某高原鐵路牽引變電所接入電網(wǎng)技術(shù)研究

何志強(qiáng),鄭 勇,楊 帆,晏小彬,范 宇

(中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計院有限公司,成都 610021)

1 概述

新建某高原鐵路雅安至林芝段從雅安站引出，向西經(jīng)雅安、甘孜、昌都和林芝四市州，止于林芝站，新建正線長度1 011 km。

該段鐵路牽引變電所單站終期95%概率負(fù)荷約3.5萬～9.5萬kW，擬采用220 kV電壓等級接入電網(wǎng)。該區(qū)間地方電網(wǎng)十分薄弱，尤其是所經(jīng)四川省康定市至西藏自治區(qū)波密縣之間近800 km規(guī)劃建設(shè)了20座牽引變電所，但目前其間僅有2座500 kV變電站可供接入，其他大部分路段僅有110 kV及以下配電網(wǎng)絡(luò)覆蓋，220 kV及以上主電網(wǎng)基本為空白[1]。

一方面由于橋隧比高、戰(zhàn)略地位特殊，牽引變電所供電可靠性要求較高；另一方面由于地形條件復(fù)雜，沿線新建變電站選址和輸電線路通道選擇難度又極大[2-4]。因此，該鐵路牽引變電所供電方案需統(tǒng)籌兼顧經(jīng)濟(jì)性、供電可靠性和變電站布點受限等因素，研究改進(jìn)現(xiàn)有接入電網(wǎng)技術(shù)路線的可行性。

2 現(xiàn)有牽引變電所接入電網(wǎng)技術(shù)

2.1 電氣主接線及運(yùn)行方式

現(xiàn)有技術(shù)中鐵路牽引變電所高壓側(cè)電氣主接線結(jié)合外部電源條件確定，一般有分支接線、線路變壓器組、外橋、內(nèi)橋、單母線分段等多種接線方式。

無論采用哪種電氣主接線形式，一般正常運(yùn)行方式下鐵路牽引變電所每回進(jìn)線均各帶1臺變壓器獨立運(yùn)行，其中一臺變壓器處于工作狀態(tài)通過饋線向鐵路牽引網(wǎng)供電，另外一臺變壓器處于熱備用狀態(tài)。當(dāng)處于工作狀態(tài)的變壓器或其進(jìn)線出現(xiàn)故障，可通過設(shè)置的保護(hù)裝置使變壓器低壓側(cè)的斷路器分閘，將故障變壓器及進(jìn)線退出運(yùn)行，通過備自投裝置(或人工操作)將備用變壓器低壓側(cè)的斷路器合閘并投入工作狀態(tài)[5-9]。

2.2 接入電網(wǎng)方案

根據(jù)有關(guān)導(dǎo)則，現(xiàn)有技術(shù)對鐵路牽引變電所接入電網(wǎng)方案有如下要求[10]。

(1)鐵路牽引變電所應(yīng)由2路電源供電，當(dāng)任一路電源故障時，另一路電源應(yīng)正常供電。

(2)鐵路牽引變電所2路電源宜取自不同電源點的2座變電站，如取自同一變電站，則應(yīng)取自不同母線段且接入的變電站應(yīng)至少有2路電源進(jìn)線，并應(yīng)同時考慮在接入的變電站擴(kuò)建或檢修情況下對牽引變電所供電的影響及應(yīng)采取的措施。

按照上述原則，鐵路牽引變電所接入電網(wǎng)的方式主要有2種：一種是2路電源均來自同一變電站不同母線，另一種是2路電源來自不同變電站。

2.3 技術(shù)局限性

采用現(xiàn)有鐵路牽引變電所接入電網(wǎng)技術(shù)存在如下局限性。

(1)對所接入變電站電氣主接線的要求

當(dāng)鐵路牽引變電所接入同一座變電站時，為滿足上述導(dǎo)則條件要求，檢修或者擴(kuò)建時牽引變電所接入母線必須不能同時停運(yùn)。對于牽引變電所接入母線采用GIS(氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備)的，為避免母線設(shè)備擴(kuò)建或檢修時全停電，電氣主接線形式為單母線的一般應(yīng)采用單母線分段接線方式，為雙母線的一般應(yīng)采用雙母線雙分段接線方式。

