高鐵牽引變電系統(tǒng)一次設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)與研究

楊大麗

摘 要：隨著我國高速鐵路開通線路的逐漸增多，對于高鐵牽引變電系統(tǒng)一次設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)也越來越豐富。根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備運(yùn)行狀況，總結(jié)其優(yōu)缺點(diǎn)，并對一次設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，既能提高高速鐵路的供電可靠性又能降低事故的概率，為今后高速鐵路牽引變電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及改造提供參考。該文在分析了高速鐵路牽引變電系統(tǒng)的特點(diǎn)及要求的基礎(chǔ)上，針對高速鐵路牽引變電系統(tǒng)的主要一次設(shè)備如牽引變壓器、互感器、開關(guān)設(shè)備、傳輸線路的運(yùn)行狀況，給出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：一次設(shè)備 優(yōu)化 變壓器 GIS開關(guān)柜

中圖分類號：TM92 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（a）-0009-02

隨著社會的快速發(fā)展，未來要建設(shè)的高速鐵路項(xiàng)目越來越多。高速鐵路因?yàn)樗俣瓤?、?fù)荷大、可靠性要求高，所以對牽引變電系統(tǒng)提出了更高的要求。在普速鐵路和現(xiàn)已開通的高速鐵路的牽引變電系統(tǒng)一次設(shè)備的運(yùn)行狀況調(diào)查分析基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)踐中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，對高速鐵路一次設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，成為高鐵設(shè)計(jì)者必然面對的難題。優(yōu)化設(shè)計(jì)后既可以提高性價比又降低了故障的概率，為今后高鐵牽引變電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及改造提供參考。

1 高速鐵路牽引變電系統(tǒng)的特點(diǎn)和對一次設(shè)備的基本要求

1.1 高速鐵路牽引變電系統(tǒng)的特點(diǎn)

（1）速度快，空氣阻力大。高速鐵路的試驗(yàn)速度已經(jīng)超500km/h，最高運(yùn)行時速300km。

（2）客運(yùn)量大，供電距離長，且具有明顯的時段特征。高速列車負(fù)載率高，受電時間長。要求電力機(jī)車牽引功率大，牽引供電系統(tǒng)應(yīng)具有對各種集中負(fù)荷供電的能力。

（3）可靠性要求高。要求供電系統(tǒng)供電質(zhì)量和接觸網(wǎng)受流質(zhì)量高。高鐵牽引負(fù)荷是國家電力系統(tǒng)的I級負(fù)荷，它應(yīng)有獨(dú)立的雙回路電源供電，且采用互不影響的兩回220kV及以上（普鐵一般為110kV）電源供電。

1.2 高速鐵路對一次設(shè)備的基本要求

一次設(shè)備是高鐵牽引變電系統(tǒng)的主體，設(shè)備故障會造成嚴(yán)重后果，在對一次設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)和選擇時，應(yīng)滿足運(yùn)行可靠、工作靈活的要求，同時還必須考慮經(jīng)濟(jì)條件。

（1）應(yīng)能可靠地在規(guī)定的工作電壓及電流下工作，應(yīng)有足夠的絕緣強(qiáng)度和載流能力。

（2）用于切斷載流電路的開關(guān)設(shè)備，應(yīng)具有足夠的熄滅電弧的能力。

（3）對電路運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視、測量的電器元件（如電壓、電流互感器）應(yīng)能滿足測量精度的要求；還應(yīng)在高電壓或大電流的作用下不至于飽和。

2 高鐵牽引變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 高鐵牽引變壓器接線方式的優(yōu)化

2.1.1 普鐵牽引變壓器的接線方式現(xiàn)狀分析

目前普鐵牽引變壓器的主要接線型式有YN，d11三相接線，優(yōu)點(diǎn)為變壓器結(jié)構(gòu)相對簡單，因中性點(diǎn)接地，因此變壓器造價較低，供電安全可靠性好；主要缺點(diǎn)是變壓器的容量不能充分利用，輸出容量只能達(dá)到其額定容量的75.6%。

單相接線變壓器主要優(yōu)點(diǎn)是容量利用率為100%，且變電所的主接線簡單、設(shè)備少、占地面積小、投資少，缺點(diǎn)是在三相系統(tǒng)形成較大的負(fù)序電流。

