高速鐵路開關設備選型問題研究

高中杰，涂大石

（1 中鐵工程設計咨詢集團有限公司 太原設計院，山西太原030013；2 華電高科（北京）電氣有限公司，北京100192）

高速鐵路開關設備選型問題研究

高中杰1，涂大石2

（1 中鐵工程設計咨詢集團有限公司 太原設計院，山西太原030013；2 華電高科（北京）電氣有限公司，北京100192）

我國電氣化鐵路牽引供電的基本要求是：200 km/h及以下采用戶內空氣絕緣開關設備（27.5 k V單相單極居多），200～250 km/h采用戶外敞開式開關設備（2×27.5 k V和55 k V單相雙極居多），250 km/h以上采用戶內氣體絕緣開關設備（2×27.5 k V單相雙極居多）。伴隨著高速鐵路的快速發展，標準中規定使用的電氣化鐵道開關設備存在的問題也逐漸暴露出來。

鐵路；電氣化；開關設備；鎧裝金屬封閉；氣體絕緣；選型

高速鐵路的牽引供電系統比普通的電氣化鐵路牽引供電有一定的特殊性?？煽啃愿?，負載電流大（單饋線也要2 500 A以上），一般采用瞬間啟動電流更大（4 000 A，20 min）的AT供電方式?，F在高速鐵路設計標準規定：宜選用SF6氣體絕緣柜（箱式氣體絕緣金屬封閉開關設備，英文簡稱C－GIS，現GB 3906標準中稱為“充流體的金屬封閉開關設備”）。這種“最貴”的方式能否達到＂最安全＂的目的卻是值得探討的了。本文就高速鐵路27.5 k V開關設備的選型問題闡述觀點。

1 金屬封閉開關設備的分類

除進出線外，完全被金屬外殼封閉的開關設備稱為金屬封閉開關設備。

GB 3906－1991年對金屬封閉開關設備和控制設備進行了如下分類，雖然GB 3906－2006年版中不再要求按1991年版分類，而是按供電連續性和隔板類型（金屬或非金屬）進行分類。考慮到多年的習慣、分類的嚴謹性，高壓開關標委會決定仍按1991年版的要求分類。

金屬封閉開關設備按使用地點分為戶外式與戶內式，由于戶外式環境條件影響其安全性，使用很少。戶內式居絕大多數。

金屬封閉開關設備按主絕緣方式分為空氣式、充流體式（俗稱為＂充氣柜＂、箱式氣體絕緣組合電器（CGIS））、固體絕緣式。

1.1 按內部結構分

（1）鎧裝式金屬封閉開關設備

某些組成部件（如主開關、電纜、母線）分別裝在接地的、用金屬隔板隔開的隔室中的金屬封閉開關設備；

（2）間隔式金屬封閉開關設備（具有非金屬隔板的）

與鎧裝式金屬封閉開關設備一樣，某些元件也分別裝在單獨的隔室內，但具有一個或多個非金屬隔板。隔板的防護等級應符合GB 11022中6.12的規定；

（3）箱式金屬封閉開關設備

除鎧裝式、間隔式以外的金屬封閉開關設備。金屬外殼具有以下特征：

①間隔的數目少于鎧裝式和間隔式金屬封閉開關設備；

②隔板的防護等級底于GB 11022中6.12的規定（IP2X）；

③沒有隔板。

1.2 金屬封閉開關設備按開關元件的安裝方式分

（1）固定式

開關元件固定安裝在柜內，用母線把各個元件連接起來，構成一個完整的導電電路。這種結構的優點是安全可靠，承載電流大。缺點是檢修不便、體積大、造價高、操作不便。

（2）移開式

開關元件不固定安裝在柜內，可以在柜內移動甚至移出，可以形成工作位置、試驗位置、移開位置。這種結構的優點是檢修方便、體積小、造價低、操作方便。缺點是安全性差、承載電流小、可視性差。開關設備代號見圖1所示。

