李群湛 王 輝 黃文勛 解紹鋒 馬慶安

（1. 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 成都 611756 2. 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 西安 710043）

0 引言

中國(guó)干線電氣化鐵路均采用工頻單相交流制[1-2]。截至2017年底，中國(guó)電氣化鐵路里程達(dá)8.7萬km，鐵路電氣化率達(dá)到 68.2%，其作用越來越大。為降低牽引負(fù)荷對(duì)電力系統(tǒng)不平衡的影響，世界各國(guó)通常采用輪換相序、分相分區(qū)供電的方案，此時(shí)，需在分相分區(qū)處設(shè)置電分相。電分相是牽引網(wǎng)最薄弱的環(huán)節(jié)，會(huì)造成牽引網(wǎng)供電間斷，制約著電氣化鐵路高速和重載的發(fā)展，同時(shí)可能對(duì)電氣化鐵路的安全運(yùn)營(yíng)構(gòu)成威脅[3-8]。近期，國(guó)內(nèi)相繼展開了市域鐵路及交流地鐵的建設(shè)，目前設(shè)計(jì)模式仍以借鑒干線鐵路為主，其行車密度大、站間距離短、再生制動(dòng)能量大、選址要求高等特點(diǎn)，電分相的設(shè)置成為難題，這對(duì)電氣化鐵路科研及設(shè)計(jì)人員亦提出了新的要求。

顯然，消除電分相不良影響的根本途徑是取消電分相。德國(guó)電氣化鐵路供電模式自成體系，可實(shí)現(xiàn)電氣化鐵路的同相貫通供電，使電分相得以取消，但該供電制式代價(jià)太高，只有德國(guó)及其周邊少數(shù)國(guó)家采用[9]。前蘇聯(lián)各國(guó)電氣化鐵路廣泛使用雙邊供電[5,10]，該方式可省去變電所之間分區(qū)所處的電分相，但是會(huì)產(chǎn)生均衡電流和保護(hù)配合、電能計(jì)費(fèi)等問題[7]。鐵路功率調(diào)節(jié)器由日本學(xué)者提出，能夠有效實(shí)現(xiàn)負(fù)序等電能質(zhì)量問題的治理，但是機(jī)車過電分相出現(xiàn)的問題仍無法得到解決[11-17]。

國(guó)內(nèi)，西南交通大學(xué)在同相供電領(lǐng)域進(jìn)行了開創(chuàng)性的工作和大量卓有成效的研究[4-8]，例如，文獻(xiàn)[3]最早提出了同相供電概念和初步技術(shù)方案；文獻(xiàn)[4]論述了我國(guó)高速鐵路牽引供電發(fā)展的若干關(guān)鍵技術(shù)問題；文獻(xiàn)[5]提出新一代牽引供電系統(tǒng)并闡述了其關(guān)鍵技術(shù)，采用組合式同相供電技術(shù)治理負(fù)序，同時(shí)取消變電所出口處電分相，采用新型雙邊供電技術(shù)取消分區(qū)所處電分相；文獻(xiàn)[6]則進(jìn)一步提出干線鐵路與城市軌道的統(tǒng)一牽引供電方式，為未來發(fā)展打下理論基礎(chǔ)。

現(xiàn)階段，本文提出并研究了一種牽引變電所群貫通供電方案，該方案能夠有效地取消變電所出口處和分區(qū)所處電分相、消除無電區(qū)，進(jìn)一步提高供電可靠性，始終保持列車牽引力和（電）制動(dòng)力，保證供電能力和運(yùn)輸能力良好發(fā)揮，同時(shí)降低建設(shè)成本，保證供電靈活和可靠性，并且能夠有效解決均衡電流和穿越功率問題。同時(shí)，該系統(tǒng)的提出不僅能夠攻克高原鐵路（青藏鐵路與川藏鐵路）坡道長(zhǎng)、大、多而不宜設(shè)分相（產(chǎn)生無電區(qū)）的難題，也對(duì)交流地鐵、市域鐵路、高速和重載干線鐵路等交流電氣化鐵路的建設(shè)具有重要的參考推廣價(jià)值。

