自耦變壓器所(AT所)主接線方案的探討

嚴(yán) 希，鄧云川

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司電氣化設(shè)計(jì)研究院，成都 610031)

自耦變壓器所(AT所)主接線方案的探討

嚴(yán) 希，鄧云川

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司電氣化設(shè)計(jì)研究院，成都 610031)

針對目前國內(nèi)幾種常用的AT所主接線，通過比較各自不同的主接線方案，結(jié)合保護(hù)方案及其具體的運(yùn)行方式，分析了它們的利弊，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)階段運(yùn)行中出現(xiàn)的新情況、新問題，提出了改進(jìn)措施，形成了全新的分段式扭結(jié)AT所主接線方案，從根本上解決了現(xiàn)階段運(yùn)營中暴露的問題。

高速鐵路;電氣化鐵路;AT供電方式;AT所;主接線方案

1 概述

目前，我國高速、重載電氣化鐵路邁入了迅速發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，快速、高密度、大能力、安全、舒適成為鐵路發(fā)展的必然趨勢。AT供電方式具有功率輸送能力強(qiáng)，供電距離遠(yuǎn)，適應(yīng)大功率負(fù)荷供電的需要，技術(shù)先進(jìn)，能有效降低鋼軌電位和對沿線通訊線路的干擾，同時(shí)能改善旅客乘坐舒適度等特點(diǎn)，因而在我國高速、重載電氣化鐵路中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

電氣主接線作為整個(gè)電氣設(shè)計(jì)的總體方案，是電氣設(shè)計(jì)的核心和基礎(chǔ)，對于AT供電方式而言，AT所主接線方案設(shè)計(jì)即具有上述重要意義。目前我國已投入運(yùn)行的AT供電方式線路中，AT所主接線方式多種多樣，其設(shè)計(jì)理念也各有千秋。筆者對目前國內(nèi)幾種常用的不同AT所主接線方式進(jìn)行分析、比較，同時(shí)，結(jié)合運(yùn)行中出現(xiàn)的新情況和新問題，提出了改進(jìn)措施，形成了全新的分段式扭結(jié)AT所主接線方案。

2 常用AT所主接線方案

在目前已投入運(yùn)行的AT供電方式線路中，AT所主接線方案主要分為以下2類:大秦線及京津城際設(shè)計(jì)方案;在上述技術(shù)基礎(chǔ)上改進(jìn)并已投入應(yīng)用的福廈線及廈深線設(shè)計(jì)方案。

就上述2種不同的AT所主接線方案，基于各自的設(shè)計(jì)理念及各自特點(diǎn)，進(jìn)行詳細(xì)的分析、比較。

2.1 大秦線及京津城際設(shè)計(jì)方案

2.1.1 大秦線設(shè)計(jì)方案

(1)主接線方案(圖1)

圖1 大秦線設(shè)計(jì)方案主接線

上述方案中，AT所內(nèi)采用1臺斷路器構(gòu)成的∏形接線，在上、下行接觸網(wǎng)之間設(shè)置并聯(lián)斷路器，根據(jù)運(yùn)行需要，可實(shí)現(xiàn)上下行并聯(lián)供電或分開供電。在AT自耦變壓器外側(cè)設(shè)置快速接地開關(guān)，同時(shí)將AT變壓器設(shè)置于并聯(lián)母線外側(cè)，通過隔離開關(guān)與牽引網(wǎng)連接。

(2)方案特點(diǎn)

①優(yōu)點(diǎn)

當(dāng)網(wǎng)上線路發(fā)生故障時(shí)，上、下行進(jìn)線上并接的電壓互感器(1TV、2TV)發(fā)出失壓信號，并動作于斷開并聯(lián)斷路器(QF)。由于AT變壓器設(shè)置于并聯(lián)母線外側(cè)，當(dāng)并聯(lián)斷路器斷開時(shí)，AT自耦變壓器將繼續(xù)作用于牽引網(wǎng)，上下行線路仍維持AT供電方式，保證供電系統(tǒng)的供電能力。

②缺陷與不足

在故障情況下，特別是當(dāng)AT變壓器發(fā)生本體故障時(shí)，通過閉合快速接地開關(guān)，在所內(nèi)形成直接接地故障，由相應(yīng)遠(yuǎn)端牽引變電所的饋線斷路器動作跳閘，然后通過操作AT變壓器與牽引網(wǎng)連接的隔離開關(guān)，切除故障AT自耦變。這種保護(hù)方式故障切除時(shí)間較長，繼電保護(hù)系統(tǒng)速動性較差，會對電氣設(shè)備造成較大沖擊，降低設(shè)備使用壽命，同時(shí)，由于作用于遠(yuǎn)端牽引變電所饋線斷路器跳閘，將導(dǎo)致整個(gè)供電臂失電，間接擴(kuò)大了事故范圍。

