列车负荷与牵引重量、运行速度、线路坡度及铁路运输组织关系等因素有关，使得铁路牵引站负荷具有以下特性：

1)冲击性大。牵引变电所为两侧单相供电，其负荷的大小与供电区间运行的列车数量、铁路线路坡度以及列车运行的速度等因素有关。这些因素造成列车数量及每一列车的负荷随时变化，使牵引变电所的负荷呈现波动性^[2]。

2)两供电臂负荷不均衡。牵引变电所的负荷随着两供电臂内列车数量以及列车负荷而变化。如在节假日、铁路故障后恢复行车时会出现列车紧密追踪情况下，牵引变电所会出现负荷高峰值。

3)负荷率低。牵引变电所的负荷是由铁路运量、列车速度、线路条件等因素决定的。列车运行时的受流状态随时都在发生变化，其平均负荷较低。但牵引变电所的供电能力必须适应短时出现的高峰负荷的需要。所以，牵引变电所的负荷率很低，一般不超过20%，个别达到30%。

4)负序电流大。由于机车为单相负荷，无论牵引变压器采取何种结线方式，都将向系统注入较大负序电流，造成系统的三相电压不平衡^[3]。

典型牵引所负荷曲线(24 h)如图1所示。

图  1  典型牵引所负荷曲线

Figure 1.  Typical load curve of traction station

此外，牵引负荷是感性负荷，对于传统型电力机车，平均功率因数较低，只有0.80～0.85。同时，牵引负荷是一个谐波源，对于传统型电力机车，3次、5次、7次谐波含量较高，对于新型交直交型机车和动车组，也存在一定的高次谐波，在满足一定的负荷条件下，会在系统中产生高次谐振现象^[4]。传统型电力机车的谐波电流含有率(I_n/I₁×100%)情况如表1所示。

根据电力系统短路容量、牵引网供电方式、牵引变压器及机车类型的不同，牵引供电系统会对电网的电能质量产生不同程度的影响。

牵引负荷所产生的负序电流无法避免，只能通过采取措施减少负序电流。且负序电流与电力系统容量有关，电网越强大则负序电流影响越小。

传统电力机车平均功率因数较低，仅有0.80～0.85。新型交直交型机车和动车组采用四象限脉冲整流器的交直交传动技术，功率因数较高，满功率运行时接近1.0。

传统电力机车由于采用相控整流，低次谐波含量较高。新型交直交型机车和动车组采用四象限变流器，虽然消除了低次谐波的影响，但也产生了不可忽略的高次谐波，使得牵引供电系统中的谐波次数升高^[5]。我国电气化铁路存在各种机车混跑的情况，导致牵引供电系统中谐波频带分布广泛，大大增加了系统谐振的可能性。

为解决牵引站并网引起的电能质量问题，在牵引站应选择短路容量大的接入点，且应合理选择接入电压等级；同时，牵引站可采取轮换相序接入、平衡供电臂负荷、优化变压器结线型式等措施抑制负序电流；采取加装补充装置、发展交直交型机车等措施提高功率因数；采取加装滤波器、加装SVC、SVG，发展交直交机车等措施抑制谐波^[6,7]。

目前铁路牵引站在设计、调试和运行等环节存在诸多问题，如保护和测量设备安装和调试错误，致使线路存在误动作风险；部分二次设备配置不满足相关电力规程要求，当单一电源设备发生故障时，会导致牵引站至调度机构自动化信息中断；牵引站未配置专用的故障录波器和保信子站，致使发生故障时牵引站侧无法录波，不利于保护管理和事故分析等。在继电保护配置、设备命名、自动化系统配置方面，存在的主要问题及风险分析如表2所示。

若牵引站供电线路不配置光差保护，在线路末端发生故障时，无法实现快速切除，从而引发直流换相失败甚至双极闭锁，进而导致局部系统稳定破坏等问题。此外，还会加剧低压脱扣现象，进而损失大量系统负荷。如果被迫采取了将距离和零序(和流)保护时间缩短的临时措施，又会导致一系列新的风险，如牵引变故障时线路保护失去选择性跳闸等。

现场一次接线与调度命名不符、设备有编号而无名称等问题，可能造成误调度、误操作，造成人身、电网、设备事故，直接影响铁路正常运行，影响电网及牵引站的安全运行，并导致安全责任事故。

