合肥至蚌埠客運(yùn)專線牽引供變電設(shè)計(jì)

黃建平

合肥至蚌埠客運(yùn)專線牽引供變電設(shè)計(jì)

黃建平

合蚌客運(yùn)專線設(shè)計(jì)時(shí)速350 km，由于其牽涉多個(gè)地區(qū)、樞紐，與多條線路交叉并行，可靠性要求高，牽引饋線多的特點(diǎn)，牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度大。牽引供電方案設(shè)計(jì)在結(jié)合交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，考慮資源共享的要求下，首先研究了地區(qū)、樞紐的供電方案，進(jìn)而確定全線變電所分布方案。牽引變電所則圍繞可靠性、資源共享、創(chuàng)新設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

合蚌客運(yùn)專線；變電所；設(shè)計(jì)

0 引言

新建鐵路合肥至蚌埠客運(yùn)專線（下稱合蚌客專）北引京滬高鐵蚌埠南站，與京滬高鐵相連，南接合肥樞紐合肥站，與合?？蛯＜皽麧h蓉快速通道相接，同時(shí)與在建的阜淮線和淮南線淮南至合肥段及水蚌線電氣化改造工程（三線電化工程）的淮南線和水蚌線線路近距離并行，是京滬高速鐵路與滬漢蓉快速客運(yùn)通道間快速連通線，也是北京至福州客運(yùn)專線的重要組成部分。

合蚌客專正線全長(zhǎng)130.6 km，牽引供電系統(tǒng)采用AT供電方式，全線新建3座牽引變電所，4座分區(qū)所，6座AT所。牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足350 km/h運(yùn)行速度，達(dá)到國(guó)內(nèi)同等技術(shù)水平，對(duì)國(guó)內(nèi)高速鐵路技術(shù)發(fā)展有著重要促進(jìn)作用。

1 工程特點(diǎn)

1.1 牽涉多個(gè)地區(qū)、樞紐，線路錯(cuò)綜復(fù)雜

合蚌客專牽引供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)牽涉到2個(gè)樞紐（蚌埠樞紐、合肥樞紐）、2個(gè)地區(qū)（淮南地區(qū)、水家湖地區(qū)）和8條相鄰線路（京九線、滬寧線、京滬高速線、水蚌線、淮南線、阜淮線、合寧線、合武線），各線路之間或交叉或平行，線路情況復(fù)雜（圖1）。牽引供電系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)既要考慮接入地區(qū)和樞紐的供電條件，又要考慮相鄰線路之間供電相互支持，技術(shù)處理難度大。

圖1 合蚌客專線位情況示意圖

1.2 與多條線路交叉并行

合蚌客專與水蚌線均起于蚌埠樞紐，在劉府附近交叉靠近；與既有阜淮線在淮南地區(qū)交匯；與既有淮南線、水蚌線三線交匯于水家湖地區(qū)，向南與淮南線基本平行延伸到合肥，共3處線路交叉點(diǎn)，約73 km近距離并行。同時(shí)與在建的京滬高鐵、合福客專及規(guī)劃中的商杭客專相互銜接。

1.3 牽引供電系統(tǒng)可靠性要求高

高速度、高密度、高安全是高速鐵路最基本的技術(shù)要求。為保障牽引供電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，需要從供電系統(tǒng)方案、系統(tǒng)運(yùn)行方式、牽引變電所主接線、牽引變電所設(shè)備選型、牽引供電設(shè)備控制技術(shù)、監(jiān)測(cè)技術(shù)等多方面采取措施。

1.4 牽引變電所饋線數(shù)量多，主接線復(fù)雜

根據(jù)供電方案，合蚌客專新建了3座牽引變電所，其中劉府南牽引變電所同時(shí)為合蚌客專、水蚌線供電；水家湖牽引變電所同時(shí)為合蚌客專、淮南線、水蚌線供電，并預(yù)留商杭客專的供電條件；合肥北城牽引變電所同時(shí)為合蚌客專、合福客專、淮南線供電，并預(yù)留商杭客專的供電條件。3座變電所同時(shí)既有AT饋線，又有直供饋線，饋線數(shù)目多，其中水家湖牽引變電所多達(dá)14回饋線。