③進(jìn)一步說明

該主接線在引進(jìn)時(shí)，由于AT供電方式供電臂較長，為縮短事故范圍，通常采用具有分段開閉所功能的主接線方式。為了簡化接線，同時(shí)，由于AT供電方式供電臂長度較早期有所縮短，因而在后期設(shè)計(jì)中，基本取消了分段式開閉所功能，形成了上述主接線方案。

2.1.2 京津城際高速鐵路設(shè)計(jì)方案

(1)主接線方案(圖2)

上述方案中，AT所內(nèi)在上下行進(jìn)線各設(shè)置1臺斷路器，可實(shí)現(xiàn)上下行并聯(lián)供電。同時(shí)將AT變壓器設(shè)置于上、下行牽引網(wǎng)并聯(lián)母線內(nèi)側(cè)，通過斷路器與并聯(lián)母線連接。

(2)方案特點(diǎn)

①優(yōu)點(diǎn)

AT變壓器通過斷路器與并聯(lián)母線連接，在故障情況下，特別是當(dāng)AT變壓器發(fā)生本體故障時(shí)，通過斷路器能就地、迅速地切除故障變壓器，確保設(shè)備安全，改善繼電保護(hù)系統(tǒng)的速動性和選擇性。

②缺陷與不足

圖2 京津城際設(shè)計(jì)方案主接線

從圖2中可以看出，主接線方案非常繁瑣，涉及的設(shè)備種類及數(shù)量較多，相對投資較高，間接影響了供電的可靠性。當(dāng)牽引網(wǎng)上發(fā)生故障時(shí)，并聯(lián)斷路器動作，解開上下行并聯(lián)，由于AT變壓器設(shè)置于上、下行牽引網(wǎng)母線內(nèi)側(cè)，此時(shí)，牽引網(wǎng)將處于直接供電方式，同時(shí)，牽引變電所上下行饋線斷路器將動作跳閘，并通過自動重合閘判斷故障位置(上行或下行)，恢復(fù)非故障方向供電(下行或上行)，AT所內(nèi)并聯(lián)斷路器將通過檢有壓功能恢復(fù)AT供電方式。從上述分析可知，在牽引網(wǎng)故障時(shí)，供電系統(tǒng)將在一定時(shí)間內(nèi)處于直接供電方式，影響供電能力，并可能導(dǎo)致對通信干擾較大，鋼軌電位抬升等不良影響。

③進(jìn)一步說明

該主接線由于并聯(lián)母線沒有設(shè)置分段隔離開關(guān)，無法實(shí)現(xiàn)分開供電，為解決該問題，需在并聯(lián)母線上增設(shè)分段隔離開關(guān)。通常牽引網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，牽引變電所上下行饋線斷路器均動作跳閘，但如饋線主保護(hù)動作I段保護(hù)范圍為變電所至AT所距離的85%，且故障發(fā)生在該范圍內(nèi)時(shí)，僅故障方向饋線斷路器動作跳閘，但前述的缺陷與不足仍然存在。

2.2 上述主接線的改進(jìn)方案

2.2.1 主接線方案

結(jié)合上述缺陷和不足，在福廈線和廈深線設(shè)計(jì)中，對AT所主接線方案進(jìn)行了改進(jìn)，該主接線方案如圖3所示。

上述設(shè)計(jì)方案中，AT所內(nèi)采用1臺斷路器構(gòu)成的∏形接線，在上、下行接觸網(wǎng)之間設(shè)置并聯(lián)斷路器，根據(jù)運(yùn)行需要，可實(shí)現(xiàn)上下行并聯(lián)供電或分開供電。同時(shí)將AT變壓器設(shè)置于上、下行牽引網(wǎng)并聯(lián)母線外側(cè)，通過斷路器與上下行牽引網(wǎng)直接連接。

2.2.2 方案特點(diǎn)

(1)優(yōu)點(diǎn)

圖3 改進(jìn)方案主接線

①方案簡化、節(jié)約投資。上述方案中，有效地簡化了主接線方式，減少設(shè)備數(shù)量，提高供電可靠性。同時(shí)有效減少了AT所投資，此接線方式較京津城際方案減少了1臺斷路器，節(jié)約投資約57萬元/所。

