牽引變電所27.5kV側(cè)主接線設(shè)計(jì)及設(shè)備選型

尚有全

【摘? 要】伴隨著社會(huì)發(fā)展需求，電氣化鐵路在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中所占比重越來越大，而樞紐牽引變電所27.5 kV側(cè)主接線不同于干線牽引變電所27.5 kV側(cè)主接線，其設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)所在樞紐的電氣化牽引網(wǎng)近遠(yuǎn)期規(guī)劃，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)和電氣設(shè)備等具體情況，綜合考慮各方面因素。本文對(duì)牽引變電所27.5kV側(cè)主接線設(shè)計(jì)及設(shè)備選型進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】牽引變電所;27.5kV側(cè)主接線;設(shè)計(jì);設(shè)備選型

從日常運(yùn)營(yíng)方面來說，區(qū)間牽引變電設(shè)施運(yùn)輸維護(hù)道路極為有限，而其電纜運(yùn)行維護(hù)空間狹小，周期巡視困難、故障點(diǎn)查找困難、故障處理技術(shù)要求高，檢修難度系數(shù)大，一旦電纜附件出線故障，其停電檢修的時(shí)間將大幅增加，將嚴(yán)重影響鐵路正常安全運(yùn)行。

一、智能牽引變電所

智能牽引變電所通過數(shù)據(jù)信息搜集完成牽引變電所數(shù)據(jù)分享與操作控制，實(shí)現(xiàn)了線上監(jiān)督控制。變電所數(shù)字化一次設(shè)備分為間隔層（保護(hù)設(shè)備、故障錄波器、系統(tǒng)測(cè)控）、站控層（主機(jī)、工作站、遠(yuǎn)動(dòng)通信設(shè)備）、過程層（互感器、斷路器）。智能牽引變電所有著全過程線上控制、故障診斷、數(shù)據(jù)共享優(yōu)勢(shì)。牽引變電所成分布式，屬于本地網(wǎng)絡(luò)化智能牽引變電所。但是，智能牽引變電所怎樣用于供電系統(tǒng)中成為重要研究?jī)?nèi)容。牽引變電所的出現(xiàn)促進(jìn)了變電站保護(hù)與自動(dòng)化技術(shù)水平提升，光電技術(shù)傳感器檢測(cè)電壓與電流、光纖網(wǎng)絡(luò)通訊等智能化技術(shù)進(jìn)一步推動(dòng)了智能化變電站的繼電保護(hù)與自動(dòng)化技術(shù)，這對(duì)供電系統(tǒng)保護(hù)控制有著重要作用?，F(xiàn)階段，智能牽引變電所得到了大范圍推廣應(yīng)用，不過在一些細(xì)則問題上值

得進(jìn)一步優(yōu)化。首先，盡管互感器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在保護(hù)自動(dòng)化設(shè)備的電流與電壓信號(hào)，不過變電站保護(hù)大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)仍然有待提升。相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)智能牽引變電站技術(shù)仍然處于落后水平，部分設(shè)備與系統(tǒng)兼容性有待進(jìn)一步優(yōu)化?？偠灾悄軤恳冸娬颈Ｗo(hù)與自動(dòng)化系統(tǒng)需要引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)提升自動(dòng)化信息技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)穩(wěn)定性，制定信息共享備份保護(hù)單元與信息共享的信號(hào)備份措施。

二、27.5kV開關(guān)設(shè)備比選

1.空氣絕緣開關(guān)設(shè)備。我國(guó)既有鐵路牽引變電所27.5kV側(cè)開關(guān)設(shè)備在低海拔地區(qū)常采用的戶外單體布置、戶內(nèi)雙列網(wǎng)柵布置及空氣開關(guān)柜等布置形式，均以空氣作為絕緣介質(zhì)，全部電氣元件及導(dǎo)體均裸露在空氣中，其外絕緣性能受空氣絕緣強(qiáng)度的限制。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，常規(guī)的空氣絕緣高壓開關(guān)產(chǎn)品適用的海拔環(huán)境為1000m及以下，超過1000m以上海拔高度的電氣產(chǎn)品都需使用高原型產(chǎn)品，需針對(duì)高海拔環(huán)境條件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)整、改進(jìn)和設(shè)計(jì)，使其滿足高原的特殊環(huán)境條件。

2.SF6氣體絕緣開關(guān)設(shè)備。相比以空氣作為絕緣介質(zhì)的開關(guān)設(shè)備，SF6氣體絕緣開關(guān)柜主要的一次設(shè)備如斷路器、隔離開關(guān)、母線、電流互感器等均安裝于以SF6氣體作為絕緣介質(zhì)的密封箱體內(nèi)，不受外界環(huán)境因素的影響，依靠氣體的高絕緣特性和氣箱的良好密封性，可使設(shè)備20年不需要維護(hù)。在任一海拔處，充氣開關(guān)柜的內(nèi)絕緣特性都是相同的，不需要進(jìn)行海拔修正，能夠很好的適應(yīng)高海拔地區(qū)使用環(huán)境，因此在高海拔地區(qū)應(yīng)用越來越廣泛。