2 戶外布置方式

200～250 km/h（包括重載鐵路）的電氣化鐵路開關設備我國采用戶外布置方式。經常采用的開關設備分為敞開式和SF6氣體絕緣全封閉組合式（GIS）兩種。近年來也有一種介于兩者之間的結構方式——復合電器（H·GIS），近年出現的半組合電器（PASS）也屬此類。

2.1 基本概念及其特點

敞開電器（AIS）：斷路器、隔離開關、接地開關、電流互感器、電壓互感器、避雷器等設備都是獨立的，在現場單獨安裝，再用導線連接起來，構成各種電能傳輸電路。

氣體絕緣組合開關電器（GIS）：斷路器、隔離開關、接地開關、電流互感器、電壓互感器、避雷器、母線等設備都組合在一個充有SF6氣體的容器內，構成各種電能傳輸電路。

復合電器（H·GIS）：罐式SF6斷路器（TGCB）、隔離開關（DS）、接地開關（ES）、快速接地開關（FES）、電流互感器（CT）、電壓互感器（PT）、避雷器等設備組合在一個充有SF6氣體的容器內，再與架空母線、出線配合使用。其與GIS的區別就是母線沒有一同封閉在一起。

以上所述各種組合電器都是密封在圓筒式的金屬殼內，可以承受較大的內部或外部氣壓，以便更換氣體。

AIS、GIS、H·GIS、PASS性能比較見表1。

2.2 常見主接線方式

我國戶外牽引站27.5 k V側大多采用AIS方式。

該接線方式2×27.5 k V出線斷路器側采用50%備用，兩側都設計有隔離開關。但2×27.5 k V進線斷路器只在出線端設計了隔離開關，進線側沒有設計隔離開關，斷路器與變壓器須同時停電檢修，這對運行沒有太大影響。

2.3 存在的主要問題

戶外布置方式的主要優點是節省房屋建筑費用，但是，隨著土地費用的上漲，這一優點并不是普遍存在。相反，有時占地面積增加的費用遠遠超過了房屋建筑費用，尤其在城市人口密集區以及艱險山區（土地平整費用過高）。這種戶外布置方式的主要缺點如下：

（1）戶外高壓設備外絕緣性能受環境影響很大，尤其重度霧霾會直接降低其絕緣性能，造成閃絡擊穿事故；

（2）戶外溫度過低（－15℃以下），各種零部件配合間隙都要發生變化，潤滑脂的黏度也要變高，這不但會影響合、分閘的速度，還會造成開關拒分、拒合，使事故影響擴大；

（3）受風沙日照的影響，各零部件、絕緣件都要加速銹蝕和老化，這對安全運行極為不利；

（4）在風、雨、雪、霧天氣，人員操作、巡視和檢修都不安全；

（5）27.5 k V側開關設備占地面積是戶內方案的2～3倍；

（6）27.5 k V側開關設備造價是戶內方案的2～3倍。

3 戶內布置方式

3.1 氣體絕緣金屬封閉開關設備

高速鐵路設計規范要求：宜使用氣體絕緣金屬封閉開關設備。其全稱應該是箱型SF6氣體絕緣固定式金屬封閉開關設備，一般型號為XGN□－27.5（或2× 27.5）。按新標準應該稱為“充流體式金屬封閉開關設備”（簡稱C－GIS，或“充氣柜”）。本文僅限于討論充SF6氣體的方式，不含充其他氣體和液體以及固體絕緣的方式。高速鐵路大多數為2×27.5 k V單相雙極的AT供電方式，常見的開關柜結構方式見圖2。