②確保繼電保護(hù)速動性和選擇性。同大秦線設(shè)計(jì)方案相比，AT變壓器通過斷路器與并聯(lián)母線連接，在故障情況下，特別是當(dāng)AT變壓器發(fā)生本體故障時(shí)，通過斷路器能就地、迅速地切除故障變壓器，確保設(shè)備安全，改善繼電保護(hù)系統(tǒng)的速動性和選擇性。

③牽引網(wǎng)故障后維持AT供電方式。同京津城際設(shè)計(jì)方案相比，當(dāng)牽引網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，上、下行進(jìn)線上并接的電壓互感器(1TV、2TV)發(fā)出失壓信號，并動作于斷開并聯(lián)斷路器(QF)。由于AT變壓器設(shè)置于并聯(lián)母線外側(cè)，當(dāng)并聯(lián)斷路器斷開時(shí)，AT自耦變壓器將繼續(xù)作用于牽引網(wǎng)，上、下行線路仍維持AT供電方式，保證供電系統(tǒng)的供電能力。

(2)缺陷與不足

雖然本接線方案對大秦線及京津城際設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了改進(jìn)，但對牽引網(wǎng)故障情況下，牽引變電所上下行斷路器動作跳閘，故障停電范圍大，牽引網(wǎng)阻抗呈現(xiàn)非線性，故障位置標(biāo)定困難等問題并沒有有效改善。

3 新型分段式扭結(jié)AT所主接線方案

3.1 主接線方案

隨著我國AT供電方式電氣化鐵路開通線路的增加，運(yùn)營中也暴露出了一些新問題和新情況。主要有:(1)牽引網(wǎng)故障時(shí)，牽引變電所上、下行斷路器動作跳閘，故障停電范圍大。雖然采取了在AT所處牽引網(wǎng)上設(shè)置絕緣錨段關(guān)節(jié)的方案，但由于變電系統(tǒng)不具備故障分段控制和判斷功能，因此，無法從根本上有效解決該問題;(2)牽引網(wǎng)阻抗呈現(xiàn)非線性，故障標(biāo)定存在一定困難，雖然采用了吸上電流比等方法，但實(shí)際應(yīng)用中，受軌地電流泄漏等的影響，準(zhǔn)確度還難以保證。為了從根本上解決上述問題，提出了新的AT所主接線方式—分段式扭結(jié)AT所，具體如圖4所示。

圖4 分段式扭結(jié)AT所主接線

該AT所由4臺雙極斷路器和4組(每組2臺)電流互感器分別接入AT供電方式復(fù)線電氣化鐵路上下行供電臂，與牽引變電所饋線雙極斷路器和末端分區(qū)所雙極斷路器一起，將供電臂分為4個(gè)供電分區(qū)，每個(gè)分段雙極斷路器接入點(diǎn)設(shè)置由電壓互感器、高壓熔斷器和隔離開關(guān)依次連接后構(gòu)成的供電分區(qū)檢壓支路，供電分區(qū)檢壓支路外側(cè)在輸電線路和地之間接有氧化鋅避雷器，AT所通過上網(wǎng)隔離開關(guān)和牽引網(wǎng)連接，AT變壓器通過雙極斷路器接入上、下行牽引網(wǎng)并聯(lián)母線，上、下行牽引網(wǎng)并聯(lián)母線間設(shè)置母線分段隔離開關(guān)，所內(nèi)設(shè)置27.5 kV及10 kV所用變壓器(27.5 kV所用變壓器可采用所變兼壓互方案)。

在上、下行牽引網(wǎng)各增設(shè)1組錨段關(guān)節(jié)，采用電動隔離開關(guān)操作方式，通過復(fù)線上、下行供電臂扭結(jié)，與牽引網(wǎng)上絕緣錨段關(guān)節(jié)、相鄰牽引變電所或分區(qū)所等相配合，對供電臂進(jìn)行分段，有效控制故障范圍，平衡供電臂上、下行的牽引負(fù)荷，保證繼電保護(hù)的選擇性和速動性，避免網(wǎng)上故障時(shí)AT變壓器退出運(yùn)行，并保證故障情況下供電能力，同時(shí)，該設(shè)備與停電檢修方案配合，可實(shí)現(xiàn)“V”停檢修情況下供電分段;通過供電分區(qū)兩側(cè)斷路器，利用相鄰各所間信息聯(lián)系的故障標(biāo)定通信通道，采用目前線路繼電保護(hù)應(yīng)用中最為有效的縱聯(lián)保護(hù)，徹底改善目前牽引網(wǎng)保護(hù)的選擇性和速動性，控制事故范圍，同時(shí)，徹底解決故障準(zhǔn)確標(biāo)定問題。