1 牽引變電所群貫通供電系統(tǒng)

定義電網(wǎng)同一變電站三相中的相同兩相（每相同一母線的不同分段）以樹形（輻射式）結(jié)構(gòu)給n（n≥2）個(gè)牽引變電所供電的這n個(gè)牽引變電所為1個(gè)牽引變電所群，牽引變電所群貫通供電系統(tǒng)示意如圖1所示。圖中，牽引網(wǎng)為直供方式，顯然也適用于自耦變壓器供電等其他供電方式，n個(gè)牽引變電所依次為SS1, SS2,…, SSn。群內(nèi)各牽引變電所之間實(shí)施貫通供電，構(gòu)成牽引變電所群貫通供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)牽引變壓器采用單相變壓器，一次側(cè)接自電力系統(tǒng)三相中相同的兩相，二次側(cè)牽引網(wǎng)實(shí)現(xiàn)貫通供電。

圖1 牽引變電所群貫通供電系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic of the interconnected power supply system of the traction substation group

當(dāng)公共連接點(diǎn)（Point of Common Coupling, PCC）處負(fù)序超過相關(guān)規(guī)定時(shí)[18]，利用負(fù)序補(bǔ)償裝置進(jìn)行負(fù)序補(bǔ)償。根據(jù)負(fù)序補(bǔ)償方式的不同，將牽引變電所群貫通供電方案分為集中式補(bǔ)償和分布式補(bǔ)償兩類。

1.1 集中式補(bǔ)償方案

根據(jù)負(fù)序補(bǔ)償裝置（Negative sequence Compensation Device, NCD）位置的不同，將集中式補(bǔ)償方案的牽引變電所群貫通供電分為牽引變電所群貫通供電N模式（簡(jiǎn)稱N模式）和牽引變電所群貫通供電N+1模式（簡(jiǎn)稱N+1模式）。N模式由中心牽引變電所（Central Traction Substation, CTS）、普通牽引變電所（Ordinary Traction Substation, OTS）和貫通牽引網(wǎng)（Combined cophase Traction Network,CTN）等構(gòu)成，其中，在CTS中設(shè)置負(fù)序補(bǔ)償裝置。N+1模式則在高壓側(cè)PCC處設(shè)置負(fù)序補(bǔ)償裝置，進(jìn)行負(fù)序補(bǔ)償，其他仍由OTS和CTN等構(gòu)成。負(fù)序考核點(diǎn)均在國(guó)標(biāo)定義的一個(gè)以上用戶的PCC處[18]，即變電站分段母線處。

1.1.1 N模式

從n個(gè)牽引變電所SS1, SS2,…, SSn中任選一個(gè)牽引變電所為CTS，例如，以SS1作為CTS，其余n?1個(gè)牽引變電所均為OTS，構(gòu)成N模式。CTS主要由牽引變壓器和NCD組成。牽引網(wǎng)只設(shè)電分段，不設(shè)電分相及其無電區(qū)（或者設(shè)置電分相，但按電分段運(yùn)行）。群中各個(gè)牽引變電所的牽引變壓器二次繞組一端接地，另一端引至牽引母線TBi（i=1, 2,…,n），各牽引母線 TBi電壓相別相同，且均引出牽引饋線Fi，通過貫通的牽引網(wǎng)給機(jī)車供電，實(shí)現(xiàn)群內(nèi)貫通供電，集中補(bǔ)償N模式示意圖如圖2所示。圖2中，CTi和PTi分別為第i個(gè)牽引變電所的牽引饋線電流互感器和牽引母線電壓互感器，用以獲取當(dāng)前牽引所的牽引負(fù)荷的電流和電壓數(shù)據(jù)；FO為光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)，用以實(shí)時(shí)傳輸電壓和電流數(shù)據(jù)；CD為潮流控制器，用以采集輸入信號(hào)，輸出控制信號(hào)。