我國鐵路牽引變電所接入電網(wǎng)電壓等級大多采用110 kV或220 kV。目前，我國電網(wǎng)中變電站110 kV或220 kV母線電氣主接線一般采用單母線或雙母線接線方式。根據(jù)一般設(shè)計原則，變電站110～220 kV母線出線回路數(shù)為3～4回時，其電氣主接線采用單母線分段接線方式，而只有出線回路數(shù)為15回及以上時，其電氣主接線才會采用雙母線雙分段接線方式[11]。因此，如果一座牽引變電所2路電源來自同一已建變電站，且牽引變電所接入母線采用GIS的，為滿足上述導(dǎo)則條件，則要求接入母線為單母線分段接線或雙母線雙分段接線方式，這可能需要對已建變電站母線主接線進(jìn)行改造。對于已建變電站，通常母線改造會影響正常供電且存在較大難度。

(2)接入電網(wǎng)方案的局限性

一般正常運(yùn)行狀態(tài)下牽引變電所各自獨立承擔(dān)其供電分區(qū)負(fù)荷，當(dāng)某牽引變電所全所停電時，可由相鄰牽引變電所向停電牽引變電所的供電分區(qū)臨時越區(qū)供電。而一旦2座相鄰牽引變電所同時停電，則將有一段供電分區(qū)無法轉(zhuǎn)供而完全失電，屆時該區(qū)段牽引機(jī)車將無法運(yùn)行。因此，為避免某一供電分區(qū)完全失電，應(yīng)盡量避免2座相鄰牽引變電所同時停電。

若相鄰2座鐵路牽引變電所2路電源均來自同一變電站，在該變電站發(fā)生全停故障時，這2座相鄰鐵路牽引變電所將會同時停電，從而導(dǎo)致一段供電分區(qū)完全失電。若意外停電后停車發(fā)生在惡劣氣象條件下或隧道中，將可能引發(fā)旅客不適或不滿而造成較大社會影響。因此，對于橋隧比較高路段，一般2座相鄰鐵路牽引變電所兩路電源不宜同時全部取自同一變電站。這就要求在某些變電站布點較少但牽引變電所布點相對較多的區(qū)域，需新建較多線路或新增變電站布點，才能滿足牽引變電所更高供電可靠性的要求。

以某地區(qū)2座變電站合理供電范圍內(nèi)有3座牽引變電所為例(圖1)，為避免某一變電站發(fā)生全停故障時2座相鄰鐵路牽引變電所同時全部停電，典型接入電網(wǎng)方案是將牽引變電所A以兩回線路接入變電站1，牽引變電所B以兩回線路接入變電站2，牽引變電所C則分別以一回線路接入變電站1和變電站2。

圖1 2座變電站和3座牽引變電所典型方案示意

再以某地區(qū)2座變電站合理供電范圍內(nèi)有4座牽引變電所為例(圖2)，為避免某一變電站發(fā)生全停故障時2座相鄰鐵路牽引變電所同時全部停電，典型接入電網(wǎng)方案是將牽引變電所A以兩回線路接入變電站1，牽引變電所D以兩回線路接入變電站2，牽引變電所B和C則分別以一回線路接入變電站1和變電站2，見圖2(a)；另外也可新建變電站3，牽引變電所B分別以一回線路接入變電站1和變電站3，牽引變電所C則分別以一回線路接入變電站2和變電站3，牽引變電所A和D接入電網(wǎng)方案保持不變，見圖2(b)。

圖2 2座變電站和4座牽引變電所典型方案示意

無論采用上述哪種方案，對于地形條件復(fù)雜、變電站站址和線路通道資源緊張的地區(qū)，牽引變電所采用接入電網(wǎng)新增大量線路或新增變電站布點的方案，一方面會存在選站選線難度較大的問題，另一方面其方案經(jīng)濟(jì)性方面也存在需提高的空間[12-17]。

3 新型牽引變電所接入電網(wǎng)技術(shù)研究

基于采用現(xiàn)有鐵路牽引變電所接入電網(wǎng)技術(shù)存在的局限性，提出一種鐵路牽引變電所與變電站兩兩串聯(lián)接入電網(wǎng)技術(shù)[18]，其研究內(nèi)容如下。

3.1 牽引變電所接入電網(wǎng)方案

2座變電站和2座牽引變電所采用串聯(lián)方式連接，其中，牽引變電所A至變電站1采用兩回線路連接，至牽引變電所B采用一回線路連接；牽引變電所B至變電站2采用一回線路連接，見圖3。

圖3 牽引變電所接入電網(wǎng)方案示意

采用兩回線路連接的變電站和牽引變電所方案選擇，可根據(jù)主電網(wǎng)、相關(guān)變電站和連接線路路徑通道情況和線路長度等因素，經(jīng)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后擇優(yōu)確定。