3.2 方案特點(diǎn)

(1)有效控制事故范圍

牽引網(wǎng)上發(fā)生故障時(shí)，通過相鄰的牽引變電所饋線斷路器和AT所分段斷路器或AT所分段斷路器和分區(qū)所斷路器動作，能夠最大限度有效地切除故障，控制事故范圍。

(2)確保繼電保護(hù)速動性和選擇性

同大秦線設(shè)計(jì)方案，AT變壓器通過斷路器與并聯(lián)母線連接，在故障情況下，特別是當(dāng)AT變壓器發(fā)生本體故障時(shí)，通過斷路器能就地、迅速地切除故障變壓器，確保設(shè)備安全，改善繼電保護(hù)系統(tǒng)的速動性和選擇性。

(3)牽引網(wǎng)故障后維持AT供電方式

當(dāng)牽引網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，由于按供電分區(qū)切除故障，AT變壓器始終不會退出運(yùn)行，因此，故障后始終能維持AT供電方式。

(4)引入新型保護(hù)方案

利用現(xiàn)有AT故障標(biāo)定光纖通道，通過雙端供電網(wǎng)絡(luò)兩端設(shè)置的電流互感器和電壓互感器，采用目前線路保護(hù)中最為有效的縱聯(lián)保護(hù)，可準(zhǔn)確判斷故障位置，徹底解決牽引網(wǎng)故障的準(zhǔn)確動作和故障標(biāo)定問題。

4 結(jié)語

對于AT供電方式電氣化鐵路，電氣主接線作為整個(gè)電氣設(shè)計(jì)的總體方案，是電氣化鐵路設(shè)計(jì)的核心和基礎(chǔ)，對于這一技術(shù)問題，采取吸收、消化引進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上的再創(chuàng)新，對電氣化鐵路的發(fā)展具有重要的意義。

結(jié)合運(yùn)營中出現(xiàn)的新情況和新問題，采用新型分段扭結(jié)AT所主接線，無論一次系統(tǒng)設(shè)計(jì)還是二次保護(hù)配置，對電氣化鐵路而言，均具有積極而重要的創(chuàng)新意義。

［1］ 水利電力部西北電力設(shè)計(jì)院.電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊電氣一次部分［M］.北京:水利電力出版社，1989.

［2］ 能源部西北電力設(shè)計(jì)院.電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊電氣二次部分［M］.北京:水利電力出版社，1991.

［3］ 中華人民共和國鐵道部.TB 10009—2005 鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［4］ 陳小川.鐵路供電繼電保護(hù)與自動化［M］.北京:中國鐵道出版社，2010.

［5］ 譚秀炳.鐵路電力與牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2007.

［6］ 霍羅威茨，帕德凱.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)［M］.李斌，譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［7］ 張曙光.京津城際高速鐵路系統(tǒng)調(diào)試技術(shù)［M］.北京:中國鐵道出版社，2008.

［8］ 柴峰，張金勝.大秦線4億t牽引供電改造方案淺析［J］.電氣化鐵道，2009(4).

［9］ 中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.合寧鐵路電氣化施工設(shè)計(jì)配套文件［R］.成都:中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，2007.

［10］中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.福廈鐵路電氣化施工設(shè)計(jì)配套文件［R］.成都:中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，2009.

Discussion on Main Wiring Scheme about Autotransformer Station(AT Station)

YAN Xi，DENG Yun-chuan
(Electrification Design and Research Institute，China Railway Eryuan Engineering Group Co.，Ltd.，Chengdu 610031，China)

Aiming at several main wiring plans of AT post which is used in domestic electrified railway commonly，through comparing the difference of them，this dissertation analyzes their advantages and disadvantages in combination with the protection scheme and the running mode.In light of the new situations and problems which occurs in electrified railway recently，the improving measure is advanced in this dissertation and a new main wiring scheme of AT post is formed which can fundamentally solve the problems exposed in the operation at this stage.

high speed railway;electrified railway;autotransformer feeding system;AT station;main wiring scheme

U223.5+12

A

1004-2954(2012)09-0109-04

2012-01-04

嚴(yán) 希(1981—)，女，工程師，2003年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，工學(xué)學(xué)士。