圖2 集中補(bǔ)償N模式示意圖Fig.2 Schematic diagram of N mode with centralized compensation

1.1.2 N+1模式

區(qū)別于N模式，N+1模式在高壓側(cè)PCC處進(jìn)行負(fù)序集中補(bǔ)償，單獨(dú)設(shè)置負(fù)序補(bǔ)償所，如圖3所示。負(fù)序補(bǔ)償所由三相供電，亦接入同一電網(wǎng)變電站的三相分段母線。負(fù)序補(bǔ)償所主要由 NCD和補(bǔ)償變壓器構(gòu)成，可由鐵路部門建設(shè)，或由鐵路部門與電力部門合建。圖 3中，B11, B21,…, Bn1和 B12,B22,…, Bn2分別為主饋線 A相和 B相的不同分段；Bb11, Bb21,…, Bbn1和 Bb12, Bb22,…, Bbn2分別為備用饋線A相和B相的不同分段。

圖3 集中補(bǔ)償N+1模式示意圖Fig.3 Schematic diagram of N+1 mode with centralized compensation

1.2 分布式補(bǔ)償方案

采用分布式補(bǔ)償方案的牽引變電所群貫通供電系統(tǒng)如圖4所示，群中的n個(gè)牽引變電所SS1, SS2,…,SSn分別在各自所內(nèi)進(jìn)行負(fù)序補(bǔ)償。負(fù)序補(bǔ)償方式與單所同相供電類似[1,5]，需要分別考核負(fù)序是否達(dá)標(biāo)。顯然，在同樣滿足國(guó)標(biāo)的情況下，這種分布補(bǔ)償增加了牽引變電所的復(fù)雜程度，建設(shè)成本和運(yùn)行成本也會(huì)隨之增加，本文不再贅述。

圖4 分布補(bǔ)償示意圖Fig.4 Schematic diagram of distributed compensation

2 負(fù)序補(bǔ)償技術(shù)方案

根據(jù)補(bǔ)償潮流類型的不同，將負(fù)序補(bǔ)償技術(shù)方案分為有功型和無功型兩種。

2.1 負(fù)序補(bǔ)償有功型方案

負(fù)序補(bǔ)償有功型方案主要利用有功潮流進(jìn)行負(fù)序補(bǔ)償，已經(jīng)成功應(yīng)用的是組合式同相供電方式[5-8]，如圖5所示。組合式同相供電技術(shù)方案可兼顧無功潮流來補(bǔ)償當(dāng)前牽引變電所的功率因數(shù)或穩(wěn)壓。圖5a為單三相組合式同相供電方案，該方案在山西中南通道沙峪牽引變電所成功運(yùn)行；圖5b為單相組合式同相供電技術(shù)方案，該方案在溫州市域鐵路 S1線成功運(yùn)行。注意到，有功型方案的 NCD需要調(diào)度有功潮流完成負(fù)序補(bǔ)償，可用于圖4所示的分布式補(bǔ)償方案，而當(dāng)用于集中式補(bǔ)償方案，牽引變電所群中牽引變電所數(shù)目較多時(shí)，由于需要調(diào)度有功潮流進(jìn)行負(fù)序補(bǔ)償，就增加了難度，甚至不能實(shí)現(xiàn)。

圖5 組合式同相供電技術(shù)方案示意圖Fig.5 Schematic diagram of the combined cophase power supply

2.2 負(fù)序補(bǔ)償無功型方案

鑒于靜止無功發(fā)生器（Static Var Generator,SVG）的優(yōu)點(diǎn)[19-21]，本文負(fù)序補(bǔ)償無功型方案采用SVG，即NCD由補(bǔ)償變壓器（Compensation Matching Transformer, CMT）和SVG構(gòu)成，其中，CMT可采用普通三相變壓器，常見的兩類CMT有YNd聯(lián)結(jié)組（以YNd11聯(lián)結(jié)組為例）和Dd聯(lián)結(jié)組（以Dd0聯(lián)結(jié)組為例）。根據(jù)SVG無功補(bǔ)償單元數(shù)目的不同，可分為二端口補(bǔ)償模式和三端口補(bǔ)償模式。其中，二端口補(bǔ)償模式在CMT二次繞組中的兩個(gè)相異端口進(jìn)行補(bǔ)償，如圖6a和圖7a所示；三端口補(bǔ)償模式在 CMT二次繞組中的三個(gè)相異端口進(jìn)行補(bǔ)償，如圖6b和圖7b所示。