2 牽引供電方案

根據(jù)該工程的特點(diǎn)，牽引供電方案的設(shè)計(jì)須結(jié)合交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，處理好多線路之間的供電關(guān)系，充分考慮資源共享，以節(jié)省工程投資，提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)綜合效益。

2.1 樞紐、地區(qū)供電方案

通過分析合蚌客專和相鄰線路的線位情況可知，蚌埠樞紐、合肥樞紐、水家湖地區(qū)供電方案成為全線方案的關(guān)鍵控制點(diǎn)。樞紐、地區(qū)的供電方案設(shè)計(jì)應(yīng)著眼于供電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，結(jié)合既有鐵路、新建鐵路和規(guī)劃鐵路相互銜接關(guān)系，優(yōu)先考慮多條線路的牽引變電所供電，然后再?gòu)娜€角度優(yōu)化牽引變電所分布方案。

（1）蚌埠樞紐。京滬高鐵采用AT供電方式，設(shè)蚌埠南站牽引變電所；既有京滬電化采用帶回流線的直接供電方式，設(shè)蚌埠東牽引變電所。合蚌客專劉府南站距離蚌埠南站約19 km，既有水蚌線劉府站距離蚌埠站約17 km，兩站距離較近（約3.5 km），在劉府南站設(shè)牽引變電所，可同時(shí)向該線和既有水蚌線供電；另一方面，由于供電方式的不同，京滬電化設(shè)置的蚌埠東牽引變電所與京滬高速鐵路設(shè)置的蚌埠南牽引變電所并未形成相互支持，在劉府南站設(shè)牽引變電所，可為蚌埠地區(qū)的供電提供支持。因此，在劉府南設(shè)置牽引變電所的方案合適。

（2）合肥樞紐。合寧鐵路經(jīng)肥東站和三十埠站后客貨分線分別引入合肥站和合肥東站，設(shè)肥東AT牽引變電所；合武鐵路經(jīng)長(zhǎng)安集、合肥西、桃花店車站后客貨分線分別引入合肥站和合肥東站，其中桃花店—合肥段采用AT供電方式，由長(zhǎng)安集AT牽引變電所供電。

合肥樞紐地區(qū)供電研究了2個(gè)方案：一是在雙墩集設(shè)牽引變電所，二是在合肥北城設(shè)牽引變電所。雙墩集距離合肥約13 km，合肥北城距離合肥約21 km，2個(gè)方案均能滿足該線的牽引供電需求，且可與合武鐵路設(shè)置的長(zhǎng)安集牽引變電所形成相互支持，為合肥樞紐地區(qū)的供電可靠性提供支持。從全線供電系統(tǒng)優(yōu)化角度考慮，在合肥北城設(shè)牽引變電所方案使全線牽引變電所供電臂更加平衡，供電效果好。

（3）水家湖地區(qū)。水家湖站同時(shí)是水蚌線與淮南線的接軌站，水蚌線分別從水蚌、水淮聯(lián)絡(luò)線引入車站。在水家湖設(shè)置牽引變電所，可以為合蚌客專、淮南線、水蚌線等3條線路同時(shí)供電，淮南線、水蚌線電化時(shí)在蚌埠至水家湖、淮南至合蚌區(qū)段不需再設(shè)置牽引變電所，能大大提高共享供電設(shè)施的利用率，降低工程投資；從合蚌客專整個(gè)供電規(guī)劃看，水家湖距離劉府約42 km，在水家湖設(shè)牽引變電所合適。