V，V接線變壓器的優(yōu)點(diǎn)是容量利用率為100%，而且可以供給所內(nèi)及地區(qū)三相負(fù)荷，對牽引網(wǎng)還可實(shí)行雙邊供電，對系統(tǒng)的負(fù)序影響減小；缺點(diǎn)是當(dāng)一臺牽引變壓器故障時，另一臺進(jìn)行跨相供電，即兼供左右兩臂的牽引網(wǎng)負(fù)荷，需要一個倒閘過程，在此倒閘過程完成前，故障變壓器原來供電的牽引負(fù)荷將中斷供電。

斯科特（Scott）接線方式變壓器優(yōu)點(diǎn)為當(dāng)M座和T座兩供電臂電流相等，且功率因數(shù)相同時，原邊三相電流對稱，變壓器容量能全部利用；缺點(diǎn)是斯科特接線變壓器制造難度大，繞組需按全絕緣設(shè)計(jì)，變壓器造價較高。

2.1.2 高鐵牽引變壓器接線方式的優(yōu)化

為提高高鐵牽引變電系統(tǒng)的可靠性同時提高變壓器容量的利用率，改善牽引變電所對電力系統(tǒng)的負(fù)序影響，高鐵牽引變壓器接線方式在普鐵牽引變壓器接線方式基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。目前高鐵上采用的牽引變壓器接線形式主要有以下三種類型： V/V型接線、V/X接線、純單相接線。V/V型接線在直供方式大量采用，V/X接線和純單相接線在AT供電方式采用。因高鐵目前的發(fā)展趨勢是采用AT供電方式，純單相接線又存在負(fù)序電流較大的問題，所以推薦的優(yōu)化方案是：接線方式采用V/X接線。其接線特點(diǎn)為原邊繞組作V形連接，接三相電力系統(tǒng)的AB和BC相；副邊繞組各引出中間接地點(diǎn)，為X的中心點(diǎn)，接鋼軌，T繞組連接接觸網(wǎng)，F(xiàn)繞組連接正饋線。兩臺純單相變壓器組成的V/X接線如圖1所示。在高鐵牽引變電所設(shè)置四臺單相牽引變壓器（普鐵只設(shè)置兩臺變壓器），為固定備用方式，兩臺運(yùn)行，兩臺固定備用。圖2為采用V/X接線牽引變壓器的外觀示意圖。

2.2 高鐵牽引變壓器的選型

根據(jù)現(xiàn)有高鐵牽引變電所運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，推薦采用220kV/2×27.5kV的油浸自冷式變壓器。主變壓器油箱采用鐘罩式結(jié)構(gòu)，充以25號變壓器油，每相油箱上有2只壓力釋放閥、1只水銀溫度計(jì)、2套油面溫度控制器，采用油浸自冷式結(jié)構(gòu)，預(yù)留風(fēng)冷風(fēng)機(jī)接口，儲油柜采用波紋式儲油柜，波紋管連接。高壓采用帶電動操作機(jī)構(gòu)的無勵磁調(diào)壓分接開關(guān)。每相油箱上裝鐵心接地套管，接地線經(jīng)支撐絕緣子引至油箱下部的接地標(biāo)志處，以便于變壓器鐵心可靠接地及測量對地電流。投入運(yùn)行時，壓力釋放閥處于開啟狀態(tài)。

3 互感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 電流互感器的優(yōu)化

高鐵牽引變電所220kV側(cè)推薦采用油浸式電流互感器。器身由一次繞組和二次繞組組成，一次繞組為“U”形，一次導(dǎo)線為兩瓣半圓鋁管。主絕緣為電容式油紙絕緣，用高壓電纜紙包繞在一次繞組上，其間設(shè)若干個電容屏，內(nèi)屏接高電位，外屏接地。一次繞組分為兩段，共四個出頭，均由儲油柜引出，通過改變儲油柜外部連接片的接線方式來改變電流比。二次繞組組合在一起后固定在一次繞組下部的支架上。所用的變壓器油經(jīng)充分脫氣脫水處理后在真空的狀態(tài)下注入。這種互感器為全密封結(jié)構(gòu)，頂部裝有不銹鋼制成的疊形波紋式膨脹器，使之內(nèi)部與空氣隔離，防止其內(nèi)部的變壓器油受潮，運(yùn)行中應(yīng)保密封完好。膨脹器由排氣嘴、閥芯、注油嘴、油位指針、疊形波紋管等組成。油位指針與膨脹器內(nèi)油位同步升降，從外殼視察窗上可清晰觀察到油位的變化情況。

