電氣化鐵路牽引變電所的主接線與變壓器設計

唐明艷

摘 要：牽引變電所是電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的心臟，它的主要任務是將電力系統(tǒng)輸送來的三相高壓電變化成適合電力機車使用的電能。而電氣主接線反映牽引變電所設施的主要電氣設備以及這些設備的規(guī)格、型號、技術參數(shù)以及在電氣上是如何連接的，高壓側有幾回進線、幾臺牽引變壓器，有幾回接觸網(wǎng)饋電線。通過電氣主接線可以了解牽引變電所等設施的規(guī)模大小、設備情況。

關鍵詞：牽引變電所；鐵路；牽引變壓器

1 牽引變電所主結線的選擇

牽引變電氣主接線是變電所設計的首要部分，也是構成電力系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。主接線的確定與電力系統(tǒng)整體及變電所本身運行的可靠性，靈活性和經(jīng)濟性是密切相關的，而且對電氣設備的選擇，配電裝置布置，繼電保護和控制方式的擬定有較大影響。因此必須合理的確定主接線。

電氣主結線應滿足的基本要求

①首先保證電力牽引負荷，運輸用動力，信號負荷安全，可靠供電的需要和電能質量。

②具有必要的運行靈活性，使檢修維護安全方便。

③應有較好的經(jīng)濟性，力求減小投資和運行費用。

④應力求接線簡捷明了，并有發(fā)展和擴建的余地。

1.1 高壓側電氣主結線的基本形式

1.1.1 單母線接線

如圖1-1所示，單母線接線的的特點是整個的配電裝置只有一組母線，每個電源線和引出線都經(jīng)過開關電器接到同一組母線上。同一回路中串接的隔離開關和斷路器，在運行操作時，必須嚴格遵守以下操作順序：對饋線送電時必須先和1QS和2QS在投入1QF；如欲停止對其供電必須先斷開1QF然后斷開1QS和2QS。

單母線結線的特點是：（1）結線簡單、設備少、配電裝置費用低、經(jīng)濟性好并能滿足一定的可靠性。（2）每回路斷路器切斷負荷電流和故障電流。檢修任一回路及其斷路器時，僅該回路停電，其他回路不受影響。（3） 檢修母線和與母線相連的隔離開關時，將造成全部停電。母線發(fā)生故障時，將是全部電源斷開，待修復后才能恢復供電。

這種結線方式的缺點是母線故障時、檢修設備和母線時要造成停電；適用范圍：適用于對可靠性要求不高的10～35kV地區(qū)負荷。

1.1.2 單母線分段結線

圖1-2為用斷路器分段的單母線分段結線圖。分段斷路器MD正常時閉合，是兩段母線并列運行，電源回路和同一負荷的饋電回路應交錯連接在不同的分段母線上。

這種結線方式的特點是：

（1）分段母線檢修時將造成該段母線上回路停電。

（2）進線上斷路器檢修時造成該進線停電。

適用范圍：廣泛應用于10～35kV地區(qū)負荷、城市電牽引各種變電所和110kV電源進線回路較少的110kV結線系統(tǒng)。

（3）采用橋形結線

當只有兩條電源回路和兩臺主變壓器時，常在電源線間用橫向母線將它們連接起來，即構成橋型結線。橋型結線按中間橫向橋接母線的位置不同，分為內橋形和外橋形兩種，如圖1-3所示。前者的連接母線靠近變壓器側，而后者則連接在靠近線路側。

內橋形結線的線斷路器分別連接在兩回電源線路上，因而線路退出工作或投入運行都比較方便。橋形母線上的斷路器QF在正常狀態(tài)下合閘運行，1QS和2QS是斷開的。當線路1SL發(fā)上故障時，1QS和2QS合閘，故障線路的斷路器1QF跳閘，其他三個元件（另一線路和兩臺主變壓器）仍可繼續(xù)工作。內橋結線當任一線路故障或檢修時不影響變壓器的并列工作。由于線路故障遠比變壓器故障多，故這種界限在牽引變電所獲得了較廣泛的應用。當內橋結線的兩回電源線路接入系統(tǒng)的環(huán)形電網(wǎng)中，并有系統(tǒng)功率穿越橋接母線時，橋斷路器（QF）的檢修或故障將造成環(huán)網(wǎng)斷開。為避免這一缺陷，可在線路短路器外側安裝一組跨條，如圖中的虛線所示，正常工作時隔離開關將跨條斷開，安裝兩組隔離開關的目的是便于它們輪流停電檢修。