2.2 全線變電所分布方案

通過研究京滬高速鐵路及合武線、合寧線3線電化牽引供電系統(tǒng)的關(guān)系，在滿足牽引供電和通信防護(hù)的基礎(chǔ)上，充分考慮了蚌埠樞紐、水家湖地區(qū)、合肥樞紐和路網(wǎng)總體規(guī)劃及遠(yuǎn)期發(fā)展，以及沿線電力系統(tǒng)現(xiàn)狀和規(guī)劃，并兼顧既有水蚌線、淮南線的供電規(guī)劃，全線新建劉府南、水家湖、合肥北城3座牽引變電所；新建蚌埠南、淮南東、朱巷、合肥北4座分區(qū)所；新建西泉、九龍崗、小馬莊、戴集、南穎村、雙鳳6座AT所。

2.3 外部電源方案和牽引網(wǎng)供電方式

采用220 kV電源供電，可提高供電系統(tǒng)的短路容量，減少牽引供電系統(tǒng)對(duì)地方電力系統(tǒng)的影響，提高電網(wǎng)電能質(zhì)量。

目前國(guó)內(nèi)客專和高鐵普遍采用AT供電方式，合蚌客專采用AT供電方式，相比直接供電方式，不僅能顯著提高供電能力，還能在蚌埠樞紐與京滬高鐵，在合肥樞紐與合武鐵路形成相互支持，提高供電可靠性。

牽引變電所采用2臺(tái)單相變壓器組成的V/X接線變壓器，實(shí)現(xiàn)了在1座牽引變電所內(nèi)向2種不同的供電方式（AT供電方式和帶回流線的直接供電方式）同時(shí)供電的模式，合蚌客專新建的牽引變電所同時(shí)向既有水蚌線、淮南線供電，減少了工程投資。

2.4 牽引變電所與接觸網(wǎng)電分相的供電關(guān)系

從京九線的阜陽(yáng)樞紐、京滬高速鐵路的蚌埠樞紐、合武鐵路的合肥樞紐形成的三角形供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)出發(fā)，結(jié)合各樞紐設(shè)置的牽引變電所相序，采用外部電源相序輪換的接入方式，考慮相位順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°的研究方法，使得各牽引變電所饋線之間相位差滿足不大于60°的要求。

2.5 運(yùn)用建模分析線路諧振特性確保運(yùn)行安全

供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的諧振，一直是供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)難以避免的問題。諧振引起的過電壓、過電流將引起保護(hù)裝置誤動(dòng)作，損壞供電設(shè)備，嚴(yán)重時(shí)可能引起整個(gè)牽引供電網(wǎng)絡(luò)的崩潰，影響高速鐵路牽引供電系統(tǒng)和機(jī)車的安全穩(wěn)定運(yùn)行。筆者在設(shè)計(jì)過程中采取與高校合作科研的模式，對(duì)合蚌牽引供電系統(tǒng)和所采用的CRH2、CRH3系列機(jī)車進(jìn)行建模分析，根據(jù)分析結(jié)果確定了合蚌電分相設(shè)置位置和變壓器短路阻抗比，并在施工設(shè)計(jì)中優(yōu)化接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)，極大地優(yōu)化了合蚌供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)方面避免了諧振發(fā)生的可能性，減少將來(lái)對(duì)設(shè)備的損壞。

圖2 劉府南牽引變電所主接線圖

3 牽引變電所設(shè)計(jì)

3.1 牽引變電所可靠性設(shè)計(jì)

（1）牽引變電所主接線。主接線是牽引變電所設(shè)計(jì)的核心，通過優(yōu)化主接線設(shè)計(jì)可以從根本上提高牽引變電所的可靠性。牽引變電所主接線設(shè)計(jì)采用的可靠性措施如下：

