南宁铁路局 调度所供电调度室 广西南宁 530290
摘要：铁路电力贯通线在铁路供电系统占有非常重要的地位，铁路电力贯通线因运行、检修和故障应急处置的原因经常需要改变运行方式，为改变运行方式而进行倒闸作业而引发铁路行车事故在各局均有案例记录。本文以高铁贵广客专阳朔-恭城电力贯通线为例，进行改变铁路电力贯通线倒闸方式的安全风险研究分析，提出电力贯通线通过并网技术来消除倒闸作业安全风险的方案，以实现防止安全事故用技防代替人防，并进行了可行性论证和建议。
关键字：电力贯通线;并网;可行性
Discussion on the Feasibility of Connecting the Power Grid of Yangshuo - Gongcheng High - speed Rail Power Line
Zhou Yongguang
Power dispatching professional of Dispatch,Nanning Railway Bureau,Nanning 53029,China
Abstract: Railway power lines in the railway power supply system occupies a very important position，It is often necessary to change the mode of operation of the railway power line due to operation, maintenance and emergency，To change the operation mode to perform operations Switching traffic accidents caused railway bureaux were recorded in the case。In this paper, high-speed Guiguang guest Yangshuo - Gongcheng railway power line as an example，Research on the Safety Risk of Changing the Turnover Mode of Railway Power Line，Put forward the power through the line through the grid technology to eliminate the risk of reverse operation of the program，To prevent the safety of accidents with anti-defense technology，And feasibility studies and recommendations。
Key words: railway power line ;power grid ;feasibility
引言
2014年开通运营的贵广高速铁路是西南地区最便捷的出海通道，线路全长857km，设计时速300km/h，目前运行时速250km/h，车流密度大，每天运行60对动车组，也是连接“一路一带”，实现长江经济带、珠江经济带、西江经济带、中孟缅印经济走廊“互联互通”经济通道。对这条给高速铁路提供信号和通信用电的电力贯通线路倒闸不仅可以影响铁路沿线信号、通信设备以及隧道应急照明防灾风机、消防泵等等隧道防灾救援系统设备的稳定工作，甚至可能威胁铁路动车正常运行，其安全稳定工作具有重要意义。
1.问题
1.1 阳朔-恭城贯通线负荷及其运行方式