圖6 采用YNd11聯(lián)結(jié)組的負(fù)序補(bǔ)償方案示意圖Fig.6 Schematic diagram of negative sequence compensation with YNd11 connection

圖7 采用Dd0聯(lián)結(jié)組的負(fù)序補(bǔ)償方案示意圖Fig.7 Schematic diagram of negative sequence compensation with Dd0 connection

以CMT采用YNd11聯(lián)結(jié)組變壓器，群內(nèi)牽引變電所牽引變壓器一次側(cè)均接自電力系統(tǒng)的AB相為例分析二端口補(bǔ)償模式和三端口補(bǔ)償模式的原理。由文獻(xiàn)[1]得到任意補(bǔ)償端口λ（λ=1, 2,…,m；若為二端口補(bǔ)償模式，則m=2；若為三端口補(bǔ)償模式，則m=3）在一次側(cè)A相的正序和負(fù)序電流分別為

式中，Iλ、λφ和ψλ分別為補(bǔ)償端口SVG發(fā)出的電流有效值、電流功率因數(shù)角和端口電壓滯后A相電壓的角度；kλ為YNd11聯(lián)結(jié)組變壓器的電壓比。

同理，根據(jù)式（1）繪制三端口補(bǔ)償模式的全負(fù)序相量圖，其補(bǔ)償原理如圖9所示，無功補(bǔ)償單元SVG1、SVG2和 SVG3分別對(duì)應(yīng)于一次側(cè) A、B和C 相端口，其發(fā)出的無功形成負(fù)序電流三者合成的負(fù)序電流用以抵消牽引負(fù)荷產(chǎn)生的負(fù)序電流

圖8 采用YNd11聯(lián)結(jié)組的二端口補(bǔ)償原理Fig.8 Schematic diagram of 2-port compensation with YNd11 connection

圖9 采用YNd11聯(lián)結(jié)組的三端口補(bǔ)償原理Fig.9 Schematic diagram of 3-port compensation with YNd11 connection group

由文獻(xiàn)[1]可知，當(dāng)補(bǔ)償端口的接線角兩兩既不同相又不反相時(shí)，若要實(shí)現(xiàn)負(fù)序與無功的完備補(bǔ)償，需在3個(gè)端口補(bǔ)償。因此，相較于二端口補(bǔ)償模式，三端口補(bǔ)償模式是完備的。進(jìn)一步分析，對(duì)于圖 8中的二端口補(bǔ)償模式，SVG1和SVG2發(fā)出的無功功率分別為Q1和Q2，當(dāng)cosφL≠1時(shí)，Q1≠Q(mào)2，此時(shí)CTS處的功率因數(shù)發(fā)生變化，且該處功率因數(shù)與SVG1和SVG2發(fā)出的無功性質(zhì)及大小有關(guān)。

就高速鐵路而言，機(jī)車功率因數(shù)接近于1，因此，存在這樣一種負(fù)序補(bǔ)償情形，即僅對(duì)牽引負(fù)荷的有功分量產(chǎn)生的負(fù)序補(bǔ)償，SVG1與SVG2發(fā)出無功容量大小相同、性質(zhì)相反（一個(gè)吸收容性無功，另一個(gè)吸收感性無功），此時(shí)CTS處的功率因數(shù)可保持不變。設(shè)定負(fù)序功率允許值SεL，當(dāng)總牽引負(fù)荷視在功率SL的無功分量產(chǎn)生的負(fù)序功率值SLsinφL≤SεL時(shí)，可通過二端口模式進(jìn)行負(fù)序的補(bǔ)償。繪制負(fù)序視在功率相量[1-2]，計(jì)算得到SVG1和SVG2的容量大小Q1和Q2為