電源采用2回220 kV電源并互為熱備用，進(jìn)線采用線路變壓器組接線方式，每回電源進(jìn)線供一組牽引變壓器，每組牽引變壓器分別由2臺(tái)220/2×27.5 kV單相牽引變壓器通過外部連接構(gòu)成三相V/X接線，正常時(shí)1回電源供電，1回電源備用，并設(shè)置備用電源自動(dòng)投入裝置。2×27.5 kV設(shè)T1（F1）、T2（F2）相母線，每相采用單母線接線方式。牽引變電所饋線通過電動(dòng)隔離開關(guān)和斷路器與接觸網(wǎng)相連，并在上下行接觸網(wǎng)之間設(shè)置帶有電動(dòng)隔離開關(guān)的跨條，上下行饋線斷路器互為備用，正常運(yùn)行時(shí)上下行饋線斷路器同時(shí)投入運(yùn)行，上下行分別供電，當(dāng)其中1臺(tái)斷路器故障時(shí)，上下行接觸網(wǎng)跨條上的電動(dòng)隔離開關(guān)合閘，由另1臺(tái)斷路器負(fù)責(zé)上下行全部負(fù)荷。牽引變電所主接線如圖2所示。

（2）主要設(shè)備材料選擇。牽引變壓器采用國(guó)內(nèi)先進(jìn)的三相V/X接線油浸自冷變壓器，實(shí)現(xiàn)了在1座牽引變電所內(nèi)向2種不同的供電方式同時(shí)供電。V/X接線牽引變壓器具有負(fù)荷平穩(wěn)、電能損耗小、有效利用列車再生電能、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、設(shè)備數(shù)量少、運(yùn)營(yíng)維護(hù)方便和工程投資低等優(yōu)點(diǎn)。

27.5 kV開關(guān)設(shè)備采用 GIS開關(guān)柜，GIS開關(guān)柜具有高可靠性，少維護(hù)甚至免維護(hù)，小型化，布置簡(jiǎn)單，集成程度高，節(jié)省電纜、節(jié)省房屋面積和占地面積等諸多優(yōu)點(diǎn)。

變電所的接地材料采用銅材質(zhì)。

（3）自用電系統(tǒng)。牽引變電所設(shè)3臺(tái)所用變壓器，1臺(tái)變壓器的電源取自27.5 kV母線，另2臺(tái)由電力專業(yè)設(shè)置。分區(qū)所、AT所均設(shè)2臺(tái)所用電變壓器，其中1臺(tái)變壓器的電源取自10 kV電力貫通線，另1臺(tái)取自27.5 kV母線。采用2臺(tái)或3臺(tái)所用變壓器，保證了變電所所用電的可靠性。

（4）高壓電纜在線監(jiān)測(cè)。該工程牽引變壓器（或自耦變壓器）至開關(guān)柜以及開關(guān)柜至接觸網(wǎng)之間采用了大量的27.5 kV高壓電纜。電纜具有運(yùn)行維護(hù)工作量小、不占空間等優(yōu)點(diǎn)，但也有故障查找、故障速度恢復(fù)慢，檢修周期長(zhǎng)等不足。采用高壓電纜在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，可以有力保障電纜的安全運(yùn)行，提高變電所的可靠性。

3.2 牽引變電所資源共享設(shè)計(jì)

（1）變電所同時(shí)為多條鐵路供電。合蚌客專變電所除為本線供電外，還需為三線電化（直接供電方式）、合福鐵路供電，同時(shí)預(yù)留商杭客專供電條件，詳見本文第2章牽引供電方案設(shè)計(jì)。通過設(shè)置共用的牽引變電所，可減少牽引變電所3座，節(jié)約電氣化主體工程投資約5 000萬(wàn)元，節(jié)約變電所外部電源投資約1.5億元，節(jié)約土地約1.53公頃，減少變電所總安裝容量約20 MV·A，每年節(jié)約基本電費(fèi)約552萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效應(yīng)顯著。

（2）生產(chǎn)房屋與電力變配電所合建。利用牽引變電所場(chǎng)坪，將牽引變電所生產(chǎn)房屋和電力變配電所合建，取消電力變配電所場(chǎng)坪，節(jié)省了占地面積。合建的變電所共用部分生產(chǎn)房屋（如控制室、通信機(jī)械室）和輔助生產(chǎn)房屋（如值班室、盥洗間、工具室），同時(shí)可共用10 kV電源。通過牽引變電所與電力變配電所合建，共用配電設(shè)施，不僅節(jié)省了房屋面積，還提高了牽引變電所所用電的可靠性。取得了很好的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)效益。合建的牽引變電所生產(chǎn)房屋布置見圖3。

