牽引變電所戶外全硬母線應用技術研究

李進軍

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢430063）

1 概述

隨著中國鐵路建設的快速發(fā)展以及國家對工程建設用地、環(huán)境影響評估要求的日益提高，牽引變電所作為電氣化鐵路的重要供電設施，其配電裝置型式選擇決定了牽引變電所的設計方案。

在經(jīng)濟發(fā)達、人口密度高、環(huán)境保護要求嚴的地區(qū)，采用戶外全硬母線配電裝置，具有占地省、構架簡潔、擴建方便、視覺美觀的特點，能更好地適應發(fā)達地區(qū)的需求。

2 國內(nèi)外技術發(fā)展水平

國內(nèi)外電氣化鐵路以單相交流牽引供電為主，主要采用帶回流線的直接供電（TRNF）或自耦變壓器供電（AT）。但是各國的牽引供電制式有所不同[1]。牽引變電所高壓配電裝置按設備選型主要分為戶內(nèi)和戶外兩種，戶外通常采用敞開式單體設備，戶內(nèi)采用網(wǎng)柵間隔設備、空氣開關柜、氣體絕緣開關柜等。

目前戶外設備主要采用軟母線連接，國內(nèi)電氣化鐵路少量牽引變電所的27.5 kV 側母線以及歐洲部分國家采用了支持式管型母線布置。

3 關鍵技術研究

3.1 硬母線選擇

常用的硬母線有硬導體和絕緣管型母線，硬導體按型式分矩型和管型等。其中矩型導體主要應用于牽引變電所戶內(nèi)網(wǎng)柵間隔配電裝置中；管型絕緣母線在電力行業(yè)主要在35 kV 及以下等級應用，電氣化鐵路27.5 kV 側有少量使用。

考慮到管型導體利于提高電暈的起始電壓，減小構架高度和尺寸，因此110 kV 及以上電壓等級采用支持式鋁合金管型母線。

27.5 kV 側電流較大，尤其是AT 供電方式，通常需要采用2 根及以上電纜或鋼芯鋁絞線并接。27.5 kV 側采用絕緣管型母線，單根可滿足載流需求，具有廣闊的應用前景[2]。但27.5 kV 絕緣管型母線沒有對應的產(chǎn)品制造標準，需研究其主要技術參數(shù)和工藝要求。

3.1.1 主要技術參數(shù)

對比分析35 kV 擠包絕緣電力電纜及附件、35 kV 固體絕緣管型母線以及27.5 kV 單相交流交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜及附件等標準，結合與其連接的牽引變壓器、開關柜、避雷器等設備絕緣水平，總結形成適合27.5 kV 的產(chǎn)品參數(shù)，如表1 所示。

表1 27.5 kV 絕緣管型母線技術參數(shù)表

3.1.2 結構和制造工藝

參考35 kV 絕緣管型母線的成熟經(jīng)驗，27.5 kV 可采用相同的結構。絕緣管型母線主要有澆注、繞包和擠包式3 種[3]。

在35 kV 固體絕緣管型母線規(guī)范中，推薦采用澆注式或擠包式[4]。其中澆注式采用環(huán)氧樹脂浸漬紙絕緣，鑒于牽引變電所內(nèi)使用的環(huán)氧樹脂絕緣產(chǎn)品運行狀況不良，因此，27.5 kV 絕緣管型母線不推薦采用澆注式。擠包式與電纜結構相似，技術比較成熟。因此，27.5 kV 絕緣管型母線采用擠包式，導體屏蔽、絕緣、絕緣屏蔽三層共擠全封閉化學交聯(lián)[5]。

3.2 絕緣子

牽引變電所內(nèi)使用的絕緣子數(shù)量較多，其質(zhì)量、構造，直接影響到牽引供電系統(tǒng)的運行可靠性和維護便利性。根據(jù)其運行經(jīng)驗和應用特點，選型原則如下：①牽引變電所內(nèi)戶外設備采用復合絕緣材質(zhì)（主要為互感器）因老化開裂導致內(nèi)絕緣受潮引起爆炸的典型事故已有數(shù)起，因此戶外設備套管、穿墻套管等有工作電流和短路電流或高溫絕緣油時，應采用瓷質(zhì)或鋼化玻璃材質(zhì)。②因主要設備的大修周期在15年以上[6]，但復合絕緣子由于制造工藝、運行環(huán)境等因素，很難滿足大修周期要求，因此支柱絕緣子采用瓷質(zhì)或鋼化玻璃。③架空線路懸式絕緣子主要是使導體與支架在電氣上絕緣，且故障影響范圍小，因此采用瓷質(zhì)、鋼化玻璃或復合材質(zhì)均可。

3.3 高壓電氣設備選型

高壓電氣設備主要包括牽引變壓器、斷路器、隔離開關、互感器、避雷器等。高壓電氣設備選型的原則通常根據(jù)工程設計標準、運行環(huán)境條件以及滿足正常運行、檢修、短路、絕緣配合等選擇。本節(jié)主要針對管型母線布置型式進行研究分析。

3.3.1 牽引變壓器

同類型牽引變壓器各制造廠家的產(chǎn)品結構區(qū)別不大，考慮到硬母線若直接安裝在牽引變壓器套管上，需要根據(jù)跨距、環(huán)境條件（風速、冰雪）、材質(zhì)質(zhì)量等對套管接線端子進行校核，因此應要求制造商在器身上設置支持絕緣子，便于安裝和調(diào)整高度，降低運行故障帶來的風險。

3.3.2 斷路器

戶外高壓斷路器主要有110 kV 及以上和27.5 kV 等級。27.5 kV 斷路器通常采用真空滅弧介質(zhì)，110 kV 及以上采用SF6滅弧介質(zhì)。為減少對接線端子的拉力和方便連接，應設置獨立支持絕緣子支柱。