圖中外橋形結線的特點與內橋剛好相反，當變壓器發(fā)生故障或運行中需要斷開時，只要斷開它們前面的斷路器1QF或2QF，而不影響線路的正常工作。但線路故障或檢修時，將是與該線路連接的變壓器短時中斷運行，須經(jīng)轉換操作后才能恢復工作。因而外僑形結線適用于電源線路較短、負荷不穩(wěn)定、變壓器需要經(jīng)常切換（例如兩臺主變中一臺要經(jīng)常斷開或投入）的場合，也可用在有穿越功率通過的與喚醒電網(wǎng)連接的變電所中。

橋型結線能滿足牽引變電所的可靠性，具有一定的運行靈活性，使用電器少，建造費用低，在結構上便于發(fā)展成單母線或具有旁路母線得到那母線結線。即在初期按橋形結線，將來有可能增加電源線路數(shù)時再擴展為其他結線形式。

1.2 牽引負荷側電氣結線特點

牽引負荷是牽引變電所基本的重要負荷，上述電氣主結線基本形式多數(shù)對牽引負荷側電氣結線也是適用的。但考慮牽引負荷及牽引供電系統(tǒng)的下列特點，有針對性的在電氣結線上采取有效措施，以保證供電系統(tǒng)的可靠性和運行靈活性。

1.2.1 由于接觸網(wǎng)沒有備用，而接觸網(wǎng)故障幾率比一般架空輸電線路更為頻繁，因此牽引負荷側電氣結線對接觸網(wǎng)饋線斷路器的類型與備用方式較一般電力負荷要求更高。

1.2.2 牽引側電氣結線于牽引變壓器的類型（單相或三相）和接線方式以及主變壓器的備用方式有關，在采用移動式變壓器做備用的情況下，與移動變壓器接入電路的方式有關。

1.2.3 與饋線數(shù)目、電氣化鐵路年運量、單線或復線，以及變電所附近鐵路其他設施如大型樞紐站、電力機車段和地區(qū)負荷等的供電要求有關。

對于牽引側母線本身，由于線路簡單，引至饋線配電間隔為單相母線，實踐證明很少發(fā)生故障，必須檢修母線和母線上隔離開關時，可由臨近變電所越區(qū)供電以代替被檢修的母線或母線分段。

為合理解決饋線斷路器的備用方式，牽引負荷側電氣結線有下列幾種形式：①每路饋線設有備用斷路器的單母線結線，如圖所示，考慮手車式氣體斷路器（或真空式）產(chǎn)品接觸插頭的互換性較差，不設移動備用，工作斷路器檢修時，即由備用斷路器代替，這種方式在饋線數(shù)量較少時采用，操作轉換較方便，但投資較大。②每兩路饋線設一公共備用斷路器BQF，通過隔離開關的轉換，可使BQF代替任一饋線短路器，并達到按單母線分段運行的作用，如圖所示，這種結線的缺點是隔離開關的轉換太頻繁。③單母線分段帶旁路母線的結線，考慮到饋線斷路器檢修時備用的需要，或者在某些情況下由于電力系統(tǒng)的緣故不允許兩回電源線供電的變壓器在牽引負荷側并聯(lián)運行，母線分段隔離開關經(jīng)常處于斷開位置，故需在每個分段母線上各設一臺旁路斷路器1BQF、2BQF，分別作為每段母線上連接的饋線斷路器的備用。這種結線適用于饋線數(shù)目較多的復線，或靠近大型樞紐站向幾個方向電氣化鐵路供電的單線牽引變電所。

