牵引变电所采用110kV和220kV电压等级供电分析

牵引变电所采用110kV和220kV电压等级供电分析

摘要：讨论了电气化铁路牵引变电所采用110KV和220KV两种不同供电方案下

的优缺点。先从理论上分析比较两种供电电压等级下电气化铁路注入系统的谐波

和负序引起的电能质量，其中主要计算比较j每^佘共连接点母线谐波电流、电压

总畸变率、三相电压不平衡度和电压波动等几个重要的电能质量指标。再结合工

程实例，通过技术经济的综合分析和比较，选择性价比高的方案。为今后电气化

铁路的建设提供借鉴经验的同时推动相关工程的工程化发展．

关键词：城际铁路；谐波；三相不平衡；电压等级

目前我国电气化铁道线路上广泛使用的交直型电力机车均采用单相整流电路,

不可避免地带来谐波、负序和功率因数等问题。此外,由于机车运行受到运输组织、线路条件、供电条件以及人为操纵等因素的影响,牵引负荷剧烈波动,进而引起供

电电压波动,这又进一步恶化机车运行。在高速、重载条件下,这些问题会更加突出。随着人们对电能质量重视程度的不断提高,多国家和有关国际组织都制订了电

能质量有关标准或规定,我国也不例外。电力电子技术和微处理器控制技术的发展

给这些问题的解决带来曙光,但仍有较长的路要走。解决这些问题,还需要从多种

途径着手,根据具体情况采用最经济合理的方式。本文拟探讨的是牵引变电所高压

侧采用220KV电压等级,而不是传统的110KV。实际上,在哈大线电220KV进线客

观上提供了条件。

1、电铁牵引供电的特点

电力机车是铁路电气化的牵引动力，机车本身没有电源，所需的电力由牵引

供电系统传输。牵引供电一次系统主要包括牵引变电所和接触网。牵引变电所建

设在铁路附近，按照铁路电气化区段，沿线根据牵引负荷和接触网供电能力相隔

一定距离设立若干个牵引变电所，目前国内都是由电力系统110KV和220KV电压

双电源或双回路供电，经牵引变压器降压为27.5KV再接入铁路上空的接触网。接触网也就是牵引供电网，电力机车利用车顶的受电弓从接触网获取电能。

电铁牵引负荷是三相不对称负荷，牵引站各供电臂负荷不等，功率因数也不

相同，必将向电网注入负序电流。电力机车产生的谐波电流也经接触网汇总到各

牵引变电所再注入电网。同时电力机车在启动、上坡时会引起负荷的剧烈波动。

牵引变电所两供电臂内，列车的数量及每一列车的负荷状态随时都在变化，牵引

变电所的负荷呈现出频繁波动的状态。

从以上铁路牵引用电情况看，牵引变电所不但是三相不对称负荷，还是一个

负序电流源和谐波源，是波动性、冲击性负荷。概括起来铁路电气牵引用电负荷

具有以下特点：（1）单相工频负荷。牵引接触网接于牵引变电所低压侧两相间，机车直接从电网吸取工频功率，在用电结构上属于单相负荷，三相不对称，产生

负序电流注入电网，引起负序电压。（2）单相冲击负荷。随着列车重量、加速度、运行速度、线路坡度（上下坡）、线路曲率半径、牵引制动等变化，负荷发

生波动和急剧变化，产生瞬时或短时冲击。（3）单相整流负荷。对于直流机车

来说，电力通过机车变压器和机车整流设备整流后供给机车多台直流电动机。由

于整流，在向电网吸取基波电流的同时还向电网注入大量的谐波电流，并产生谐

波电压。同时，由于在整流中消耗较多的无功功率，再加上机车变压器和接触网

消耗，牵引负荷中无功电流大，功率因数较低。

另外,牵引用电变压器负载率很低,供电效益不高。据河北南网近两年统计,网

内所有牵引变电所均接于110KV电压,牵引变压器平均负载率仅为17.3% -17.8% ,

与110KV电网变压器的平均负载率0.45-0.56相差较大。

2、牵引变压器继电保护配置及分析

2.1牵引变压器的运行方式

牵引变压器存在空载合闸、正常运行、短路故障、不正常运行几种状态。分

析牵引变压器的运行状态是为了更好地研究继电保护装置的构成原理。

2.1.1空载合闸

牵引变电所建成投运、变压器检修后投运及采用固定备用方式的运行变压器

故障后备用变压器的投入，均进行空载合闸。变压器空载合闸时，有如下特点：（1）产生较大的冲击性励磁电流，简称励磁涌流。励磁涌流只流过变压器电源

侧绕组。（2）励磁涌流的大小，与变压器合闸瞬时电源电压的初相角及铁芯中

的剩磁大小有关，严重时可达变压器额定电流的6~83.励磁涌流波形的波宽较窄，且有很大的间断区（80电角度以上），并含有大量的二次谐波电流分量和衰减性

直流分量（非周期分量）。

2.1.2短路故障

根据短路地点的不同，分为牵引变压器外部故障和牵引变压器内部故障，牵

引变压器内部故障又分为油箱内部短路故障和油箱外部套管及引出线上的短路故

当油箱内部出现各种类型的短路故障时，短路点处的高温电弧将会损坏线圈的绝缘，也会使绝缘物剧烈气化，产生大量的瓦斯气体，造成油箱内压力剧增。油箱

外部套管及引出线上的故障多为相间短路故障和单相接地短路故障。当发生油箱

外短路故障时，将导致供电电压的严重降低并导致变压器线圈的过热，加速线圈

绝缘老化。

2.1.3不正常运行状态

包括变压器过负荷运行、变压器外部负荷侧短路故障引起的线圈过电流、油

箱严重漏油、变压器过热等。这些不正常运行状态的出现，将引起变压器线圈与

铁芯的过热，加速绝缘老化。

2.2牵引变压器的保护

牵引变电所中，一般安装两台（或两组）牵引变压器。正常情况下，一台

（或一组）变压器运行，另一台（或一组）作为固定备用。牵引变压器是十分贵

重的供电设备，应配置完善的继电保护。牵引变压器一般应配置下列保护：（1）比率差动保护；（2）差动速断保护；（3）瓦斯保护；（4）低电压启动的过电

流保护；（5）零序过电流保护；（6）低压侧过电压保护；（7）低压侧低电压

保护；（8）过负荷保护；（9）其他非电量保护。

2.2.1主保护

牵引变压器的主要保护由瓦斯保护和差动保护构成，用于反应变压器上的短

路故障。瓦斯保护用于反应变压器油箱内部的短路故障；差动保护既能反应变压

器油箱内的短路故障，也能反应油箱外引出线及母线上发生的短路故障。主保护

为瞬时动作，且动作后变压器各侧断路器均跳闸，变压器退出运行。

2.2.2后备保护

牵引变压器后备保护分为以下两种：（1）过电流保护作为变压器短路故障的后备保护。当主要保护拒动时，由后备保护经一定延时后动作，变压器退出运行。后备保护包括变压器 110KV侧过电流保护和中性点零序过电流保护。 110KV 侧过电流保护实际采用低电压起动的过电流保护，以提高过电流保护的灵敏度。中性

点零序过电流保护作为变压器高压侧接地短路故障及相邻元件（ 110KV进线）接

地短路故障的后备保护。（2）变压器外部短路故障的电流保护该保护设于变压