3.3.3 隔離開關

戶外高壓隔離開關為便于與管型母線連接，推薦采用GW7 型垂直開斷式，充分占用上部空間，縮短線間距離。

4 工程應用分析

除樞紐地區(qū)外，牽引變電所規(guī)模均較小，布置型式簡單，管型母線可設計為簡支、單跨。

4.1 計算條件

最大風速35 m/s，過電壓風速15 m/s，最高溫度45 ℃，最低溫度-10 ℃。短路電流25 kA。

跨距L=10 m，計算跨距Ljs=9.5 m，相間距a=2 m。

地震烈度7 度。

管型母線選用φ100/90 鋁錳合金管，最大允許應力8820 N/cm2；27.5 kV 絕緣管型母線選用?60×9，額定載流量2500 A。

4.2 機械校驗

根據(jù)電力工程設計手冊和本文計算條件，對各類工況下的彎矩和應力進行計算如下。

4.2.1 正常時最大彎矩Mmax和應力σmax

Mmax=1111.6 N·m，σmax=3288.8 N/cm2，小于允許應力8820/1.6=5512.5 N/cm2，滿足要求。

可得正常時母線應力-跨距的關系如圖1 所示。

圖1 正常時母線應力-跨距的關系

4.2.2 短路時最大彎矩Md和應力σd

短路狀態(tài)時母線所受的最大彎矩由導體自重、短路電動力及對應于過電壓情況下的風速所產(chǎn)生的最大彎矩組成[7]。Md=703.5 N·m，σd=2080.5 N/cm2，小于允許應力8820/1.4=6300 N/cm2，滿足要求。

短路狀態(tài)時母線應力-跨距的關系如圖2 所示。

圖2 短路時母線應力-跨距的關系

4.2.3 地震時最大彎矩Md和應力σd

地震時母線所受的最大彎矩由導體自重、地震力及地震時的計算風速所產(chǎn)生的最大彎矩組成[7]。Md=850.6 N·m，σd=2517.5 N/cm2，小于允許應力8820 N/cm2，滿足要求。

地震時母線應力-跨距的關系如圖3 所示。

4.2.4 撓度計算

中國110 kV 及以上鋁管母線撓度都按0.5D～1.0D（D為管母外徑）設計，通過多年的運行，未發(fā)現(xiàn)絕緣子斷裂和撓度加大等不良現(xiàn)象[8]。

圖3 地震時母線應力-跨距的關系

母線自重產(chǎn)生的撓度y1=3.60 cm，集中荷載撓度y2=2.23 cm。

合成撓度y=y1+y2=5.83 cm＜D=10 cm，滿足要求。

母線撓度-跨距的關系如圖4 所示。

圖4 母線撓度-跨距的關系

4.2.5 微風振動

管型母線微風共振頻率等于其各階固有自振頻率，微風振動的頻率與風速成正比，與柱體迎風面的高度成反比[7]。vc=0.8 m/s，可得各階自振頻率及風速如表2 所示。

表2 自振頻率及風速

為降低微風振動對牽引供電系統(tǒng)的運行安全影響，可采取在管內(nèi)加裝阻尼線、長托架支持等措施[9]。

4.3 電氣檢驗

4.3.1 電暈電壓

根據(jù)電力工程設計手冊，選取的管型母線外徑大于20 mm 即可不進行計算校核。

4.3.2 短路熱穩(wěn)定校驗

鋁合金管型母線（?100/90）：S=310 mm2≤1491 mm2。27.5 kV 絕緣管型母線（?60×9）：S=172.94 mm2≤2826 mm2。

4.3.3 短路動穩(wěn)定校驗

應力σx-x=3162 N/cm2，絕緣子的最大允許跨距l(xiāng)max=40.45 m。

4.3.4 大電流母線附近熱效應

當母線工作電流大于1500 A 時就要考慮鋼構發(fā)熱。對于牽引變電所主變低壓側，尤其是高速鐵路和重載鐵路，母線工作電流都會大于1500 A。牽引變電所27.5 kV 側母線典型設計支撐構架為1700 mm×2000 mm 矩形框。

經(jīng)計算矩形閉合回路感應環(huán)流Ig=46 A，p=0.57 kW，由環(huán)流引起的溫升τmax=0.67 ℃。

可知，對于常規(guī)牽引變電所，主變低壓側母線對鋼構的損耗和溫升效應不明顯，但在樞紐地區(qū)，母線的工作電流、托架的尺寸均變化較大，此時需要重新計算鋼構損耗和溫升，并采取對應措施。

5 結論

主變高壓側管型母線，通常都是單跨布置，根據(jù)本文的計算條件和結果，跨距大于11 m 時需要加大外徑或采取多跨設計。為消除端部效應，應延長端部1 m 左右，裝設封端球；便于調(diào)整安裝高度和提高端部放電水平，支持絕緣子的額定電壓提高一級。

主變高壓側管型母線電氣性能已不是截面選取的關鍵因素，只需滿足機械計算校驗即可；27.5 kV 絕緣管型母線，基本不受機械特性（彎矩、應力、撓度）控制，需根據(jù)負荷需求選取相適應載流量的截面，計算短路電動力，校核支持絕緣子的允許應力值。

戶外全硬母線布置配電裝置，各類導體對架構的尺寸和高度要求已有很大不同，滿足運營、維護及檢修需求后，盡量減少占地面積和有色金屬消耗。

完善技術標準體系，支撐工程建設，編制27.5 kV 絕緣管型母線的產(chǎn)品制造及工程設計和施工質(zhì)量控制系列標準。