3.比選結(jié)論。能夠滿足海拔3500～5000米使用的27.5kV的空氣絕緣開關(guān)柜的價(jià)錢要高于常規(guī)海拔使用的27.5kV的SF6氣體絕緣開關(guān)柜的價(jià)格。而且高海拔地區(qū)，特殊的地理環(huán)境，地廣人稀，很多牽引變電所建在了無人煙的荒野外，無人值班，如果出現(xiàn)故障，很難迅速的組織搶修。所以，電氣性能安全可靠的免維護(hù)的氣體絕緣開關(guān)柜更適合在高海拔地區(qū)使用。

我國(guó)既有電氣化鐵路27.5kV側(cè)常采用的出線方式有電力電纜和架空線兩種，針對(duì)高海拔地區(qū)特殊的使用環(huán)境，對(duì)兩種不同的出線方式進(jìn)行綜合比選如下：

1.電力電纜方式。電力電纜采用絕緣介質(zhì)將金屬導(dǎo)體與外界隔離，敷設(shè)在地面或地下，主要優(yōu)點(diǎn)敷設(shè)較方便，占用土地資源較少，不影響城市市容，因此電纜出線方式在大城市中心地區(qū)的鐵路牽引變電所內(nèi)廣泛使用。但電力電纜一次性投資大，且附件的安裝工藝要求非常嚴(yán)格，對(duì)作業(yè)環(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)所的要求高，一旦現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)對(duì)電纜附件的安裝重視不夠，就會(huì)留下事故隱患。

2.架空出線方式。相比高壓電纜，架空線是裸露的金屬導(dǎo)體，在空中架設(shè)，以絕緣子串固定在桿塔上，以空氣為絕緣，投資成本低、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、故障概率低、故障后便于檢修更換。另外從價(jià)格方面來說，架空線的成本遠(yuǎn)低于電纜的成本。

3.比選結(jié)論。在高海拔地區(qū)，地廣人稀，土地資源不是工程設(shè)計(jì)考慮的主要因素。所以電纜占地資源較少，不影響市容等主要優(yōu)點(diǎn)就形同虛設(shè)。

三、牽引變電所27.5kV側(cè)主接線設(shè)計(jì)案例分析

某牽引變電所是一座大型樞紐牽引變電所，共計(jì)14回饋線。同時(shí)，還要考慮未來發(fā)展的預(yù)留條件。近期，按牽引變電所采用單臺(tái)單相接線的牽引變壓器設(shè)計(jì)，預(yù)留遠(yuǎn)期改為2臺(tái)單相牽引變壓器組成V/X接線條件。此外，考慮到牽引變電所選址、用地困難，新樞紐牽引變電所220 kV和27.5 kV的電氣設(shè)備采用高可靠性、少維修、免維護(hù)的戶內(nèi)安裝氣體絕緣（GIS）組合電器設(shè)備和開關(guān)柜，生產(chǎn)房屋按2層樓房設(shè)計(jì)，并設(shè)有半地下電纜夾層。近期所有27.5 kV側(cè)饋線按同

一相電供電，遠(yuǎn)期卻不能按同一相電供電。因此，27.5 kV側(cè)主接線型式設(shè)計(jì)面臨開關(guān)設(shè)備如何配置與布置、房屋大小及樓板孔洞如何預(yù)留、如何避免或減少二次工程、二次工程施工時(shí)如何完成過渡等問題。根據(jù)樞紐總體規(guī)劃要求，在設(shè)計(jì)中提出幾種方案。

1.方案一：2×27.5 kV母線不分段運(yùn)行。設(shè)置2臺(tái)母線分段隔離開關(guān)可滿足近期由1臺(tái)1#（或2#）牽引變壓器通過開關(guān)向全所14回饋線供電。遠(yuǎn)期當(dāng)單相接線的牽引變壓器改為由2臺(tái)單相牽引變壓器組成V/X接線時(shí)，饋線不能按同一相電供電，將此開關(guān)分閘，以滿足母線分段運(yùn)行條件。該方案接線簡(jiǎn)單，初期建設(shè)投資少，也能滿足近遠(yuǎn)期供電要求。但由于該所饋線多，牽引變壓器容量大，動(dòng)車在緊密運(yùn)行狀態(tài)下，27.5 kV側(cè)母線電流超過2 500 A。經(jīng)調(diào)研，國(guó)內(nèi)外目前沒有能滿足如此大容量的成熟開關(guān)設(shè)備。牽引變電所中的牽引變壓器采用單相接線是國(guó)外高速電氣化鐵路牽引供電技術(shù)的共識(shí)和發(fā)展趨勢(shì)，采用單相牽引變壓器供電，其接觸網(wǎng)的電分相數(shù)量是其他接線型式牽引變壓器的一半;從減少接觸網(wǎng)電分相數(shù)量、有利于高速列車運(yùn)行、牽引變壓器容量利用率高、牽引變電所結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及投資少等角度考慮，高速鐵路的牽引供電系統(tǒng)優(yōu)先采用單相牽引變壓器，在困難條件下，可考慮采用其他接線型式。