阳朔-恭城电力贯通线经电缆为阳朔-恭城站间设备供电，即为阳朔电力远动间、阳朔站房变电所、幸福隧道直放站、东岭隧道直放站、宝丰山AT箱变、宝丰山隧道箱变、中继站、西岭分区所箱变、高桥隧道箱变、廖洞隧道箱变、苦竹河AT所箱变、高坡隧道箱变、恭城基站箱变、凤凰山隧道箱变、桥头隧道箱变、恭城电力远动间、恭城站房变等负荷用电的专用电力线路，以解决铁路供电可靠性差、供电质量不高的问题。阳朔-恭城贯通线的电压等级为10kV，分别由其阳朔配电所和恭城配电所供电，铁路电力贯通线的主结线回路：电源进线→受电开关→调压器→贯通馈出→沿铁路线各种用电负荷。如图1中断路开关QF1闭合，QF2断开，显示通常阳朔配电所主供，恭城配电所备用；当断路开关QF1断开，QF2闭合，则完成电力贯通线运行方式的切换。
1.2 阳朔-恭城电力贯通线改变运行方式及其风险
阳朔-恭城电力贯通线主、备供方式在以下情况下需要互相切换：
（1）按技术规范要求定期将阳朔-恭城电力贯通线切换主、备供；
（2）阳朔-恭城电力贯通线设备检修时需要定期切换主、备供；
（3）阳朔-恭城电力贯通线故障排查时需要切换主、备供。
（4）阳朔配电所上级电源线或变电站设备故障需要切换主、备供。但所有切换过程对信号用电是个风险源，每个铁路车站信号楼均配备两路电力贯通线电源，当主用电失压后信号设备会自动切换至另一路电源，据统计，信号楼信号设备自动切换电源约有30%以上失败，造成行车信号恢复导致行车事故，因此，长期以来，电力贯通线切换电源需经过列车调度员对行车组织安排，充分利用车流间隙给出一个节点让电力贯通线倒闸停电切换，这个节点长度一般给3分钟，时间不长但风险不小。
图1 阳朔至恭城电力贯通线供电示意图
1.3阳朔-恭城电力贯通线短时停电倒闸对行车秩序干扰大
阳朔-恭城电力贯通线供阳朔站和恭城站站房供电，高铁电力贯通线供电臂有三十几个闭塞分区及隧道照明及隧道防灾救援系统设备，每当改恭城配电所主时供方式至少需要3分钟停电倒闸，同时至少要满足以下条件：（1）阳朔-恭城站间无列车运行；（2）列车已扣停在阳朔或恭城站内。随着贵广高铁车流密度增加，动车按3分钟追踪运行，列车调度员调整车流安排3分钟间隙停电，对行车干扰越来越大，3分钟给点愈发困难，造成行车与设备故障停电处理矛盾的两难困境。
案例①：2017年3月24日15时07分，阳朔配电所上级变电站故障，要求阳朔配电所切除负荷，当时上行D2822恭城-阳朔站间运行，下行D2821在阳朔站-恭城站间运行，列调无法给点切换。阳朔配电所上级变电站故障扩大失压，阳朔-恭城电力贯通线停电，行车信号中断，造成D2822在宝丰山隧道（长13663米）内紧急制动停车，D2821在凤凰山隧道（长7580米）内紧急制动停车。
1.4阳朔-恭城电力贯通线倒闸程序有安全风险可能造成行车事故
阳朔-恭城电力贯通线倒闸过程存在风险，第一是设备管理单位在申请要点过程中有安全隐患容易节外生枝：作业人员急躁、疏漏、命令收发不清或臆测等等人为失误导致行车事故。
如案例①： 2013年11月29日18时，桂北配电值班员向桂柳列车调度申请电力贯通线要点倒闸，停电涉及高铁衡柳线和普铁桂柳线，由于说明不清，造成衡柳线列车调度同意停电，桂柳线列车调度不知情，导致42034次列车在塘堡站冒进事故。
案例②：2015年12月4日15时，南昆线定顿车站值班员没听清列车调度员“稍等1分钟”的回复，臆测为“给点1分钟”的口头命令，并传达给供电人员进行停电倒闸，导致38009次列车冒进出站信号构成事故。第二是阳朔配电所电源线或上级电源故障需要贯通线倒闸，但是区间有动车运行，列车调度员无法及时安排，贯通线停电造成动车紧急制动停车。
2.通过并网技术实现无间断切换供电方式可行性分析
利用电力并网技术是否可以解决铁路电力贯通线需要停电倒闸切换方式，以实现电力贯通线主备供运行中无间断切换，关键在于相邻两配电所能否并网运行？铁路电力贯通线并网运行条件需要进一步分析研究。
2.1 电力系统的并网