3.2 電壓互感器的優(yōu)化

高鐵牽引變電所220kV側(cè)推薦采用電容式電壓互感器。該互感器為組合式單柱結(jié)構(gòu)，由電容分壓器及電磁單元部分組成。電容分壓器由幾臺耦合電容器串聯(lián)疊裝組成；電磁場單元裝置由中間變壓器、補(bǔ)償電抗器、速飽和阻尼器組成，共同裝在一個油箱內(nèi)。

4 高壓開關(guān)設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 220kV側(cè)斷路器的優(yōu)化

220kV側(cè)推薦采用SF6斷路器。由于SF6氣體化學(xué)性能穩(wěn)定、不易電離，滅弧和絕緣能力強(qiáng)，使SF6斷路器具有開斷力強(qiáng)且允許連續(xù)開斷多次、檢修周期長、維護(hù)方便、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，高鐵中大都用于一次側(cè)。這種斷路器的優(yōu)點(diǎn)是SF6氣體兼用作滅弧和絕緣介質(zhì)。SF6氣體在吹弧過程中不排向大氣，而是循環(huán)使用。

4.2 27.5kV側(cè)開關(guān)設(shè)備優(yōu)化

27.5kV側(cè)開關(guān)設(shè)備推薦采用GIS開關(guān)柜代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分散元件。GIS開關(guān)柜具有免維護(hù)、可靠性高、小型化、布置簡單、美觀，集成程度高、安裝施工簡單方便、節(jié)省房屋面積和占地面積等優(yōu)點(diǎn)，牽引變電所27.5kV配電設(shè)備通常采用集斷路器、隔離開關(guān)、互感器、避雷器、連接母線為一體的GIS開關(guān)柜。

隔離開關(guān)的優(yōu)化：需要改變運(yùn)行方式的開關(guān)采用電動隔離開關(guān)，需要當(dāng)?shù)貦z修操作采用的隔離開關(guān)采用手動隔離開關(guān)。

5 其他輔助一次設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)

5.1 輸電線路的優(yōu)化

牽引變電所2×27.5kV和1×27.5kVSF6氣體絕緣開關(guān)柜的引進(jìn)、引出線和至接觸網(wǎng)開關(guān)的上網(wǎng)供電線推薦采用電纜線，其它供電線采用架空線。電纜線主要采用銅芯、交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜。國內(nèi)牽引變電所標(biāo)稱電壓為27.5kV，且根據(jù)系統(tǒng)不同及電網(wǎng)的波動情況，最高電壓可達(dá)到31.5kV。所以根據(jù)國內(nèi)的牽引供電系統(tǒng)的特點(diǎn)，確定電纜電壓為27.5kV。

5.2 不設(shè)無功補(bǔ)償，預(yù)留濾波裝置的場地

高鐵電動車組負(fù)荷特性表現(xiàn)為功率因數(shù)高，無需在各高鐵牽引變電所內(nèi)設(shè)置無功補(bǔ)償裝置。動車組諧波的含有率總體水平比交直傳動大大降低，頻譜比交直傳動機(jī)車寬，可能會產(chǎn)生諧振，為系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全起見，推薦按預(yù)留濾波場地設(shè)計(jì)。

6 結(jié)語

隨著我國高速鐵路開通線路的逐漸增多，對于高鐵牽引變電系統(tǒng)一次設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)也越來越豐富，根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對高速鐵路的牽引變電系統(tǒng)一次設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高設(shè)備可靠性降低故障率是完全可行的。相信不久的將來，我國高速鐵路技術(shù)將會不斷提高，走出國門，促進(jìn)國內(nèi)和世界經(jīng)濟(jì)的提速和發(fā)展。

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