2.方案二：2×27.5 kV母線分段運(yùn)行，牽引變壓器27.5 kV側(cè)設(shè)置斷路器27.5 kV側(cè)母線開關(guān)設(shè)備如何配置實(shí)際上是27.5 kV側(cè)主接線型式如何確定，這關(guān)系到能否采用單臺(tái)單相牽引變壓器接線型式和少維修、免維護(hù)的2×27.5 kV氣體絕緣（GIS）開關(guān)設(shè)備，以滿足高速鐵路高可靠性的供電要求。為此，從供電的運(yùn)行方式、設(shè)備保護(hù)設(shè)置的安全可靠性等方面對(duì)單相牽引變壓器27.5 kV側(cè)主接線型式進(jìn)行專題研究，提出2個(gè)解決問題方案，即方案二和方案三。方案二取消母線分段隔離開關(guān)，母線分段運(yùn)行，牽引變壓器27.5 kV側(cè)設(shè)置斷路器。但1#牽引變壓器27.5 kV側(cè)的2臺(tái)斷路器開關(guān)柜（或2#牽引變壓器2臺(tái)斷路器開關(guān)柜）在牽引變壓器故障跳閘時(shí)動(dòng)作不能同期，存在毫秒級(jí)的時(shí)間差，但不會(huì)影響設(shè)備運(yùn)行。

3.方案三：2×27.5 kV母線分段運(yùn)行，牽引變壓器27.5 kV側(cè)不設(shè)置斷路器。方案三同方案二，也取消了母線分段隔離開關(guān)，母線分段運(yùn)行，但牽引變壓器27.5 kV側(cè)不設(shè)斷路器，因此不存在牽引變壓器保護(hù)跳閘動(dòng)作不同期的問題。與方案二相比較，方案三對(duì)饋線后備保護(hù)少了一級(jí)，由牽引變壓器高壓側(cè)220 kV做饋線后備保護(hù)，牽引變壓220 kV側(cè)倒閘次數(shù)增加，對(duì)全所供電有影響，降低了供電的可靠性。

4.方案四：2×27.5 kV母線設(shè)置隔離開關(guān)分段運(yùn)行?？紤]到遠(yuǎn)期饋線不是同相電供電，方案二雖然供電可靠性較高，但兩段母線所帶饋線負(fù)荷差別較大，因此考慮將母線通過4臺(tái)隔離開關(guān)分為3段，即方案四。根據(jù)牽引網(wǎng)近遠(yuǎn)期供電規(guī)劃，將各饋線位置在不影響進(jìn)出線敷設(shè)的前提下進(jìn)行了調(diào)整。近期，分別將母線I段和II段之間的隔離開關(guān)合閘，母線II段和III段之間的隔離開關(guān)分閘，1#牽引變壓器27.5 kV側(cè)1臺(tái)斷路器開關(guān)（或2#牽引變壓器27.5 kV側(cè)1臺(tái)斷路器開關(guān)）向I段和II段母線供電，III段母線由1#牽引變壓器27.5 kV側(cè)另1臺(tái)斷路器開關(guān)（或2#牽引變壓器27.5 kV側(cè)另一臺(tái)斷路器開關(guān)）供電，使其各段母線的負(fù)荷均勻。遠(yuǎn)期，當(dāng)單相接線的牽引變壓器改為由2臺(tái)單相牽引變壓器組成V/X接線時(shí)，分別將母線I段和II段之間的隔離開關(guān)分閘，母線II段和III段之間的隔離開關(guān)合閘，1#牽引變壓器27.5 kV側(cè)斷路器開關(guān)（或2#牽引變壓器27.5 kV側(cè)斷路器開關(guān)）向I段母線供電，II段和III段母線由新增的3#牽引變壓器27.5 kV側(cè)斷路器開關(guān)（或4#牽引變壓器27.5 kV側(cè)斷路器開關(guān)）供電。雖然初期建設(shè)一次性投資較高，但方案四不僅能滿足近遠(yuǎn)期樞紐牽引網(wǎng)供電規(guī)劃，而且解決了開關(guān)設(shè)備容

量不匹配的問題，使單相接線的牽引變壓器能順利得到應(yīng)用。在遠(yuǎn)期改造工程中，室外僅需在預(yù)留的牽引變壓器位置上安裝新增牽引變壓器，分別將既有1#和2#牽引變壓器27.5 kV側(cè)的電纜頭各拆除一組，與新增變壓器連接即可完成，而室內(nèi)27.5 kV側(cè)設(shè)備沒有二次工程。由于牽引變壓器是按一主一備運(yùn)行，因此整個(gè)改造工程沒有過渡工程，對(duì)樞紐內(nèi)各客運(yùn)專線和各站線的正常供電沒有影響，提高了供電的可靠性。

綜上所述，設(shè)計(jì)應(yīng)納入樞紐電氣化總體規(guī)劃;饋線分布應(yīng)合理使所外供電線盡量避免交叉;盡量避免或減少二次工程;主接線不但能在正常情況下保證供電，而且在某些設(shè)備（如饋線開關(guān)或母線等）故障檢修時(shí)，均能保證為樞紐牽引網(wǎng)供電。

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