綜上，通過選定合適的補(bǔ)償模式，利用無功潮流進(jìn)行負(fù)序補(bǔ)償不改變牽引變電所牽引網(wǎng)的有功潮流，具有免繳容量電費(fèi)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。因篇幅有限，具體方案的比選、控制策略等將在后續(xù)文章詳細(xì)闡述。上述分析對(duì)于N+1模式仍適用。由于SVG置于非牽引端口，因此兼顧無功潮流來補(bǔ)償功率因數(shù)或穩(wěn)壓的能力較弱，需額外采取措施，比如單獨(dú)設(shè)置SVG等。

2.3 集中式補(bǔ)償方案的潮流控制系統(tǒng)

分布式補(bǔ)償方案的潮流控制系統(tǒng)與單所同相供電基本相同，已有相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行描述[5]，故本節(jié)僅介紹集中式補(bǔ)償方案的牽引變電所群貫通供電潮流控制系統(tǒng)。利用光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸容量大、速度快的優(yōu)勢(shì)和數(shù)據(jù)同步技術(shù)，獲得各牽引變電所及牽引負(fù)荷的同步數(shù)據(jù)，滿足實(shí)時(shí)控制要求，一種牽引變電所群貫通供電潮流控制系統(tǒng)如圖10所示。

圖10 N 模式集中補(bǔ)償潮流控制系統(tǒng)示意圖Fig.10 Schematic diagram of power flow control system for N mode with centralized compensation

對(duì)于N模式，該系統(tǒng)由牽引變電所群中n個(gè)牽引變電所的n個(gè)電流互感器和n個(gè)電壓互感器、光纖網(wǎng)絡(luò)和NCD控制端、CD等共同構(gòu)成。CD輸入端和n個(gè)牽引變電所的電流互感器CTi和電壓互感器PTi連接；控制器輸出端與NCD的控制端相連接。

對(duì)于N+1模式，該系統(tǒng)由電網(wǎng)變電站的主饋線及備用饋線的電流互感器 CTi、分段母線的電壓互感器PTi、光纖網(wǎng)絡(luò)和CD共同構(gòu)成，如圖3所示。主饋線及備用饋線的 CTi和 PTi通過光纖網(wǎng)絡(luò)均接入CD，CD的輸出端連接NCD的控制端。

對(duì)于N模式，利用電流互感器和電壓互感器獲取各個(gè)牽引變電所在t時(shí)刻的母線電壓以及饋線電流CD直接獲取CTS的電流互感器和電壓互感器結(jié)果，通過光纖網(wǎng)絡(luò)獲取OTS的電流互感器和電壓互感器結(jié)果，計(jì)算得到牽引負(fù)荷在t時(shí)刻的復(fù)功率總和為

對(duì)于 N+1模式亦可得到式（3）的計(jì)算結(jié)果。對(duì)于負(fù)序補(bǔ)償有功方案和無功方案，一種控制策略，若t時(shí)刻牽引負(fù)荷的視在功率為SL(t)，則控制器CD可根據(jù)閾值SC(t)=SL(t)?SεL是否處于規(guī)定的閾值范圍內(nèi)來判斷補(bǔ)償裝置是否投入運(yùn)行，或者運(yùn)行于規(guī)定的運(yùn)行狀態(tài)。

3 貫通牽引網(wǎng)分段保護(hù)與狀態(tài)辨識(shí)

