值；右圖為T1F1段、T2F2段同時有列車時相量圖（以Φc＞0為例）。T1F1段、T2F2段都存在穩定負荷時，分別對應B、C 相與A、C相存在電流，且I?c=I?a+I?b，Φc在0°左右徘徊，可正可負。代入公式（1）可知P3恒為正值（Φc≤0時結論相同）。

圖3 正確接線時高鐵3種運行方式下的相量圖Fig.3 Phasor diagram of three operating modes of the high-speed rail when the wiring is correct

4 案例分析

4.1 現場檢查

牽引站內的現場二次回路概況:電壓互感器二次回路從電壓互感器二次抽頭引出，接入PT端子箱，再從PT端子箱接入室內計量屏；電流互感器二次回路從電流互感器二次抽頭引出，直接接入室內計量屏。

針對客戶側的計量設備現場排查過程概括為5個步驟:排查PT 端子箱電壓二次回路、對計量屏后端子排進行核相、對電能表進行校驗、對計量二次回路全面檢查、查閱牽引站檢修記錄。

經過該排除步驟后查實在客戶端子箱處電壓Ub、Uc反接，并查閱到牽引站檢修記錄記載“2019年12月4日，電纜溝著火，燒損二次電纜”。經鐵路施工方核實，火災發生后對電纜溝內二次電纜重新鋪設，其間更動電壓互感器PT端子箱接線。下面進行理論驗證。

4.2 電壓逆相序致反向有功突增的推導

本節分析數值較大的反向有功值是如何產生的，首先分析在三相負荷平衡系統中的情形。

4.2.1 三相平衡系統Ub、Uc 反接分析

圖4 所示為Ub、Uc反接時的錯誤相量圖。若Ub、Uc反接，可得

在三相負荷平衡系統中，可令Ua=Ub=Uc=U，Φa=Φb=Φc=Φ，代入公式（2），得P=0，即三相負荷平衡系統Ub、Uc反接時，會導致有功功率近乎為0，并不會使P出現大的負值。

圖4 三相平衡系統錯誤接線相量圖Fig.4 Phasor diagram of wrong wiring of three-phase balanced system

下面將牽引站三相不平衡負荷系統代入，分別把鐵路段3 種運行方式代入公式中，P1、P2、P3為 3種運行方式下對應的有功功率值，對應的相量圖為牽引站負荷穩定時實測采錄，Φa、Φb、Φc為正常接線時牽引站的三相功率角，實測角度都接近30°。即研究Ub、Uc反接是如何導致電能表月累計正向有功總值與反向有功總值接近，且瞬時正向有功功率出現頻率較高的正值、較大負值的情形，結合鐵路供電段運行特點，從理論上進行推導。

4.2.2 牽引站系統僅T1F1段有列車經過分析

錯誤接線時高鐵3種運行方式下的相量圖如圖5 所示。圖5（a）為僅T1F1段有列車，且Ub、Uc反接時的錯誤接線相量圖，其功率表達式如下

實測Φb、Φc均在25°～35°，即在第一象限，可知Ub、Uc反接情況下P1恒為負值。以Ub=Uc=132 kV，Ib=Ic=92 A，Φb=Φc=30°為例，代入公式（3），P1=-21 033.4 kW。

圖5 錯誤接線時高鐵3種運行方式下的相量圖Fig.5 Phasor diagrams of three operating modes of high-speed rail during incorrect wiring

4.2.3 牽引站系統僅T2F2段有列車經過分析

圖5（b）僅T2F2段有列車，且Ub、Uc反接時的錯誤接線相量圖，其功率表達式如下所示

經實測，可近似令Ua=Uc=U，Ia=Ic=I，Φa=Φc=Φ，可簡化功率表達式P2

則知-30°＜Φ＜150°時P2為正，負荷穩定時實測Φa、Φc角度均在25°～35°之間，可知Ub、Uc反接情況下P2恒為正值。以Ua=Uc=132 kV，Ia=Ic=92 A，Φa=Φc=30°為例，代入公式（5），可得P2=10 517 kW。

4.2.4 牽引站系統T1F1 段、T2F2 段同時有列車經過分析

圖5（c）為T1F1段、T2F2段同時有列車，且Ub、Uc反接時的錯誤接線相量圖，其功率表達如下所示

經實測，負荷穩定時Φc近似0，Ia、Ib與Φa、Φb大小接近。即令Φb=Φ，簡化功率表達如下所示

可知Ub、Uc反接情況下P3恒為負值。以Ua=Ub=Uc=132 kV，Ia=Ib=Ic=92 A，Φa=Φb=Φc=30°為例，代入公式（7），P3=-10 517 kW。

綜上，若Ub、Uc反接，電能量系統瞬時正向有功P可為負值，也可為正值，這取決于鐵路軌道段的運行方式，也取決于功率因數cosΦ（但Φ一般處于25°～35°，對P值方向無影響）。具體而言，列車有3種運行方式，當僅有T1F1段有列車經過時，P恒為負值；當僅有T2F2段有列車經過時，P恒為正值；當T1F1、T2F2段都有列車經過時，P值恒為負值。

綜上所述，在線路211 的二次電壓相序Ub、Uc反接后，線路211 有功的方向將受T1F1段、T2F2段的運行方式及功率因數角的影響。這與表1中故障期間數據吻合。現對表2 進行驗證，令Φa≈Φb≈Φc≈Φ，3月2日所列時刻皆為僅T1F1有列車運行時刻，代入公式（3），可知功率為負值；需要特別說明的是，2020年3月1日所列時刻為僅T2F2有列車運行時刻，但負荷處于不穩定期，Φ對應為245.04°，已超出-30°～150°范圍（功率恒為正值的前提），代入公式（5），也為負值。

5 結束語

本文借助監控高鐵牽引站功率數據異常及實踐排查出Ub、Uc反接，針對計量回路接線錯誤所造成的功率異常進行理論論證，利用相量圖及功率計算公式推導出計量接線錯誤確會造成功率異常（功率出現負值）。理論論證并糾正接線后，可避免供受兩側計量電量發生差異，減少國有資產流失，在2020年2月28日—2020年4月6日期間共追補電費756 756元。

本文可提供高鐵牽引站計量專業方向的借鑒如下:

（1）由于輸電線路具有換相的特點，實踐中存在輸電線路與高鐵牽引站內相序參考不一致的現象，如本案例輸電線路的A、C、B相分別對應牽引站的A、B、C相。為防止計量二次回路電壓、電流接線錯誤，應當仔細核對相序，逐相對接；

（2）大電量客戶應加強日常巡檢，重視日線損比對、功率因數值變化。針對鐵路等用電負荷，應開展反向電量監測，以便及早發現異常、及時研判處理；

（3）計量裝置及其二次回路的所有接線端子、試驗端子應當加封，防止人為擅自改動計量裝置接線或擅自開啟封印。