高鐵無人值守變電站的設計與實現

中鐵上海設計院集團有限公司 張飛飛

在高速鐵路工程項目中，通過應用無人值守變電站，可提高高速鐵路電力系統運行可靠性、維護便利性和操作安全性，監控人員可通過實時圖像和遠動信息對變電站運行情況進行綜合監控與分析，實現高鐵沿線變電站遠程集中控制和故障分析[1]。

1 高鐵無人值守變電站內涵

高鐵無人值守變電站是在常規變電站基礎上融入綜合自動化開始或借助遠動裝置RTU 處理后，經通信通道發送至上級電力調度或監控中心，由電力調度或監控中心對變電站可控設備進行“遙測、遙信、遙控、遙調、遙視”操作。

在高鐵電力系統中，變電站是“四電”系統之一，是高鐵鐵路調度、信號、通信、信息、防災等負荷供電的動力來源。變電站供電可靠性、穩定性、安全性直接影響高鐵系統安全高效運行，加強無人值守變電站設計和應用，改變常規變電站系統人工巡檢、操作、維護、排障的運行方式[2]，能夠提高高鐵無人值守變電站系統運行可靠性、穩定性。

2 高鐵無人值守變電站設計

高鐵無人值守變電站設計包括一次設計、二次設計。

2.1 一次系統設計

2.1.1 主接線設計

假設某高鐵無人值守35kV 變電站設計出線7回，最大負荷為10000kVA，10kV 出線10回，最大負荷3600kVA。變電站主供電接入2回35kV線路，根據《35kV～110kV 變電站設計規范》（GB50059-2011）規定要求，進線為2回時，一般采用橋接線，當出線大于2回時，可采用單母線接線、單母線分段或橋形接線等形式[3]。

采用單母線接線時，考慮到單母線接線隔離開關檢修時，連接在母線上所有回路均需停止，當母線或母線隔離開關發生短路或絕緣套管故障時，斷路器均需自動斷開，出線會全部停電。而采用單母線接線方式時，35kV 和10kV 出線不超過5回。故不采用單母線接線方式。

采用單母線分段接線時，可借助斷路器或隔離開關將母線分段，保證母線不間斷供電，提高供電可靠性，但單母線分段接線某一段母線或隔離開關出現故障、檢修時，需斷開該段母線上的全部電源、出線，這也會導致分段回路全部停電。

采用橋形接線時，橋臂設置在線路斷路器內側，當線路發生故障時，可斷開故障線路斷路器，其余線路持續正常運行。變壓器故障時，聯系斷路器與故障變壓器同側斷路器均自動跳閘，需經倒閘操作后恢復該線路供電。但該主線接線方式操作復雜。

綜合不同主線接線優缺點，由于高鐵無人值守變電站負荷大部分為一二級負荷，對變電站供電安全性、可靠性要求高，因此，設計高鐵無人值守變電站時，主接線可采用雙電源單母線斷路器分段接線方式，母線采用單母線分段接線方式。

2.1.2 變壓器臺數及容量選擇

選擇變壓器臺數時，考慮到變壓器故障轉移或檢修備用要求，應至少選擇2臺變壓器，確保當1臺變壓器發生故障時，備用變壓器可保證一二級負荷持續供電。

選擇變壓器容量時，變壓器容量單獨運行時，全部容量應大于變電站負荷要求。為滿足高鐵系統變壓系統供電增長需求和突發供電峰值需求，應確保容量60%～70%以滿足高鐵系統鐵路調度、信號、通信、信息、防災等負荷供電需求，確保高壓變電容量留有余量[4]。為滿足變電站出線負荷要求和后續變壓站改擴建容量要求，35kV 變電站可選擇2臺S22-6300/35型變壓器。

2.2 電氣二次設計

電氣系統二次設計包括變壓器保護、母線保護、斷路器和隔離開關設計等。

2.2.1 變壓器保護

根據《電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規范》要求，變壓器保護包括瓦斯保護、差動保護、過電流保護、零序電流保護、流速斷保護、過負荷保護、縱聯差動保護、瓦斯保護和溫度保護等。變壓器保護設計時，根據《繼電器保護和安全運動裝置技術規程》要求，可選擇主保護、后備保護、非電量保護等措施，其中，主保護主要用于縱向差動保護、電流速斷保護、過流保護等。后備保護包括零序電流保護、用于高低壓側配置復合電壓閉鎖過流保護、保護動作起跳跳開主變壓器側斷路器。

為保證高鐵無人值守變電站安全、穩定、可靠運行，變壓器保護可選擇RCS-9679型變壓器保護裝置，該裝置可用于變壓器差動速斷保護、比率差動保護和高低壓側復壓過流保護，當變壓器故障時可報警并跳閘切斷故障回路。

變壓器差動保護是變壓器主保護裝置，可通過比較變壓器各側電流差值動作保護。當變壓器正常運行狀態下或外部故障時，當任一相差動電流大于差動速斷整定值時瞬時，差動速斷保護裝置動作出口繼電器跳閘，切斷斷路器。

