牽引變電所27.5kV側主接線設計及設備選型

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【摘? 要】伴隨著社會發展需求，電氣化鐵路在國民經濟中所占比重越來越大，而樞紐牽引變電所27.5 kV側主接線不同于干線牽引變電所27.5 kV側主接線，其設計應根據所在樞紐的電氣化牽引網近遠期規劃，結合現場和電氣設備等具體情況，綜合考慮各方面因素。本文對牽引變電所27.5kV側主接線設計及設備選型進行了分析。

【關鍵詞】牽引變電所;27.5kV側主接線;設計;設備選型

從日常運營方面來說，區間牽引變電設施運輸維護道路極為有限，而其電纜運行維護空間狹小，周期巡視困難、故障點查找困難、故障處理技術要求高，檢修難度系數大，一旦電纜附件出線故障，其停電檢修的時間將大幅增加，將嚴重影響鐵路正常安全運行。

一、智能牽引變電所

智能牽引變電所通過數據信息搜集完成牽引變電所數據分享與操作控制，實現了線上監督控制。變電所數字化一次設備分為間隔層（保護設備、故障錄波器、系統測控）、站控層（主機、工作站、遠動通信設備）、過程層（互感器、斷路器）。智能牽引變電所有著全過程線上控制、故障診斷、數據共享優勢。牽引變電所成分布式，屬于本地網絡化智能牽引變電所。但是，智能牽引變電所怎樣用于供電系統中成為重要研究內容。牽引變電所的出現促進了變電站保護與自動化技術水平提升，光電技術傳感器檢測電壓與電流、光纖網絡通訊等智能化技術進一步推動了智能化變電站的繼電保護與自動化技術，這對供電系統保護控制有著重要作用。現階段，智能牽引變電所得到了大范圍推廣應用，不過在一些細則問題上值

得進一步優化。首先，盡管互感器已經被廣泛應用在保護自動化設備的電流與電壓信號，不過變電站保護大數據處理系統仍然有待提升。相對于發達國家，我國智能牽引變電站技術仍然處于落后水平，部分設備與系統兼容性有待進一步優化。總而言之，智能牽引變電站保護與自動化系統需要引進先進技術提升自動化信息技術與計算機技術穩定性，制定信息共享備份保護單元與信息共享的信號備份措施。

二、27.5kV開關設備比選

1.空氣絕緣開關設備。我國既有鐵路牽引變電所27.5kV側開關設備在低海拔地區常采用的戶外單體布置、戶內雙列網柵布置及空氣開關柜等布置形式，均以空氣作為絕緣介質，全部電氣元件及導體均裸露在空氣中，其外絕緣性能受空氣絕緣強度的限制。根據國家標準，常規的空氣絕緣高壓開關產品適用的海拔環境為1000m及以下，超過1000m以上海拔高度的電氣產品都需使用高原型產品，需針對高海拔環境條件對產品進行調整、改進和設計，使其滿足高原的特殊環境條件。

2.SF6氣體絕緣開關設備。相比以空氣作為絕緣介質的開關設備，SF6氣體絕緣開關柜主要的一次設備如斷路器、隔離開關、母線、電流互感器等均安裝于以SF6氣體作為絕緣介質的密封箱體內，不受外界環境因素的影響，依靠氣體的高絕緣特性和氣箱的良好密封性，可使設備20年不需要維護。在任一海拔處，充氣開關柜的內絕緣特性都是相同的，不需要進行海拔修正，能夠很好的適應高海拔地區使用環境，因此在高海拔地區應用越來越廣泛。

3.比選結論。能夠滿足海拔3500～5000米使用的27.5kV的空氣絕緣開關柜的價錢要高于常規海拔使用的27.5kV的SF6氣體絕緣開關柜的價格。而且高海拔地區，特殊的地理環境，地廣人稀，很多牽引變電所建在了無人煙的荒野外，無人值班，如果出現故障，很難迅速的組織搶修。所以，電氣性能安全可靠的免維護的氣體絕緣開關柜更適合在高海拔地區使用。

我國既有電氣化鐵路27.5kV側常采用的出線方式有電力電纜和架空線兩種，針對高海拔地區特殊的使用環境，對兩種不同的出線方式進行綜合比選如下：

1.電力電纜方式。電力電纜采用絕緣介質將金屬導體與外界隔離，敷設在地面或地下，主要優點敷設較方便，占用土地資源較少，不影響城市市容，因此電纜出線方式在大城市中心地區的鐵路牽引變電所內廣泛使用。但電力電纜一次性投資大，且附件的安裝工藝要求非常嚴格，對作業環境和現場施工場所的要求高，一旦現場施工時對電纜附件的安裝重視不夠，就會留下事故隱患。

2.架空出線方式。相比高壓電纜，架空線是裸露的金屬導體，在空中架設，以絕緣子串固定在桿塔上，以空氣為絕緣，投資成本低、機動性強、故障概率低、故障后便于檢修更換。另外從價格方面來說，架空線的成本遠低于電纜的成本。

3.比選結論。在高海拔地區，地廣人稀，土地資源不是工程設計考慮的主要因素。所以電纜占地資源較少，不影響市容等主要優點就形同虛設。

三、牽引變電所27.5kV側主接線設計案例分析

某牽引變電所是一座大型樞紐牽引變電所，共計14回饋線。同時，還要考慮未來發展的預留條件。近期，按牽引變電所采用單臺單相接線的牽引變壓器設計，預留遠期改為2臺單相牽引變壓器組成V/X接線條件。此外，考慮到牽引變電所選址、用地困難，新樞紐牽引變電所220 kV和27.5 kV的電氣設備采用高可靠性、少維修、免維護的戶內安裝氣體絕緣（GIS）組合電器設備和開關柜，生產房屋按2層樓房設計，并設有半地下電纜夾層。近期所有27.5 kV側饋線按同