3.2 牽引變電所電氣主接線

圖4中牽引變電所A電氣主接線采用雙母線接線，其中，至牽引變電所B的進(jìn)線布置在至變電站1的進(jìn)線中間；牽引變電所B電氣主接線采用單母線分段接線，見圖4。牽引變電所A和B電氣主接線形式的選擇，是為滿足正常情況下實現(xiàn)與現(xiàn)有技術(shù)鐵路牽引變電所接入電網(wǎng)方案相同的運(yùn)行方式和故障情況下，2座牽引變電所電源進(jìn)線切換的靈活性和可靠性。

圖4 牽引變電所電氣主接線示意

3.3 牽引變電所運(yùn)行方式

正常運(yùn)行方式下(圖5)，變電站1至牽引變電所A一回線路帶牽引變電所A一臺變壓器(圖中1號變壓器)獨立運(yùn)行，并通過饋線向鐵路牽引網(wǎng)供電；變電站2至牽引變電所B一回線路帶牽引變電所B的一臺變壓器(圖5中2號變壓器)獨立運(yùn)行，并通過饋線向鐵路牽引網(wǎng)供電。變電站1至牽引變電所A另一回線路帶牽引變電所A另一臺變壓器處于熱備用狀態(tài)，再通過牽引變電所A至牽引變電所B線路帶牽引變電所B另一臺變壓器處于熱備用狀態(tài)。正常運(yùn)行方式下2座牽引變電所工作狀態(tài)與現(xiàn)有技術(shù)鐵路牽引變電所接入電網(wǎng)方案相同，均為“一主一備”(一組進(jìn)線及主變主要供電，另一組進(jìn)線及主變熱備用)工作方式。

圖5 正常運(yùn)行方式示意

當(dāng)牽引變電所A或B中各自工作變壓器或其進(jìn)線出現(xiàn)故障，其故障處理及恢復(fù)供電方式與現(xiàn)有技術(shù)鐵路牽引變電所接入電網(wǎng)方案仍基本相同，均為通過低壓側(cè)備自投裝置(或人工操作)實現(xiàn)電源切換。

當(dāng)發(fā)生某個變電站全停故障時，則可通過調(diào)整牽引變電所進(jìn)線側(cè)母線運(yùn)行方式實現(xiàn)供電，具體如下。

變電站1全停電時(圖6)，變電站2至牽引變電所B線路帶牽引變電所B的2號變壓器處于工作狀態(tài)，帶牽引變電所B的1號變壓器處于熱備用狀態(tài)；牽引變電所B至牽引變電所A線路帶牽引變電所A的2號變壓器處于工作狀態(tài)，帶牽引變電所A的1號變壓器處于熱備用狀態(tài)。

圖6 變電站1全停電時運(yùn)行方式示意

變電站2全停電時(圖7)，變電站1至牽引變電所A一回線路帶牽引變電所A的1號變壓器處于工作狀態(tài)，變電站1至牽引變電所A另一回線路帶牽引變電所A的2號變壓器處于熱備用狀態(tài)；變電站1至牽引變電所A備用出線通過牽引變電所A至牽引變電所B的線路，再帶牽引變電所B的1號變壓器處于工作狀態(tài)，帶牽引變電所B的2號變壓器處于熱備用狀態(tài)。

圖7 變電站2全停電時運(yùn)行方式示意

3.4 技術(shù)特點

(1)新技術(shù)仍然符合現(xiàn)有電氣化鐵路牽引變電所接入電網(wǎng)導(dǎo)則要求，其電氣主接線采用傳統(tǒng)電氣主接線方案，正常運(yùn)行方式與現(xiàn)有技術(shù)相同，僅鐵路牽引變電所電源進(jìn)線方案和故障情況下的操作邏輯有所變化，未明顯增加建設(shè)和運(yùn)行難度。

(2)新技術(shù)可減少新建輸電線路長度或變電站布點需求，相應(yīng)減少新建工程量可降低工程總體造價。對于地形條件復(fù)雜、變電站站址和線路通道資源緊張的地區(qū)，減少選站選線工作量也能顯著降低工程建設(shè)難度。

(3)新技術(shù)中2座牽引變電所由2座變電站共三回線路供電，即便其中一座變電站全停也能保證2座牽引變電所仍能同時帶電運(yùn)行，大大降低了其同時全部停電的可能性，供電可靠性高于現(xiàn)有技術(shù)中鐵路牽引變電所接入電網(wǎng)方案。

(4)由于即便一座變電站全停也能保證2座牽引變電所仍能同時帶電運(yùn)行，新技術(shù)中對所接入的變電站電氣主接線形式無特殊要求，避免對已建變電站母線主接線形式實施改造困難。