牽引網(wǎng)貫通之后供電距離增長(zhǎng)，相應(yīng)對(duì)于系統(tǒng)的保護(hù)亦提出了更高要求。為保證電氣化鐵路的正常運(yùn)營(yíng)，與牽引變電所群貫通供電系統(tǒng)匹配的保護(hù)方案應(yīng)當(dāng)做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)、隔離和排除故障，并把故障限制在最小范圍，使故障影響降低到最低。理論和工程實(shí)踐表明，牽引網(wǎng)分段供電及其保護(hù)方案可以大大提高系統(tǒng)的可控性與可維護(hù)性，可作為牽引變電所群貫通供電系統(tǒng)的保護(hù)方案[5-6]。分段供電示意圖如圖 11所示。若兩牽引變電所之間的距離較長(zhǎng)，可進(jìn)一步對(duì)牽引網(wǎng)分段。

圖11 分段示意圖Fig.11 Schematic diagram of the segmentation

將貫通牽引網(wǎng)供電狀態(tài)分為正常和故障兩類，正常狀態(tài)分為空載與負(fù)載兩種，故障狀態(tài)則分為短路與斷路（斷線）兩種。利用電壓互感器測(cè)量的電壓和電流互感器測(cè)量的電流可對(duì)上述牽引網(wǎng)供電狀態(tài)進(jìn)行辨識(shí)。

研究表明，牽引變電所i對(duì)應(yīng)分段處電壓模值Ui滿足Ui≥U0（U0為一特定值）時(shí)，其左側(cè)和右側(cè)分段處于正常供電狀態(tài)；滿足Ui＜U0時(shí)，其左側(cè)和右側(cè)分段上的列車均不再工作，即列車負(fù)荷為0，該分段可能處于故障狀態(tài)。

但因測(cè)量裝置、線路分布電容等的影響，設(shè)定閾值ε1＞0及ε2＜0，則得到實(shí)用的狀態(tài)辨識(shí)判據(jù)，電壓判據(jù)為Ui≥U0，Ui+1≥U0，電流判據(jù)見表1。

表1 牽引變電所i與i+1之間列車狀態(tài)辨識(shí)電流判據(jù)Tab.1 Current criterion for train state identification between traction station i and i+1

表2 牽引變電所i左右區(qū)間分段保護(hù)電流判據(jù)Tab.2 Current criterion of sectional protection current in left and right section of traction station i

根據(jù)故障時(shí)牽引網(wǎng)電壓和電流容易計(jì)算出短路阻抗，實(shí)現(xiàn)故障定位。

4 外部電源供電方式

4.1 外部電源構(gòu)成

根據(jù)電壓等級(jí)將電氣化鐵路外部電源從高到低分為A型變電站（饋出500kV電壓等級(jí)）、B型變電站（饋出330kV或者220kV電壓等級(jí)）、C型變電站（饋出110kV電壓等級(jí)）、D型牽引變電所（向牽引網(wǎng)提供27.5kV電壓）。

從圖論的角度出發(fā)[22]，交流電氣化鐵路可形成一種理想樹形供電，即D型牽引變電所作為葉，給D型牽引變電所供電的最高電壓等級(jí)變電站作為根，其余變電站為內(nèi)結(jié)點(diǎn)。具體如下：A型變電站經(jīng)輸電線給B型變電站、C型變電站及D型牽引變電所供電，B型變電站經(jīng)輸電線給C型變電站及D型牽引變電所供電，C型變電站經(jīng)輸電線和D型牽引變電所供電，如圖12所示。

圖12 牽引供電系統(tǒng)外部電源示意圖Fig.12 Schematic diagram of external power supply for traction power supply system

圖13 空載工況下系統(tǒng)等效示意圖Fig.13 Equivalent diagram of system without load

由回路2，得

式中，Zqj(j+1)牽引變電所j與j+1的牽引網(wǎng)等值阻抗。

對(duì)于理想樹形供電的根，有

將式（6）代入式（5）得

將其代入式（4）中，得

可知，當(dāng)變壓器電壓比一致，空載時(shí)牽引變電所群貫通供電系統(tǒng)中不存在均衡電流。就1個(gè)牽引變電所群而言，各牽引變電所（葉）均來自于上一級(jí)變電站（根或內(nèi)結(jié)點(diǎn)），滿足上述理想樹形結(jié)構(gòu)，若各牽引變壓器的電壓比一致，則不會(huì)產(chǎn)生均衡電流。