在电力系统运行中，经常需要把发电机并到系统中运行；或者通过联络线把两个解列的系统并列起来；或者将越来越多的环形网络开环点合环；或两相邻独立的变电所、配电所（主变电压器）的馈出线连结起来等，并列以后继续保证安全稳定的运行，这就是并网。
2.2阳朔-恭城电力贯通线的并网运行方式
阳朔、恭城两配电所设备及电力贯通线主接线如图2，阳朔配电所ＱＦ1处于闭合状态，ＱＦ2处于断开状态，显示电力贯通线运行状态阳朔配电所为主供，恭城配电所为备供的方式；当ＱＦ1、ＱＦ2同时处于闭合状态时，就相当阳朔、恭城两配电所电力贯通线处在并网运行状态；根据需要再断开ＱＦ1或ＱＦ2，就实现了电力贯通线无间断供电切换运行方式的目的。
图2 电力贯通线主接线
2.3阳朔-恭城并网原则和标准
图4 A相电压波形图
阳朔-恭城贯通并网运行原则：（1）电压等级相同；（2）频率相同；（3）相位（相序）相同。如图4中两待并网的阳朔配电所Ａ相电压幅值与恭城配电所Ａ相电压幅值较大压差；阳朔配电所频率60Ｈz、恭城配电所频率50Ｈz；两配电所初相位有明显角差。只要有一条件不满足的并网就可能造成并网后系统塌网瘫痪，设备损坏等事故发生。
2.3.1国家电力行业并网条件的标准
如图2中使ＱＦ1、ＱＦ2同时处于闭合状态就完成了阳朔配电所与恭城配电所的并网运行，但并网条件的标准有量化要求。
国家电力行业标准中规定：
（1）两系统母线电压差即运行系统与待并系统之间的电压差不应超过10%。
阳朔、恭城配电所电压差越小越好。压差越大，在并网运行的闭合绕组回路中产生循环电流，其方向取决于并网变压二次输出电压的高低。即从二次输出电压高的变压器流向输出电压低的变压器；这个环流不仅增加变压器的损耗，而且当变压器带负荷时，环流叠加在负荷电流上，占据变压器容量，是环流与负荷电流方向一致的变压器负荷增大，输出电压偏高的变压器绕组中电流增大，影响变压器出力，当压差很大时，环流可能导致变压器严重发热，甚至导致电网系统塌网或瘫痪。所以，国家电力行业标准规定≤10%，这是最重要的基础标准，是所有其它标准的依据。
（2）阳朔、恭城配电所相位相同
图5 电压向量图
频率差则会产生相位差，其原理分析跟相位差相似，频率差越大则相位差越大，结果是电压差随着频率差越大而增加，最终导致电网的无法正常运行。阳朔、恭城配电所上级电源均来自同一个电网，频率满足要求。
2.3.2铁路电力系统的补充要求
除以上三条技术标准外，铁道部（现中国铁路总公司）供电系统补充要求当符合以上条件后，允许相邻配电所短时并列运行。[铁运<1999>103号部令]电力管理规则第34条：“并网时的电流不超过继电保护的整定值。当操作目的一经达到,应立即解列运行。”这个规定是有其它的原因。
2.3.3 主变压器的并联运行
阳朔、恭城两配电所电源一都接自同一电源即兴坪35kV变电站，如图6，此时电力贯通线并网运行实际两台变压器并联运行。铁道部文（103）号第61条规定变压器并联运行时,必须具备下列条件：(1)电压比相等；(２)极性或接线组别相同；(3)阻抗电压相等；(4)容量比≤3。根据实际接绘出图6，分析变压器并联条件：阳朔配电所主供阳朔-恭城一级贯通，恭城两配电所备供，两配电所一级贯通调压器均为SCZ10-500/10,调压器额定电压为10kV即变比相同；都为三相三线星形接线方式，调压器容量均500kVA,即容量比相等。因此满足变压器并联运行基本条件。
图6供电示意图
从变压器并联运行条件与两配电所并网运行条件看相乎差别挺大，其实核心本质一样。
2.3.4变压器的并网运行与并联运行的差别分析
阳朔、恭城配电所电源二接不同电源如图7，电源一接同电源如图8，变压器并联运行条件第（1）条：电压比相等（≤±0.5%）；阳朔、恭城两配电所并联运行变压器的高压侧均接同一母线，若变比差大，变比小的变压器输出电压偏高，变比大的变压器输出电压偏低，由此产生压差，在并列运行的闭合绕组回路中产生循环电流，电流由变比小的变压器流向变比高的变压器。只要变比相同（≤±0.5%）就能保证并联输出的电压差≤10%（铁总科技）〔2014〕172号《铁路技术管理规程》第188条3点：35KV及以上供电线路电压正负偏差的绝对值≤10%；10KV及以下三相供电受电端电压允许偏差≤±7%。这与变压器的并网条件一致，因此均可以通过调节调压器电压实现。所以，并网要求电压相同与并联要求变比相同本质是一致的。