高鐵無人值守變電站設計中，變壓器保護主程序與上級控制系統通信，間隔采樣，計算系統設定值與實際值，變壓器運行狀態正常時，系統無動作。當變壓器狀態異常時，保護裝置啟動，差動判斷和涌流判斷，區分變壓器故障或勵磁涌流，當比率差動繼電器動作后，未判斷為涌流閉鎖，則進入CT 斷線瞬時判定流程，區分變壓器內部故障或CT 斷線故障[5]。根據故障判斷類型，變壓器保護系統采取差動保護、過流保護、跳閘等動作。

2.2.2 斷路器、隔離開關控制

為滿足高鐵35kV 無人值守變電站控制要求，監視、動作、遠動控制斷路器，斷路器控制回路設計可選擇FCS-222C 型智能操作箱，可支持實時通信，能夠實現斷路器跳合閘操作、遙控輸出、遙信輸入等功能。

隔離開關設計時，遵照“五防”原則（防帶負荷、防帶電接地或合接地閘、防帶地線合閘或未斷開隔離開關時送電斷路、防誤操作斷路器、防誤入帶電間隔），選用NR1504型智能開入隔離開關，每個開關可同時監測19路開入，并將開入信息通過內部總線傳給其他隔離開關。

3 綜合監控系統設計

3.1 自動化監控系統

高鐵35kV 無人值守變電站采用B/S 架構自動化監控系統，以PCS-220系列合并單元和通信管理機、監控主機于一體，可實現無人值守變電站監視、控制、繼電保護、五防、要事與事故報警等功能。變電站內監控系統與通信管理機通信獲取站內設備運行狀態數據，經間隔采樣后傳輸至上位系統（如圖1所示），可通過監控系統監測35kV 變電站內設備運行情況，包括有功、無功、電流、電壓、變壓器油溫等信息。故障報警信息包括一次設備信號變化、邏輯計算點狀態變化、遙測量和模擬計算量越限、系統異常報警等，報警等級包括事故報警、預報報警和一般報警等。

圖1 綜合自動化系統圖

五防系統基于斷路器和隔離開關設計，可實現變電站內防誤操作，確保變電站安全、穩定、可靠運行。無人值守變電站操作、維護、檢修時，任何倒閘操作必須經五防系統模擬預演和邏輯判斷后方可實施，以此防止觸電事故發生。五防強制性閉鎖時，只有經變電站五防系統模擬通過后方可解鎖操作，從而滿足現場維修維護安全操作要求。

3.2 安全監控系統

高鐵無人值守變電站安全監控系統包括圖像監視、視頻巡檢、安全防護、門禁監控、智能照明、動力環境監控、在線測溫等子系統等（如圖2所示）。基于攝像機，可對變電站內關鍵部位、關鍵設備進行長周期、實時監測。攝像機布置位置及數量包括外墻4臺、無功補償室、接地電阻室、調壓器室、廠用變壓器室等各1臺固定式，電纜夾層、控制室各2臺固定式，高壓開關柜室2臺固定式加1臺導軌式機器人，便于高鐵調度中心和變電站上位管理部門實時監測變電站室內、室外環境和關鍵電力設備狀態。

圖2 安全監控系統組網圖

安全防護系統和門禁系統可基于安全防護系統權限管理，對變電站進入人員身份進行鑒權、識別，對具備權限的人員予以放行，反之則不執行動作。動力環境監控系統和在線測溫系統可對變電站室內外環境溫度、電氣設備溫度進行測量和記錄。

智能照明系統可根據變電站照明標準值和光照要求，基于智能照明控制模塊設定時間段、感光、遠程開啟和關斷照明設備，保障變電站室內照度要求。

3.3 火災報警系統

為及時發現和應急處置高鐵無人值守變電站火災，降低變電站火災可能造成的高鐵線路供電中斷故障風險，故設計變電站火災自動報警系統。系統由火災探測器、手動報警裝置、聲光報警器、火災報警器和通信模塊組成。根據相關技術規范布設，探測信號經通信線路傳輸至火災報警控制器，火災報警控制器采用智能化二總線，現場設置中文夜景顯示屏，配備8路繼電器有源輸出、7路多線控制盤和1路聲光報警專用輸出，一旦發揮火災報警或手動操作報警裝置，聯動變電站切斷室內低壓動力、照明等非消防負荷裝置。

3.4 排風自動控制系統

由于變電站內電氣設備工作溫度變幅大，受環境溫度影響大，為滿足高鐵無人值守變電站內電氣設備穩定運行要求，設計采用西門子S7-200型PLC 排風機控制系統，排風機控制系統與本地控制系統連接，可遠傳至上位機實現遠傳啟停操作。排風機控制系統與高鐵無人值守變電站控制主機和消防主機連接，可根據變壓器等設備運行溫度閾值和消防火災報警等設置要求自動啟停，也可根據現場維護維修要求現場手動啟停，或由上位機遠程啟停。

綜上，在高速鐵路工程中設計和應用35kV 無人值守變電站，可實現高速鐵路調度、信號、通信、信息、防災等負荷供電的動力來源，通過自動化控制、遠程監測和故障分析，降低高速鐵路無人值守變電站維護管理工作量和人員配置，提高變電站維護操作安全性，降低高鐵電力系統故障、觸電、誤操作風險，提高高鐵配電系統安全性、可靠性。