牵引站未按要求配置双通道，将导致单通道故障则自动化信息中断的风险。此外，自动化系统配置隐患问题还将严重影响调度员对牵引站的安全监视。

铁路牵引站供电线路故障对电网安全稳定运行的影响主要取决于故障隔离时间，而故障隔离时间的长短，主要取决于供电线路所配置的继电保护类型。本文以2020年南方电网10个220 kV牵引站的供电线路单回线路末端三相短路故障为例，通过计算分析，得出供电线路不同保护配置情况对电网安全稳定运行的影响^[8,9,10]。计算结果如表3所示。

经过稳定计算可以看出，配置光差保护的情况下供电线路单回末端三相短路故障切除后系统稳定，配置距离保护的情况下供电线路单回末端三相短路故障切除后存在系统功角失稳的情况。两个牵引站单回线路末端故障曲线图如图2和图3所示。

图  2  牵引站1单回线路末端故障曲线图

Figure 2.  Single circuit terminal fault graph of traction station 1

图  3  牵引站2单回线路末端故障曲线图

Figure 3.  Single circuit terminal fault graph of traction station 2

此外，交直流混合运行的大电网直流落点多，220 kV牵引变电站出线三相故障极有可能导致直流换相失败。如表4所示为2020年南方电网牵引站供电线路末端三相短路故障引起直流换相失败的计算结果。

由此可见，若牵引站供电线路不配置全线速动的光差保护，存在线路末端短路故障切除时间过长，造成局部电网功角失稳的问题。同时，多回直流输电线路落点若线路末端短路故障切除时间过长，会加大近区落点的直流换相失败风险。因此为保障电网安全稳定运行，需确存在局部电网功角失稳的站点，装设全线速动保护。

根据上述计算，220 kV牵引站供电线路故障应满足快速切除的要求(0.12 s隔离故障)，否则会造成局部电网失稳、直流输电换相失败和大量负荷低压脱扣的风险。然而，在220 kV牵引站供电线路无纵联保护情况下，距离II段等对全线有灵敏度段按装置最小时限整定(0.01 s)，以满足220 kV线路故障快切要求，将导致距离I段保护时限深入牵引变低压侧，降低线路供电的可靠性，加剧牵引变压器的损坏。

1)一次系统配置

站内配置方面，严格按照国家规定，合理配置无功补偿及滤波装置。外部电源接入方面，建议牵引站接入尽量采用两路独立电源供电；且接入点短路容量需满足电能质量的要求。

2)继电保护配置

220 kV牵引供电线路按国家标准配置双重化的全线速动保护(主要包括光纤电流差动保护、纵联距离保护)，特别是在经计算配置距离保护存在局部电网功角失稳问题的站点，必须确保配置光纤电流差动保护。110 kV电铁供电线路一般均为单侧电源线路，且多数为线变串单元接线，可在电源侧配置单侧线路保护。牵引站220 kV母线应配置母差保护。220 kV及以上牵引变电站尽量考虑配置故障录波器，或通过其他途径或通道将牵引站综合自动化装置中的故障录波信息传送到电网调度，以便事故分析。若考虑铁路牵引站为用户站，可考虑不配置故障录波装置。

3)安全自动装置

牵引变电所进线均配置备自投装置。

4)自动化装置配置

在牵引变电站设置远动装置，实现当地电力调度部门对相关遥测遥信量的的直采直送功能。并配置相应的二次安全防护设备。

5)运行管理建议

加强电网公司与铁路总公司的交流，制定建设程序和标准。加强电网公司对铁路电气设备的辅助维护。

牵引负荷具有冲击性大、两供电臂负荷不均衡、负荷率低、负序电流大的特点，牵引站应采取轮换相序接入、平衡供电臂负荷、发展交直交型机车、加装滤波器、SVC、SVG等措施改善牵引负荷特性，减少牵引站对电力系统产生的不良影响。

目前，电气化铁路的运营存在许多重大隐患，应严格实施铁路设计规程和运行准则，避免隐患问题造成严重后果。此外，铁路牵引站的安全稳定计算结果表明，为保障电网安全稳定运行，需确存在局部电网功角失稳的站点，装设全线速动保护。