变压器并联运行条件第（2）条：极性或接线组别相同。否则不同连接组别的变压器并联运行，二次侧回路将因变压器各副边电压相位不同而产生电压差△U,由于在变压器连接中相位相差总是30°的倍数，所以△U的值很大，较大的相位差产生的环流，若变压器的短路电压UK=5.5%，则环流为4.7倍的额定电流，长时间运行会使变压器烧毁。与待并网两系统相位角误差不超过±1°的标准几乎一致。
变压器并联运行条件第（3）条：阻抗电压相等（≤±0.5%）。由于负荷的分配与变压器的阻抗电压成反比，结果使变压器所带的负荷不能按变压器的容量成比例的分配，若阻抗电压值相差过大,造成阻抗电压大的变压器欠载，而阻抗电压小的变压器过载。因此，为了避免并列变压器负荷电流严重分配不均，影响变压器容量利用率，保证变压器的经济运行，规定阻抗电压相等（≤±0.5%）。
变压器并联运行条件第（4）条：两个变压器并联运行，对应绕组容量之比不应大于3。因为容量不同，各变压器的电阻与电抗不同，即短路电压相同，也会产生不平衡电流。如果容量比小于于3倍时，不平衡电流不会超过较小变压器额定电流的5%-6%，,两个变压器所分配的电流变化不大，如果容量比大于3倍时，不平衡电流和负荷电流就会超过允许值，因此，两台变压器绕组电阻与漏泄电抗的比值相等，即容量比不能超过3倍。
图7供电示意图 图8供电示意图
变压器并网与并联的共同点：对电压差、相位差、频差要求相同，同时满足这三个条件，无论并网或并联均满足短时运行条件；当再同时满足阻抗电压相等（≤±0.5%）和容量比≤3条件，则无论并网或并联均满足长期运行条件。
通过以上分析可知，实现阳朔、恭城两配电所电力贯通线并网在技术上是完全可行的。
3.同期并网的分析
3.1同期的意义
阳朔-恭城贯通线和配电所母线侧满足压差、角差、频差条件的同一时间窗口△t内合闸并网，这个合闸窗口△t就是同期。并网技术条件成立，实施的关键在于选择合闸窗口，需要同期装置来检查阳朔、恭城两个配电所并列运行是否满足条件使并网时冲击电流小于电网的承受能力，进而保证同期合闸不会给供电设备及系统造成太大的损害，提高电力系统运行的安全性、稳定性。
3.2手动准同期并网缺点
一是选择时机不能自动完成。如图1所示，目前配电所同期只检测两电源的线电压相位差、频率、线电压相位差，恭城配电所操作人员通过同期继电器判断，满足同期并网条件时，合上QF2,并网后要求阳朔配电所操作人员分下QF1，操作人员很难把握合闸时机,所以对工作技能有较高要求,但是在操作人员在合闸时仍会有多次不成功的现象经常出现。
二是具有随意性大的合闸时机,可靠性低。准同期合闸仅进行了同期检测准入合闸门坎值条件的检测，由于断路器的固有合闸时间无法与电气和机械传动的延时配合,实际上断路器的合闸时间很可能已经超过了并列操作的允许范围从而造成非同期合闸,对电力系统、断路器等设备造成冲击。
综上所述,手动准同期并网，可靠性不高。为自动采集电网各参数通过软件判断,合闸脉冲指令在条件满足的情况下可自动发出，采用微机自动准同期装置进行并网相关操作，提高可靠性。
3.3自动准同期装置分析
3.3.1安装自动准同期装置实施方案
阳朔、恭城配电所贯通线路侧和母线侧的三台电压互感器均为完全星形接法，使贯通线侧、母线侧同时具备采样相电压、线电压，也就是给测控保护装置提供母线、线路两侧的三相相电压、线电压、零序电压、负序电压，同时可以判断三相电压差、判断三相电压相位角差、判断极性、判断负序、判断相序，能满足贯通线并网运行需要，降低贯通线因存在相位、压差、频率误差过大给并网运行带来的冲击，提高并网供电的可靠性。其接线如图：