一相電供電，遠期卻不能按同一相電供電。因此，27.5 kV側主接線型式設計面臨開關設備如何配置與布置、房屋大小及樓板孔洞如何預留、如何避免或減少二次工程、二次工程施工時如何完成過渡等問題。根據樞紐總體規劃要求，在設計中提出幾種方案。

1.方案一：2×27.5 kV母線不分段運行。設置2臺母線分段隔離開關可滿足近期由1臺1#（或2#）牽引變壓器通過開關向全所14回饋線供電。遠期當單相接線的牽引變壓器改為由2臺單相牽引變壓器組成V/X接線時，饋線不能按同一相電供電，將此開關分閘，以滿足母線分段運行條件。該方案接線簡單，初期建設投資少，也能滿足近遠期供電要求。但由于該所饋線多，牽引變壓器容量大，動車在緊密運行狀態下，27.5 kV側母線電流超過2 500 A。經調研，國內外目前沒有能滿足如此大容量的成熟開關設備。牽引變電所中的牽引變壓器采用單相接線是國外高速電氣化鐵路牽引供電技術的共識和發展趨勢，采用單相牽引變壓器供電，其接觸網的電分相數量是其他接線型式牽引變壓器的一半;從減少接觸網電分相數量、有利于高速列車運行、牽引變壓器容量利用率高、牽引變電所結構簡單及投資少等角度考慮，高速鐵路的牽引供電系統優先采用單相牽引變壓器，在困難條件下，可考慮采用其他接線型式。

2.方案二：2×27.5 kV母線分段運行，牽引變壓器27.5 kV側設置斷路器27.5 kV側母線開關設備如何配置實際上是27.5 kV側主接線型式如何確定，這關系到能否采用單臺單相牽引變壓器接線型式和少維修、免維護的2×27.5 kV氣體絕緣（GIS）開關設備，以滿足高速鐵路高可靠性的供電要求。為此，從供電的運行方式、設備保護設置的安全可靠性等方面對單相牽引變壓器27.5 kV側主接線型式進行專題研究，提出2個解決問題方案，即方案二和方案三。方案二取消母線分段隔離開關，母線分段運行，牽引變壓器27.5 kV側設置斷路器。但1#牽引變壓器27.5 kV側的2臺斷路器開關柜（或2#牽引變壓器2臺斷路器開關柜）在牽引變壓器故障跳閘時動作不能同期，存在毫秒級的時間差，但不會影響設備運行。

3.方案三：2×27.5 kV母線分段運行，牽引變壓器27.5 kV側不設置斷路器。方案三同方案二，也取消了母線分段隔離開關，母線分段運行，但牽引變壓器27.5 kV側不設斷路器，因此不存在牽引變壓器保護跳閘動作不同期的問題。與方案二相比較，方案三對饋線后備保護少了一級，由牽引變壓器高壓側220 kV做饋線后備保護，牽引變壓220 kV側倒閘次數增加，對全所供電有影響，降低了供電的可靠性。

4.方案四：2×27.5 kV母線設置隔離開關分段運行。考慮到遠期饋線不是同相電供電，方案二雖然供電可靠性較高，但兩段母線所帶饋線負荷差別較大，因此考慮將母線通過4臺隔離開關分為3段，即方案四。根據牽引網近遠期供電規劃，將各饋線位置在不影響進出線敷設的前提下進行了調整。近期，分別將母線I段和II段之間的隔離開關合閘，母線II段和III段之間的隔離開關分閘，1#牽引變壓器27.5 kV側1臺斷路器開關（或2#牽引變壓器27.5 kV側1臺斷路器開關）向I段和II段母線供電，III段母線由1#牽引變壓器27.5 kV側另1臺斷路器開關（或2#牽引變壓器27.5 kV側另一臺斷路器開關）供電，使其各段母線的負荷均勻。遠期，當單相接線的牽引變壓器改為由2臺單相牽引變壓器組成V/X接線時，分別將母線I段和II段之間的隔離開關分閘，母線II段和III段之間的隔離開關合閘，1#牽引變壓器27.5 kV側斷路器開關（或2#牽引變壓器27.5 kV側斷路器開關）向I段母線供電，II段和III段母線由新增的3#牽引變壓器27.5 kV側斷路器開關（或4#牽引變壓器27.5 kV側斷路器開關）供電。雖然初期建設一次性投資較高，但方案四不僅能滿足近遠期樞紐牽引網供電規劃，而且解決了開關設備容

量不匹配的問題，使單相接線的牽引變壓器能順利得到應用。在遠期改造工程中，室外僅需在預留的牽引變壓器位置上安裝新增牽引變壓器，分別將既有1#和2#牽引變壓器27.5 kV側的電纜頭各拆除一組，與新增變壓器連接即可完成，而室內27.5 kV側設備沒有二次工程。由于牽引變壓器是按一主一備運行，因此整個改造工程沒有過渡工程，對樞紐內各客運專線和各站線的正常供電沒有影響，提高了供電的可靠性。

綜上所述，設計應納入樞紐電氣化總體規劃;饋線分布應合理使所外供電線盡量避免交叉;盡量避免或減少二次工程;主接線不但能在正常情況下保證供電，而且在某些設備（如饋線開關或母線等）故障檢修時，均能保證為樞紐牽引網供電。

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