牽引變壓器的備用方式有移動備用和固定備用兩種。前者是整個供電段管轄的幾個牽引變電所設置一臺或數(shù)臺可以動的公共備用變壓器，供運行中的牽引變壓器檢修或故障時使用；后者是在每個牽引變電所安裝固定的備用變壓器，或者牽引變壓器臺數(shù)不變、而增大變壓器容量，使在正常情況下一臺工作，一臺備用（稱為固定全備用）。根據(jù)技術經(jīng)濟的全面比較，在一般牽引變電所設有或不設專用鐵路岔線作為變壓器搬運、檢修的情況下，對于三相牽引變壓器采用固定全備用的方式都是有利和可取的。特殊情況下需作具體比較。對于單相或V形接線的牽引變電所，一般增加一臺固定備用變壓器，在牽引負荷側電氣結線只需增加一路電源進線及斷路器與配電間隔，比較簡單。而采用移動備用變壓器的情況下，對單相或V-V形接線的單相變電所牽引側電氣結線的構成，將產(chǎn)生較大影響。

2 牽引變電所變壓器的選擇

2.1 選擇原則

2.1.1 為保證供電的可靠性，在變電所中，一般裝設兩臺主變壓器。

2.1.2 為滿足運行的靈敏性和可靠性，如有重要負荷的變電所，應選擇兩臺三繞組變壓器，選用三繞組變壓器占地面積小，運行及維護工作量少，價格低于四臺雙繞組變壓器，因此三繞組變壓器的選擇大大優(yōu)于四臺雙繞組變壓器。

2.1.3 裝有兩臺主變壓器的變電所，其中一臺事故后其余主變壓器的容量應保證該所全部負荷的70%以上，并保證用戶的一級和二級全部負荷的供電。

2.2 牽引變壓器的接線方式和臺數(shù)的確定

考慮到該變電所為三相牽引變電所，與系統(tǒng)聯(lián)系緊密，且在一次主結線中已考慮采用內橋結線方式，故選用采用三繞組變壓器，高壓側為Y形接線，中、低壓側為△連接。由于牽引負荷屬于一級負荷，并考慮備用，所以選用兩臺主變壓器，一臺自用電變壓器。通過本章的學習加深了對牽引變壓器的基本知識的理解，對設計和以后的實際工程設計及研究工作奠定了理論基礎。

2.3 牽引變壓器安裝容量的確定和選擇

當牽引變壓器的計算容量和校核容量確定以后，選擇兩者中較大者，并按采用的備用方式，牽引變壓器的系列產(chǎn)品（額定容量優(yōu)先系數(shù)為R10系列），以及有否地區(qū)動力負荷等諸因素，即可確定牽引變壓器的安裝容量。

例如：單線電氣化鐵路近期年運量為1700萬噸/年，牽引定數(shù)G為2100噸/列，γ凈取0.705，波動系數(shù)K1取1.2，儲備系數(shù)K2取1.2，非平行列車運行圖區(qū)間通過能力N非=42對/日。

2.4 變壓器備用方式的選擇

牽引變壓器在檢修或發(fā)生故障時，都需要有備用變壓器投入，以確保電氣化鐵路的正常運輸。在大運量的雙線區(qū)段，牽引變壓器一旦出現(xiàn)故障，應盡快投入備用變壓器，顯得比單線區(qū)段要求更高。備用變壓器投入的快供，將影響到恢復正常供電的時間，并且與采用的備用方式有關。備用方式的選擇，必須從實際的電氣化鐵路線路、運量、牽引變電所的規(guī)模、選址、供電方式及外部條件（如有無公路）等因素，綜合考慮比較后確定。我國的電氣化鐵路牽引變壓器備用方式有以下兩種。

2.4.1 移動備用

采用移動變壓器作為備用的方式，稱為移動備用。采用移動備用方式的電氣化區(qū)段，每個牽引變電所裝設兩臺牽引變壓器，正常時兩臺并聯(lián)運行。所內設有鐵路專用岔線。備用變壓器安放在移動變壓器車上，停放于適中位置的牽引變電所內或供電段段部，以便于需要作為備用變壓器投入時，縮短運輸時間。在供電段所轄的牽引變電所不超過5-8個的情況下，設一臺移動變壓器，其額定容量應與所轄變電所中的最大牽引變壓器額定容量相同。