图9同期装置安装图
3.3.2升级既有测控装置硬件、软件具备功能及逻辑
升级既有贯通线测控保护装置硬件和软件，扩展微机保护装置中准同期合闸检测软件的功能，提高该装置对相序、相位、频率、极性判别检测的精度和深度，同时增加相应的控制回路，进行实时监测、发现贯通线供电臂阳朔、恭城配电所之间（主、备电源）三相电源的相位是否相同（由备供所侧监测），同时延伸拓展到配电所上位机画面显示电压异常、告警。增加贯通线电源相序实时监控功能，同时提高了保护测控装置对有压合闸准同期判断准入的门坎及精度，大大提高准同期合闸的可靠性。
3.3.3并网时同期方式的选择
同期并网方式有三种选择：
方法一：阳朔或恭城配电所线路和母线两侧电压均正常，两侧的压差和角度差均小于定值，在符合条件后执行并网。
方法二：捕捉准同期方式，待阳朔或恭城配电所线路和母线两侧电压均正常，两侧的压差和频差均小于定值。在条件均满足的情况下,将根据当前的角差、频差及合闸导前时间来估计该时刻发合闸令后开关合闸时的角差,如果在捕捉同期的时间范围内,捕捉到预期合闸到零角差的时机,执行并网。
方法三：电压条件都满足后，考虑系统运行存在攻角误差，在矢量中先考虑在线路侧电压进行角度补偿，增加角度补偿定值Φxw实现并网。例：阳朔配电所贯通电压U1A，恭城配电所贯通母线电压U2A，经过电压补偿后U1A与U2A的相量差的有效值应小于设定的10V。
两配电所电压相位角经过补偿后相差5°。
方法一和方法二理论上较为简单，未全覆盖考虑影响的因素，操作有难度，可行性并不高；方法三运用角度补偿的技术，更加成熟可行，应作为首选。
3.3.4准同期合闸逻辑图
依据方法三理念建立的逻辑图
图10 保护逻辑图
说明：Un为恭城配电所母线额定电压，Uxn为线路额定电压，Φxw为母线额定电压角度补偿定值
4准同期并网电能质量综合测试试验
恭城配电所线路侧和母线侧电能质量测试数据如下表。
表1 测试数据表
从恭城配电所测试数据看，贯通线电压和母线基本相等，相位差不大，频率差均满足满足并网要求。
5自动准同期装置效果
在阳朔、恭城配电所安装自动准同期装置，实现阳朔-恭城站间不间断倒闸，冲击电流在并列断路器合闸时应尽可能小,避免冲击造成电网运行的中断及对各个用户的电压扰动，保障供电质量稳定可靠。自动同期装置采样线路电压和母线电压，通过准同期装置检测电压、频率、相位角、电流，利用计算机软件实现自动判断、频率电压差、相位差、频率差，满足同期条件发出合闸指令。这样保证阳朔、恭城配电所在合闸前准同期并列同时满足四个条件:(1)确保阳朔、恭城两个配电有相同的相序;(2) 阳朔、恭城两个配电电压幅值差一般应在10%额定电压以内,并小于允许值;(3) 阳朔、恭城两配电所频率差小于允许值,最大一般不超过±0.2Hz;(4)相角差在并列断路器合闸时趋于零,通常不宜超过10°。当压差和频差有一个不满足条件时,出口合闸回路就会闭锁，避免非同期合闸造成影响，若上述四个要求都满足,则可以实现冲击电流在合闸时会很小，对系统影响最小，通过阳朔恭城电力贯通线不间断供电进行相关操作，从而实现不间断供电进行倒闸切换电源。
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7.[铁运<1999>103号部令]《铁路电力管理规则》北京:中国铁道出版社,1999,8.
作者简介
周永光，男，本科学历，职称：供电工程师，研究方向：电气化铁路牵引供电、电力供电、供电信息管理。
论文作者:周永光
论文发表刊物:《基层建设》2018年第21期
论文发表时间:2018/9/10
标签：阳朔论文; 电压论文; 变压器论文; 电力论文; 同期论文; 条件论文; 母线论文; 《基层建设》2018年第21期论文;