昌赣高铁某牵引站的计量错误接线分析及处理

王贤宁，邹 静，康 曦

（国网江西省电力有限公司 赣州供电分公司，江西 赣州 341000）

0 引言

随着江西省近年的快速发展，交通境况有了极大改善，贯穿江西南北的高铁在各地市普遍投运。但高铁牵引站接入电网，对江西多家地市供电单位而言，尚属首次。高铁由于其特殊的运行特性，在所经供电段基本都采用单相供电方式［1］，属于三相不平衡系统。文献［2］通过相量图分析来具体判断正常三相平衡系统下的计量接线问题，具体分析了中性线断线的计量误差。文献［3］、文献［4］分别将相量图分析方法应用在窃电事件与三相三线计量接线的案例场景中。文献［5］用实际案例验证了低功率因数、谐波造成电能表的计量误差，也应纳入计量的误差范畴。

另外，在高铁中的电能计量研究较少，分析较为特殊，文献［6］、文献［7］分别对110 kV 铁路牵引站与220 kV 高铁牵引站的高线损进行了故障排查与分析，并由此获知110 kV 铁路牵引站与220 kV高铁牵引站的供电方式有所不同，220 kV 高铁牵引站存在公共相供电的特征等；文献［8］研究了高铁负序电压、电流对电力系统产生的影响，然后讨论有功功率电能计量方式存在的问题；文献［9］研究了220 kV 高铁站内计量回路二次线接地造成的计量误差，但不涉及到负荷运行特性。

但现有文献没有针对220 kV 高铁牵引站相序接线错误的案例分析，故本文结合实际案例，针对220 kV 高铁牵引站相电压反接的情形进行了具体剖析与论证，并为企业挽回了重大经济损失。

1 用户负荷及运行方式基本情况

输电线路为了保持三相平衡，每隔一段距离会进行换相，在接入该高铁牵引站时，该站输电线路的A、C、B相对应牵引站内的A、B、C相，如图1所示。

该牵引站供电线路的计量方式为三相四线制，电能表型号为EDMI，电压互感器采用YN-yn-d0 接线，电流互感器采用三相星形接线方式。

图1 某牵引站主接线图Fig.1 Main wiring diagram of a traction station

以牵引站的A、B、C 相作为参考系，根据图1 牵引站主接线原理，该牵引站内有4 台主变，2 条供电线路211、212互为备用，交替向主变供电。T1F1、T2F2供电段具有空间独立性，列车行驶在T1F1时，T1F1形成电气回路（行驶在T2F2段同理）。供电线路211、212的B、C相都向T1F1段供电，A、B相都向T2F2段供电。任何一段有列车经过，B相都存在电流，即B相为公共相（对于输电线路而言是C相）。İa0、İb0、İc0为该参考系下线路A、B、C相对应电流。当仅在T1F1段有列车时，由线路的B、C相供电，且İb0= -İc0；当仅在 T2F2段有列车时，线路的 A、B 相供电，且İb0=-İa0；T1F1段、T2F2段同时有列车经过时，由线路三相供电，且İb0=İa0+İc0。

2 异常特征

故障前，牵引站侧线路瞬时有功功率通常为正值，偶尔出现负值时幅值较小（列车制动返送电造成），且牵引站侧总用电量与对侧变电站供电线路基本接近，如表1 所示；故障期间，发现牵引站运行线路的瞬时正向有功功率既有正值也有负值，且负值较大，如表2 所示，监测功率可高达万瓦级（可排除列车制动时造成的反送电情形）。

表1 牵引站与对侧变电站电铁I线211电量比对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月份牵引站运行线路与对侧变电站供电线路总用电量数额相差巨大。

表2 电铁I线211瞬时功率Table 2 Instantaneous power of electric railway line 211

3 常规三相负荷平衡系统与高铁不平衡系统

3.1 常规三相负荷平衡系统分析

图2所示为三相负荷平衡系统正确接线时的相量图。根据相量图及电能表功率表达式如下

式中:Ua、Ub、Uc分别为A、B、C 相电压；Ia、Ib、Ic分别为A、B、C 相电流；Φa、Φb、Φc分别为A、B、C相功率因数角。若正确接线，P始终为正。

图2 正确接线时的三相平衡系统相量图Fig.2 Phasor diagram of a three-phase balanced system with correct wiring

3.2 高铁不平衡系统常规分析

为便于理论分析，此时理论推导以输电线路的A、B、C相作为参考系，即公共相为C相（对于牵引站而言是B相）。İa、İb、İc为该参考系下线路A、B、C相对应电流。图3所示为正确接线时高铁3种运行方式下的相量图。左图为仅T1F1段有列车时的相量图。此时线路的B、C相向T1F1铁路段供电，电流İb、İc大小相等、方向相反，代入公式（1）可知P1恒为正值；居中图为仅T2F2段有列车时的相量图。此时线路的 A、C 相向 T2F2铁路段供电，电流İa、İc大小相等、方向相反，代入公式（1）可知P2恒为正值；右图为T1F1段、T2F2段同时有列车时相量图（以Φc＞0为例）。T1F1段、T2F2段都存在稳定负荷时，分别对应B、C 相与A、C相存在电流，且İc=İa+İb，Φc在0°左右徘徊，可正可负。代入公式（1）可知P3恒为正值（Φc≤0时结论相同）。

图3 正确接线时高铁3种运行方式下的相量图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 现场检查

牵引站内的现场二次回路概况:电压互感器二次回路从电压互感器二次抽头引出，接入PT端子箱，再从PT端子箱接入室内计量屏；电流互感器二次回路从电流互感器二次抽头引出，直接接入室内计量屏。

针对客户侧的计量设备现场排查过程概括为5个步骤:排查PT 端子箱电压二次回路、对计量屏后端子排进行核相、对电能表进行校验、对计量二次回路全面检查、查阅牵引站检修记录。