4 新技術(shù)應(yīng)用場景

4.1 應(yīng)用技術(shù)場景

提出的牽引變電所接入電網(wǎng)技術(shù)適用于2座變電站合理供電范圍內(nèi)有2座或2座以上牽引變電所需接入電網(wǎng)的場景，具體如下。

(1)2座變電站合理供電范圍內(nèi)有2座牽引變電所時，其方案如圖4所示。

(2)2座變電站合理供電范圍內(nèi)有3座牽引變電所時，其方案如圖8所示。圖8中方式的選擇可根據(jù)主電網(wǎng)、相關(guān)變電站和連接線路路徑通道情況和線路長度等因素，經(jīng)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后擇優(yōu)確定。

圖8 2座變電站和3座牽引變電所方案示意

(3)2座變電站合理供電范圍內(nèi)有4座牽引變電所時，其方案如圖9所示。本場景下選擇不相鄰的2座牽引變電所分別與2座變電站形成變電站1-牽引變電所A-牽引變電所C-變電站2和變電站1-牽引變電所B-牽引變電所D-變電站兩組接入電網(wǎng)方案組合，其出發(fā)點是考慮在除發(fā)生2座變電站同時全部停電外，其他故障造成其中一組組合全部停電的極端情況下，另一組組合仍可正常供電，避免2座相鄰牽引變電所同時停電時，導(dǎo)致一段供電分區(qū)無法轉(zhuǎn)供而完全失電的情景發(fā)生，進(jìn)一步提高供電可靠性。

圖9 2座變電站和4座牽引變電所方案示意

2座變電站合理供電范圍內(nèi)有5座或以上牽引變電所的場景較為罕見，也可參照上述場景酌情使用研究提出的接入電網(wǎng)方案，不再一一列舉。

4.2 應(yīng)用工程場景

對于電氣化鐵路沿線地方電網(wǎng)薄弱、除牽引變電所供電需求外無主電網(wǎng)延伸覆蓋需求的地區(qū)，新技術(shù)可明顯減少新建輸電線路長度或變電站布點，有顯著的推廣價值。以新建某高原鐵路為例，所經(jīng)四川省康定縣至西藏自治區(qū)波密縣之間近800 km路段，目前僅有2座500 kV變電站可供牽引變電所接入，其他大部分路段僅有110 kV及以下配電網(wǎng)絡(luò)覆蓋且基本滿足地方供電需求，新建主電網(wǎng)主要是為滿足牽引變電所供電需要。根據(jù)初步接入系統(tǒng)方案研究成果，采用新技術(shù)較現(xiàn)有技術(shù)可減少220 kV變電站2座，減少220 kV接入電網(wǎng)線路約340 km，節(jié)約工程投資約10.3億元，經(jīng)濟(jì)效益明顯，同時也降低了工程選站選線的難度；此外還完全避免發(fā)生1座變電站故障造成連續(xù)2座牽引變電所同時停電的風(fēng)險，大大提高鐵路供電可靠性[19-20]。

規(guī)劃建設(shè)的川藏、青藏、新藏、滇藏及西藏內(nèi)部鐵路所經(jīng)西藏自治區(qū)及其鄰近的四川、青海、新疆和云南交界地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱，也需新建220 kV以上主電網(wǎng)滿足牽引變電所供電需要，均適用于本文提出的新技術(shù)。

5 結(jié)論與建議

(1)提出一種新型鐵路牽引變電所接入電網(wǎng)技術(shù)。新技術(shù)提出2座變電站和2座牽引變電所采用串聯(lián)方式連接，同時明確了牽引變電所的電氣主接線和運(yùn)行方式。新技術(shù)中牽引變電所正常運(yùn)行方式仍與現(xiàn)有技術(shù)相同，僅電源進(jìn)線方案和故障情況下的操作邏輯有所變化。

(2)新技術(shù)可明顯提高復(fù)雜高原鐵路牽引變電所供電可靠性，減少變電站布點及接入電網(wǎng)線路長度，降低工程投資，還可避免對已建變電站母線主接線形式進(jìn)行改造的實施困難問題。新技術(shù)適用于2座變電站合理供電范圍內(nèi)有2座或2座以上牽引變電所接入電網(wǎng)的場景。對于電氣化鐵路沿線地方電網(wǎng)薄弱地區(qū)，新技術(shù)有十分顯著的推廣價值。

(3)建議鐵路及電力部門對鐵路牽引變電所本體設(shè)計方案及運(yùn)行方式等方面進(jìn)行深入研究，并適時開展新技術(shù)應(yīng)用試點，制定相關(guān)設(shè)計和運(yùn)行規(guī)范，以便下一步在適宜地區(qū)的鐵路牽引變電所接入電網(wǎng)工程中推廣應(yīng)用。