對(duì)于一條電氣化鐵路線路，根據(jù)其長(zhǎng)度的不同以及滿足要求的電網(wǎng)變電站的分布情況，可由若干變電所群構(gòu)成。牽引變電所群間根據(jù)外部電源情況，分為以下三種情形：①牽引變電所群間不貫通；②牽引變電所群間全貫通；③牽引變電所群間部分貫通。群間分區(qū)所開關(guān)S2閉合時(shí)需遵循如下原則：若外部電源可構(gòu)成理想樹形結(jié)構(gòu)，則S2閉合，可實(shí)現(xiàn)群間貫通；若不構(gòu)成理想樹形結(jié)構(gòu)，則S2不閉合，需保持常開狀態(tài)。以3個(gè)群為例進(jìn)行說明，如圖14所示。

圖14 牽引變電所群外部電源方案示意圖Fig.14 Schematic diagram of external power supply scheme for traction substation group

（1）牽引變電所群間不貫通.如圖14a所示，牽引變電所群1、2、3群內(nèi)的分區(qū)所開關(guān)S1閉合，群1內(nèi)牽引變電所均接入同一B型變電站B1，群2內(nèi)牽引變電所均接入同一A型變電站A2，群3內(nèi)牽引變電所均接入同一 C型變電站 C1，B型變電站B1、B2分別接入不同 A型變電站 A1、A3，C型變電站C1經(jīng)B型變電站B2接入A型變電站A3。分區(qū)所開關(guān)S2均不閉合。

（2）牽引變電所群間貫通。如圖14b所示，牽引變電所群1、2、3中的S1閉合，群1內(nèi)牽引變電所均接入同一B型變電站B1，群2內(nèi)牽引變電所均接入同一A型變電站A1，群3內(nèi)牽引變電所均接入同一 C型變電站 C1，B型變電站 B1、B2接入同一A型變電站A1，C型變電站C1經(jīng)B型變電站B2接入 A型變電站 A1。外部電電源構(gòu)成理想的樹形，S2可閉合。

（3）牽引變電所群間部分貫通。如圖14c所示，牽引變電所群1、2、3中S1閉合，群1內(nèi)牽引變電所均接入同一B型變電站B1，群2內(nèi)牽引變電所均接入同一A型變電站A1，群3內(nèi)牽引變電所均接入同一 C型變電站 C2，B型變電站 B1、B2分別接入不同A型變電站A1、A2，C型變電站C1經(jīng)B型變電站B2接入A型變電站A2。群1與群2之間的S2可閉合，群2與群3之間的S2不閉合。

110kV輸電線的輸送距離一般不超過150km，C型變電站110kV輸電線向兩側(cè)延伸輸送范圍可達(dá)300km；220kV輸電線的輸送距離一般不超過300km，B型變電站220kV輸電線向兩側(cè)延伸輸送范圍可達(dá)600km；500kV輸電線的輸送距離一般不超過850km，A型變電站500kV輸電線向兩側(cè)延伸輸送范圍可達(dá) 1 700km。這為長(zhǎng)大電氣化線路上取消分區(qū)所電分相、消除無電區(qū)創(chuàng)造了條件。

4.2 外部電源實(shí)例分析

構(gòu)成樹形結(jié)構(gòu)的電氣化鐵路外部電源在國(guó)內(nèi)已有部分案例，但是牽引網(wǎng)未貫通。其中一處目前已處于施工改造中，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來源于該線路改造前的兩個(gè)牽引變電所A1和A2之間的分區(qū)所，通過評(píng)估分所處電壓是否一致，來判斷是否會(huì)形成均衡電流。經(jīng)確認(rèn)，牽引變電所A1和A2的外部電源均來自于同一電網(wǎng)變電站B2。利用電能質(zhì)量測(cè)試儀獲取分區(qū)所處測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3及測(cè)點(diǎn)4的電壓數(shù)據(jù)，測(cè)試周期為24h，測(cè)點(diǎn)位置如圖15所示。