當牽引變壓器需要檢修時，可將移動變壓器按計劃調入牽引變電所。但在牽引變壓器發(fā)生故障時，移動變壓器的調運和投入約需數(shù)小時。此間，靠一臺牽引變壓器供電往往不能保證鐵路正常運輸。這種影響，在單線區(qū)段或運量小的雙線區(qū)段可很快恢復正常；但在大運量的雙線區(qū)段須予以重視?？砂礌恳儔浩饕慌_故障停電后由另一臺單獨運行，允許超載30%，并持續(xù)4小時，而能符合計算容量（滿足正常運輸）的要求進行檢算。

采用移動備用方式，除上述影響外，還需要修建鐵路專用岔線。這將導致牽引變電所選址困難、場地面積和土方量增加，相應加大投資。不僅如此，移動變壓器車輛進廠檢修時，修要把備用變壓器從車上拆卸吊下來；車輛修好出廠后，又要把備用變壓器吊上車安裝好。這項工作十分麻煩和困難，非常費時費力費錢。采用移動備用方式的優(yōu)點是牽引變壓器容量較省。因此，移動備用方式可用于沿線無公路區(qū)段和單線區(qū)段。

2.4.2 固定備用

采用加大牽引變壓器容量或增加臺數(shù)作為備用的方式，稱為固定備用。采用固定備用方式的電氣化區(qū)段，每個牽引變電所裝設兩臺牽引變壓器，一臺運行，一臺備用。每臺牽引變壓器容量應能承擔全所最大負荷，滿足鐵路正常運輸?shù)囊蟆?/p>

采用固定備用方式的優(yōu)點是：其投入快速方便，可確保鐵路正常運輸，又可不修建鐵路專用岔線，牽引變電所選址方便、靈活，場地面積較小，土方量較少，電氣主接線較簡單。其缺點是：增加了牽引變壓器的安裝容量，變電所內設備檢修業(yè)務要靠公路運輸。因此，固定備用方式適用于沿線有公路條件的大運量區(qū)段。

在當前進行電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的設計中，牽引變壓器的備用方式不再考慮移動備用方式。

3 結束語

電氣主結線是牽引變電所的主體部分，本設計高壓側采用內橋形結線，牽引負荷側采用單母線結線的方式。并確定牽引變壓器的結線形式：采用三繞組變壓器，高壓側為Y形接線，中、低壓側為△連接。由于牽引負荷屬于一級負荷，并考慮備用，所以選用兩臺主變壓器，一臺自用電變壓器

參考文獻

[1]賀威俊，高仕斌等.電力牽引供變電技術[M].西南交通大學出版社，2007.

[2]譚秀炳.交流電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)（第三版）.西南交通大學出版社，2006.

[3]馬永翔，王世榮.電力系統(tǒng)繼電保護.北京大學出版社，2006.

[4]劉介才.工廠供電（第四版）.機械工業(yè)出版社，2009.

[5]劉介才等.工廠供電簡明設計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1993.

[6]劉介才等.工廠供電設計指導[N].北京：機械工業(yè)出版社，1998.

[7]牟道槐等.發(fā)電廠變電站電氣部分[M].重慶大學出版社，1996-4.

[8]丁毓山等.中小型變電所實用設計手冊[M].中國水利電力出版，2000.6.

[9]蒲如蘭.發(fā)電廠（變電所）電氣設備部分指導參考資料[N]，1996-6.

[10]發(fā)電廠及變電站二次部分[M].水利電力出版社，2004-08.

[11]火力發(fā)電廠、變電所二次接線設計技術規(guī)定[M].水利電力出版社，1998.

[12]Schneider.DC-Substations with Four Winding Rectifier Double-tire Transformers Instead of the Combination of Three Winding Rectifier Transformers with Interphase Transform，SIEMENS Technical Report，F(xiàn)rankfort， April，1995.