3.2 主接線方案

250 km/h以上的高速鐵路牽引變電站主接線方案基本有以下特點（參見圖4）。

（1）出線側無備用回路；

（2）在開關柜內，斷路器只在母線側設計有隔離開關，出線側沒有隔離開關；

（3）進出線全部采用電纜；

（4）在出線線路上設計隔離開關、聯絡隔離開關。

當某個出線斷路器故障退出運行，同一方向供電的另一臺斷路器通過聯絡隔離開關同時向相反方向線路供電。

3.3 充氣柜的優點

（1）絕緣性能不受周圍環境的影響，絕緣穩定性有了提高；

（2）體積小，運輸方便；

（3）柜體本身占地面積?。?/p>

（4）各種操作都實現了電動操作，自動化程度高。

3.4 充氣柜存在的問題

這種充氣柜的一些優點是有前提條件的，在一般場合優點并不突出。

（1）在惡劣環境條件下（高原地區、環境污染嚴重地區、高鹽霧環境（如鉆井平臺）），使用空氣絕緣柜不夠安全，充氣柜的優勢才能體現出來。否則就沒優勢，甚至浪費。

（2）體積小，但整體占用面積卻不一定小。

①由于每個單元回路只在母線與斷路器之間設有隔離開關，斷路器與電纜之間無法設計隔離開關，只能在戶外再設計柱上安裝的隔離開關、接地開關；

②有些檢修、巡視需要在柜后進行，柜后距墻要留出1 000 mm以上的檢修通道，占地面積加大；

③由于無法設計成上架空出線方式，只能下電纜出線方式。而電氣化鐵路絕大多數都要求架空出線直接與接觸網相連，所以只能用電纜過渡到桿上再架空引出，增加了設備和占地面積；

④為了電纜進出，需要設計與配電室同面積的電纜夾層。

以上這些原因使得最終占地面積并沒有減小，反而增加。

（3）一旦發生事故，卻又很難及時檢修、更換。例如，PT放電這樣的小事故都很難不停電處理。

（4）箱式組合電器（C－GIS）不同于常規的筒式組合電器（GIS），其承受的大氣壓力非常有限，一般不能在常壓下更換氣體，只能在真空房內進行。這就埋下了巨大的安全隱患——無法現場檢修！而筒式組合電器（GIS）可以承受較大的大氣壓力，可以在現場更換絕緣氣體、檢修，兩者有很大的區別。

（5）不能排除氣體泄露的可能性，隱患還是存在的。

（6）運行方式不夠靈活，沒有備用斷路器。

（7）造價達到空氣絕緣柜的2～3倍。

3.5 現場實際使用情況

京廣高鐵新鄉供電段管段，在半年時間里，發生各種機械故障多起（見表2）。故障類型主要是機電結合元件（如各種微動開關）抗振動能力不足，發生移位，不能準確動作；在活動密封處發生SF6氣體泄漏，氣壓下降，絕緣強度不足，而且隨著操作次數的累計增加，事故越加頻繁。

分析這些故障發現主要是設計問題。

（1）所選用的微動開關并不是高重復精度的產品，而是普通橋式微動開關，即使本身沒有發生位移，其觸點的動作位置也要變化，造成定位不準。如聯鎖其他電路，則會發生拒分、拒合事故。隔離開關動、靜觸頭嚙合量精度一般在±5 mm，折算到微動開關側則只有±0.2 mm，則微動開關的重復動作精度必須在±0.1 mm以下，而且固定還要絕對牢固。

（2）三工位隔離開關的動觸臂采用絕緣絲杠驅動，把旋轉運動變成直線運動驅動觸臂擺動。由于隔離開關每天至少要動作一次，換算成絲杠旋轉的圈數就要達到200多圈。絲杠的原動端在大氣環境下，被動端在SF6壓力氣體室內，中間靠普通橡膠圈密封（見圖3）。密封圈磨損后密封性能下降，必然漏氣。另外，在回收氣體時都要抽真空，密封處要承受一個大氣壓力，也容易漏氣，降低氣體濃度。

（3）在檢修前都要回收氣體抽真空，箱體外殼要承受一個大氣壓力。這對于筒式結構來講沒什么危害，但對箱式柜來講影響很大：會造成箱體變形。繼而產生密封不嚴、傳動受阻、定位不準等事故。