经过该排除步骤后查实在客户端子箱处电压Ub、Uc反接，并查阅到牵引站检修记录记载“2019年12月4日，电缆沟着火，烧损二次电缆”。经铁路施工方核实，火灾发生后对电缆沟内二次电缆重新铺设，其间更动电压互感器PT端子箱接线。下面进行理论验证。

4.2 电压逆相序致反向有功突增的推导

本节分析数值较大的反向有功值是如何产生的，首先分析在三相负荷平衡系统中的情形。

4.2.1 三相平衡系统Ub、Uc 反接分析

图4 所示为Ub、Uc反接时的错误相量图。若Ub、Uc反接，可得

在三相负荷平衡系统中，可令Ua=Ub=Uc=U，Φa=Φb=Φc=Φ，代入公式（2），得P=0，即三相负荷平衡系统Ub、Uc反接时，会导致有功功率近乎为0，并不会使P出现大的负值。

图4 三相平衡系统错误接线相量图Fig.4 Phasor diagram of wrong wiring of three-phase balanced system

下面将牵引站三相不平衡负荷系统代入，分别把铁路段3 种运行方式代入公式中，P1、P2、P3为 3种运行方式下对应的有功功率值，对应的相量图为牵引站负荷稳定时实测采录，Φa、Φb、Φc为正常接线时牵引站的三相功率角，实测角度都接近30°。即研究Ub、Uc反接是如何导致电能表月累计正向有功总值与反向有功总值接近，且瞬时正向有功功率出现频率较高的正值、较大负值的情形，结合铁路供电段运行特点，从理论上进行推导。

4.2.2 牵引站系统仅T1F1段有列车经过分析

错误接线时高铁3种运行方式下的相量图如图5 所示。图5（a）为仅T1F1段有列车，且Ub、Uc反接时的错误接线相量图，其功率表达式如下

实测Φb、Φc均在25°～35°，即在第一象限，可知Ub、Uc反接情况下P1恒为负值。以Ub=Uc=132 kV，Ib=Ic=92 A，Φb=Φc=30°为例，代入公式（3），P1=-21 033.4 kW。

图5 错误接线时高铁3种运行方式下的相量图Fig.5 Phasor diagrams of three operating modes of high-speed rail during incorrect wiring

4.2.3 牵引站系统仅T2F2段有列车经过分析

图5（b）仅T2F2段有列车，且Ub、Uc反接时的错误接线相量图，其功率表达式如下所示

经实测，可近似令Ua=Uc=U，Ia=Ic=I，Φa=Φc=Φ，可简化功率表达式P2

则知-30°＜Φ＜150°时P2为正，负荷稳定时实测Φa、Φc角度均在25°～35°之间，可知Ub、Uc反接情况下P2恒为正值。以Ua=Uc=132 kV，Ia=Ic=92 A，Φa=Φc=30°为例，代入公式（5），可得P2=10 517 kW。

4.2.4 牵引站系统T1F1 段、T2F2 段同时有列车经过分析

图5（c）为T1F1段、T2F2段同时有列车，且Ub、Uc反接时的错误接线相量图，其功率表达如下所示

经实测，负荷稳定时Φc近似0，Ia、Ib与Φa、Φb大小接近。即令Φb=Φ，简化功率表达如下所示

可知Ub、Uc反接情况下P3恒为负值。以Ua=Ub=Uc=132 kV，Ia=Ib=Ic=92 A，Φa=Φb=Φc=30°为例，代入公式（7），P3=-10 517 kW。

综上，若Ub、Uc反接，电能量系统瞬时正向有功P可为负值，也可为正值，这取决于铁路轨道段的运行方式，也取决于功率因数cosΦ（但Φ一般处于25°～35°，对P值方向无影响）。具体而言，列车有3种运行方式，当仅有T1F1段有列车经过时，P恒为负值；当仅有T2F2段有列车经过时，P恒为正值；当T1F1、T2F2段都有列车经过时，P值恒为负值。

综上所述，在线路211 的二次电压相序Ub、Uc反接后，线路211 有功的方向将受T1F1段、T2F2段的运行方式及功率因数角的影响。这与表1中故障期间数据吻合。现对表2 进行验证，令Φa≈Φb≈Φc≈Φ，3月2日所列时刻皆为仅T1F1有列车运行时刻，代入公式（3），可知功率为负值；需要特别说明的是，2020年3月1日所列时刻为仅T2F2有列车运行时刻，但负荷处于不稳定期，Φ对应为245.04°，已超出-30°～150°范围（功率恒为正值的前提），代入公式（5），也为负值。

5 结束语

本文借助监控高铁牵引站功率数据异常及实践排查出Ub、Uc反接，针对计量回路接线错误所造成的功率异常进行理论论证，利用相量图及功率计算公式推导出计量接线错误确会造成功率异常（功率出现负值）。理论论证并纠正接线后，可避免供受两侧计量电量发生差异，减少国有资产流失，在2020年2月28日—2020年4月6日期间共追补电费756 756元。

本文可提供高铁牵引站计量专业方向的借鉴如下:

（1）由于输电线路具有换相的特点，实践中存在输电线路与高铁牵引站内相序参考不一致的现象，如本案例输电线路的A、C、B相分别对应牵引站的A、B、C相。为防止计量二次回路电压、电流接线错误，应当仔细核对相序，逐相对接；

（2）大电量客户应加强日常巡检，重视日线损比对、功率因数值变化。针对铁路等用电负荷，应开展反向电量监测，以便及早发现异常、及时研判处理；

（3）计量装置及其二次回路的所有接线端子、试验端子应当加封，防止人为擅自改动计量装置接线或擅自开启封印。