圖3 牽引變電所與電力變配電所合建生產(chǎn)房屋平面圖

3.3 牽引變電所創(chuàng)新設(shè)計(jì)

（1）變電所總平面布置。變電所總平面布置采取了以下優(yōu)化措施：斷路器和變壓器之間減少1個(gè)4 m間隔；牽引變壓器之間設(shè)置防火墻，減少了變壓器之間的防火距離；所內(nèi)設(shè)備運(yùn)輸?shù)缆吩O(shè)置于變壓器和生產(chǎn)房屋之間，充分利用主變和生產(chǎn)房屋之間的空間；通過以上優(yōu)化措施，縮減了變電所的場(chǎng)坪面積，節(jié)省占地。

（2）綜合自動(dòng)化系統(tǒng)采用分散安裝方式。在電力系統(tǒng)及地鐵項(xiàng)目中，綜自系統(tǒng)大多采用分散安裝，但目前國(guó)內(nèi)鐵路系統(tǒng)牽引變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)均采用集中組屏安裝方式，采用分散安裝是合蚌客專的首次嘗試和創(chuàng)新。采用分散安裝方式可以減少控制屏的數(shù)量，從而減少控制室面積，而且能夠極大減少二次電纜的數(shù)量和安裝工程，從而縮短綜自系統(tǒng)的安裝調(diào)試時(shí)間。

4 結(jié)語(yǔ)

合蚌客專供變電設(shè)計(jì)吸收了近幾年國(guó)內(nèi)高鐵建設(shè)積累的豐富經(jīng)驗(yàn)，也考慮了自身的工程特點(diǎn)。根據(jù)線位特點(diǎn)，提出了新建3座牽引變電所，同時(shí)為合蚌客專和三線電化工程等多條鐵路供電的方案，實(shí)現(xiàn)了資源共享，節(jié)約投資。外部電源相序輪換的接入方式，為三角形供電地區(qū)的電分相設(shè)置方案以及相序設(shè)計(jì)提供了參考。設(shè)計(jì)過程中采用了計(jì)算機(jī)建模分析方法對(duì)諧振機(jī)理進(jìn)行了研究分析，尋找諧振出現(xiàn)的規(guī)律，并采取有效措施抑制諧振的產(chǎn)生，保證高速電氣化鐵路的安全、可靠運(yùn)行。變電所設(shè)計(jì)中采取多項(xiàng)可靠性措施，通過生產(chǎn)房屋與電力變配電所合建可減少房屋建筑面積，在變電所總平面布置和綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的安裝方式的設(shè)計(jì)中采用了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

[1] 新建鐵路合肥至蚌埠客運(yùn)專線初步設(shè)計(jì) 第十二篇 電氣化．上海：中鐵上海設(shè)計(jì)院，2008.

[2] TB10009-2005 鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] TB10621-2009 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范（試行）[S].

[4] 李群湛，連級(jí)三，高仕斌．高速鐵路電氣化工程[M]．成都：西南交通大學(xué)出版社，2006.

[5] 電氣化鐵道設(shè)計(jì)手冊(cè)：牽引供電系統(tǒng).北京：中國(guó)鐵道出版社，1988.

Hefei-Bengbu passenger dedicated line is designed according to speed of 350 km/h. Due to its involving many districts and railway terminals, closely crossed and parallel with several railways, high reliability requirements, and multiple traction feeders, the design of traction power supply system is very difficult. Traction power supply is designed in combining the traffic network planning and considering the resource sharing requirements. Power supply scheme of districts and railway terminals is studied in the first instance, and then the entire substation distribution is determined. Traction substation is designed centering on reliability, resource sharing, innovation and so on.

Hefei-Bengbu passenger dedicated line; traction substation; design

U223.5

B

1007-936X(2014)04-0030-05

2013-10-14

黃建平.中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電氣化處，工程師，電話：15021637935。