3.6 對行車的影響

2012年11月26日衛輝變電所211柜SF6氣體發生泄漏，閉鎖啟動，退出運行。暫由212柜通過線路隔離開關帶211供電的下行線。這時段內如果發生事故跳閘，則會造成該方向行車完全中斷。

根據這次事故說明氣體絕緣金屬封閉開關設備在外絕緣方面的確比較可靠，但是一旦出現事故處理起來卻十分麻煩，恢復時間很長，運行維護人員很難自行處理。

4 電氣化鐵道開關設備的發展方向

開關設備的外絕緣受環境影響很大，但在平原地區這一問題并不突出，尤其這些年來采取了很多加強絕緣的方式：

（1）增加了爬電距離，達到20 mm/k V。

（2）有的絕緣件開始使用憎水性很強的硅橡膠作為與空氣的接觸層，抗凝露能力大有提高；

（3）安全距離由300 mm增大到360 mm，這對絕緣安全極為有利；

（4）充分采用有限元分析方法，在設計初期就對電場較強的地方進行完善設計，使得產品發生放電的幾率大幅降低；

（5）溫濕度控制裝置已普遍使用，這對防凝露也有很大益處。

我國電氣化鐵道開關設備在設計選型方面有些不合理，應該從最低端的網柵式向箱式開關柜、金屬間隔式開關柜、鎧裝式開關柜、氣體絕緣開關柜逐步發展。而實際情況是大量使用網柵式（目前還在使用），少量使用箱型移開式，高速鐵路直接使用氣體絕緣式的。沒有大量使用性價比最高的鎧裝柜，這與電力行業的使用情況正好相反。由于電力行業的開關柜用量極大，具有豐富的運行經驗：在一般場合使用空氣絕緣的鎧裝柜，在條件嚴酷的場合可以使用充氣柜。實踐證明，這是比較理想的選擇。

目前大量使用的箱式柜存在的主要問題：

（1）箱式開關柜由于隔室太少（只有一個高壓隔室），一點出線弧光短路，會損壞所有柜內高壓元件，尤其二次導線，再恢復送電困難；

（2）電弧光保護的作用是讓進線斷路器無延時跳閘（進線斷路器一般只能設置限時電流速斷保護），保護開關柜免受更大的損壞。箱式柜內只能安裝一個弧光探頭，不論回路哪里故障都要讓進線跳閘，造成不必要的大面積停電，嚴重影響行車；

（3）防護等級太低，對操作人員的保護有限。

金屬間隔式開關柜由于隔板有絕緣板，容易受潮、老化，引起擊穿放電。

所以，以上兩種柜型在國內、外已經被淘汰，用量極少。

4.1 鎧裝柜安裝方式的選擇

按照斷路器安裝方式開關柜分為固定式與移開式兩種，前一種方式的斷路器固定安裝在開關柜內，通過上、下隔離開關與母線側和出線側隔離或接通。后一種方式的斷路器可以在開關柜內移動，也可以移除柜外，實現與母線側和出線側隔離或接通。

在20世紀90年代之前，斷路器大多還是少油式的，每次開斷短路電流后都要換油檢修，設計成移開式的比較方便檢修。但是，現在斷路器都是真空式，幾乎免維護，壽命高達20年以上。所以再使用移開式（手車式）的開關柜就根本沒有必要了。相反，移開式開關柜安全性低的問題卻顯現出來，尤其是大電流電路，隔離觸頭接觸的可靠性遠不如隔離開關可靠性高。文獻［1］載流故障占所有事故的2.3%，開關柜占（全部載流事故的）其中77.8%。主要集中在12～40.5 k V中壓開關設備上，觸頭過熱，引線過熱，常擴大為絕緣事故。主要是由于插頭接觸不良、插頭偏心等原因導致過熱，以致起弧燒壞設備。