分別將測(cè)點(diǎn)1與3、測(cè)點(diǎn)1與2的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖16和圖17所示。由圖16可知，空載時(shí)測(cè)點(diǎn)1與3的電壓有效值和相位基本一致，負(fù)載時(shí)出現(xiàn)較大差異。進(jìn)一步分析，測(cè)點(diǎn)1與3均接自同一變電所母線，所以空載電壓基本相同；但負(fù)載時(shí)因牽引網(wǎng)末端電壓的不同而出現(xiàn)差異。測(cè)點(diǎn)2和4的結(jié)構(gòu)與測(cè)點(diǎn)1與3的結(jié)構(gòu)相同，分析結(jié)果亦相同。

圖15 分區(qū)所接線及測(cè)點(diǎn)分布示意圖Fig.15 Schematic diagram of the wire connection for section post and the distribution of measuring points

圖16 分區(qū)所測(cè)點(diǎn)1與3處的電壓測(cè)量數(shù)據(jù)Fig.16 Measurement data for voltage at measured points 1 and 3 in a section post

圖17 分區(qū)所測(cè)點(diǎn)1與2處的電壓測(cè)量數(shù)據(jù)Fig.17 Measurement data for voltage at measured points 1 and 2 in a section post

由圖17可知，測(cè)點(diǎn)1和2空載時(shí)電壓相位基本一致，電壓有效值大小有較小差異，但變化趨勢(shì)基本一致；負(fù)載時(shí)因牽引網(wǎng)末端電壓的不同而出現(xiàn)差異。經(jīng)分析，測(cè)點(diǎn)1與2雖然來自不同的牽引變電所，但由于牽引變電所A1與A2均接自于B2，構(gòu)成樹形結(jié)構(gòu)，所以其相位基本一致，有效值變化趨勢(shì)也一致。進(jìn)一步分析，空載時(shí)有效值較小的差異主要由牽引變電所牽引母線并聯(lián)了電容器和 SVG以及線路分布電容造成，這些分量在分區(qū)所貫通后將重新分配，而均衡電流基本為0。

5 結(jié)論

結(jié)合電氣化鐵路外部電源供電方式及牽引供電系統(tǒng)供電方式，提出一種牽引變電所群貫通供電方案，著重研究了系統(tǒng)方案構(gòu)成、負(fù)序補(bǔ)償技術(shù)方案、貫通牽引網(wǎng)分段保護(hù)與狀態(tài)辨識(shí)技術(shù)及外部電源方式等關(guān)鍵技術(shù)方案，得到如下結(jié)論：

1）基于無功型的負(fù)序補(bǔ)償方式適用于 N模式與N+1模式的集中式補(bǔ)償方案；集中式補(bǔ)償方案在一定程度上可以降低補(bǔ)償裝置的容量。

2）貫通牽引網(wǎng)分段保護(hù)與狀態(tài)辨識(shí)技術(shù)能夠保證電氣化鐵路的正常運(yùn)營(yíng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、隔離和排除故障，并把故障限制在最小范圍，使故障影響降到最低。

3）牽引變電所群貫通供電系統(tǒng)中各牽引變電所由同一電網(wǎng)變電站的分段母線供電，理論分析和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，在構(gòu)成樹形結(jié)構(gòu)下，若各牽引變壓器的電壓比一致，則可使均衡電流為 0。因此，本文方案可以作為實(shí)現(xiàn)貫通供電的一種有效途徑之一。

本文主要針對(duì)牽引變電所群貫通供電系統(tǒng)的方案以及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)方案進(jìn)行了闡述及分析，因篇幅有限，各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)并未進(jìn)一步闡述，尤其負(fù)序補(bǔ)償技術(shù)和貫通牽引網(wǎng)分段保護(hù)與狀態(tài)辨識(shí)技術(shù)將著重在后續(xù)文章中進(jìn)行詳細(xì)研究。