4.2 鎧裝柜絕緣方式的選擇

絕緣方式主要有空氣絕緣、氣體絕緣和固體絕緣3種方式。氣體絕緣存在的問題上文已經討論過了，固體絕緣這幾年來曾經推廣過一段時間（僅限12 k V），但由于絕緣容易老化、散熱困難、額定電流過?。?30 A）等問題，推廣范圍有限。

文獻［1］絕緣事故占所有事故的14.3%，開關柜及斷路器占（全部絕緣事故的）其中73.2%。主要是柜內放電、CT閃絡和相間閃絡。斷路器與開關柜不匹配，絕緣尺寸不夠，柜內隔板吸潮，爬距不足，老舊開關改造不徹底，未進行加強絕緣措施等原因造成。在40.5 k V開關柜中該問題更為突出。

經過多年的運行經驗證明：空氣是最可靠、安全和環保的絕緣介質。只要保證足夠的安全距離，沒有過大的局部場強，就可以安全運行。

單相27.5 k V電氣化鐵道開關設備對地最高電壓為31.5 k V，40.5 k V三相系統對地電壓為23.4 k V，這就意味著同樣條件下前者的絕緣要求還要大于后者。國家電網公司2005年就要求40.5 k V戶內安全距離由300 mm加大到360 mm，鐵道行業也更需要加大開關設備的安全距離。

4.3 現有鎧裝移開式開關柜事故原因

（1）由于歷史的原因，手車式結構已被廣泛認可，習慣性思維使得開發設計人員還是按照移開式結構進行設計，結構上沒有重大突破；

（2）為了追求小型化，大量使用有機絕緣材料，絕緣老化問題不可避免；

（3）隨著外殼、各個隔室防護等級的提高，必然不利于散熱，尤其觸頭盒全密封，使得最大的發熱源——隔離觸頭散熱困難，溫升過高更加劇老化；

（4）手車式結構由于移動部件笨重，不但操作困難，變形越加嚴重，動、靜觸頭偏差超過限度后，載流能力下降，溫升過高；

（5）由于鎧裝柜防護等級高，主要溫升點不便觀測（有時即使觀測到也無法處理），這也是釀成事故的原因之一。

4.4 鎧裝固定式金屬封閉開關設備是未來的發展方向

運行事故統計表明高壓開關柜燒毀事故已呈上升趨勢，這不能不引起我們的極大關注。這些問題國內、外都給予了充分的重視，這在GB 3906－2005［2］中就已充分體現。首先在標準附錄F中F.1條“與GB 3906－1991相比，分類的變化”中明確指出：前版標準主要圍繞可抽出式的空氣絕緣外殼而編寫的?，F在的趨勢朝著固定式和GIS方向發展，需要本標準代表這些設備。其次在8.2條“設計和結構選擇”中又一次明確：固定式的總裝，尤其是采用了少維護元件的總裝可以提供終生低投入高收益的布置。

4.4.1 現階段固定式金屬封閉開關設備的不足之處

體積龐大，尤其大電流柜，占地面積大，安裝、運輸同樣也很困難；隔室間防護等級有的未達到IP20要求，外觀不夠理想；隔離開關操作力太大，聯鎖機構的應變性差；材料消耗和工時成本都不夠經濟。開關（斷路器）參數檢測困難，直接影響運行安全；有的不能靠墻安裝，占地面積大；有些沒有考慮安裝快速接地開關，不符合GB 3906－2006要求；接線方式不夠靈活，架空出線占地面積過大。

4.4.2 固定式金屬封閉開關設備的新思路

針對上述問題，提出以下新的思路，作為設計固定式開關柜總的原則。

（1）為了實現小型化，首先實現元件組合化。例如，把斷路器與隔離開關組合成一個元件；

（2）雖然斷路器固定安裝，但是，還要像手車一樣方便安裝、移出，作到可維護、能維護；

（3）所有元件的操作都要實現電動為主、手動為輔，提高自動化程度，便于智能化、遠動操作；

（4）電路簡單，方案靈活，適應性強。

根據上述設計理念，設計開發出圖3所示新型結構的開關柜。

該結構的最大特點就是把斷路器與上、下隔離開關組合成一個元件，而且觸臂是上、下直線運動，使導電電路近乎成一條直線，達到最短，也使整個柜子實現最小。在這種條件下，全部實現空氣主絕緣、安全距離不小于360 mm、額定電流達3 150 A、斷路器可以推進、抽出。目前在國內、外文獻中還沒有發現相關報道。

5 設計實例

方案出線設計有50%備用，出線側有隔離開關、接地開關，可以省卻線路上的隔離開關和接地開關。優點如下：

（1）子結構上已達到鎧裝的要求，防護等級達到IP4X/IP2X（隔室間），有了安全保障；

（2）額定電流達到3 150 A，為重載鐵路、高速鐵路的應用創造了條件；

（3）接線清晰明了，開關動作過程清晰可見，減少了運行人員誤操作的可能；

（4）與充氣柜相比較，同樣的主接線方式綜合占地面積和建筑面積減少20%以上，降低了綜合造價；

（5）斷路器兩側都設計有隔離開關，檢修方便，供電的連續性最高，運行方式靈活；

（6）可以節省50余根動力電纜，100多個電纜頭，僅此一項就可節省造價200余萬元；

（7）開關操作都以電動為主，極大地降低了危險性和操作強度；

（8）地開關安裝在柜內，且能關合短路電流，省卻了戶外桿上接地開關還保證了安全。

6 結束語

高速鐵路在我國雖然發展很快，但運行時間還很短，存在的問題還有可能沒有暴露出來，需要進一步的總結和分析。對牽引變電站宜選用氣體絕緣柜的要求還有待商榷。

［1］ 宋杲，崔景春，袁大陸.2004年國家電網公司高壓開關運行分析［J］.高壓開關，2005，22（3）：7-13.

［2］ 王季梅，吳維忠，魏一鈞，劉文進.真空開關［M］.北京：機械工業出版社，1983.

［3］ 徐國政，張節容，錢家驪，黃瑜瓏.高壓斷路器原理和應用［M］.北京：清華大學出版社，2000.

［4］ 王季梅.真空開關理論及其應用［M］.西安：西安交通大學出版社，1986.

［5］ 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 4787－2010高壓交流斷路器用均壓電容器［S］.中國標準出版社，2011.

［6］ 黎 斌.SF6高壓電器設計［M］.北京：機械工業出版社，2007.

［7］ 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.中國國家標準化管理委員會.GB 3906 3.6～40.5 k V交流金屬封閉開關設備和控制設備［S］.中國標準出版社，2006.

［8］ GB1122.高壓開關設備與控制設備標準的共用技術要求［S］.

Research On Switch Equipment Selection of High-speed Railway

GAO Zhongjie1，TU Dashi2
（1 Design Institute of Taiyuan，China Railway Engineering Consulting Group Co.，Ltd.，Taiyuan 030013 Shanxi，China；2 Huadian Tech Center（Beijing）Electric Co.，Ltd.，Beijing 100192，China）

The basic requirement of traction power supply for electrified railway of our country is：indoor air insulated switch equipment is used at 200 km/h and below（single-phase unipolar 27.5 k V mostly）；outdoor open switch equipment is used at 200－250 km/h（single-phase bipolar 2×27.5 k V and 55 k V mostly），indoor gas insulated switch equipment is used at more than 250 km/h（single-phase bipolar 2×27.5 k V mostly）.Along with the rapid development of high-speed railway，the problems of electrified railway switch equipment which the standard stipulates have gradually exposed.

railway；electrify；switch equipment；armored metal-enclosed；gas insulation；selection

U223.6

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.05.31

1008－7842（2014）05－0113－07

1—）男，工程師（

2014－03－14）