解决方案：高速铁路牵引变电所三变压器接线方案研究 - 解决方案 - 世界轨道交通资讯网-世界轨道行业排名领先的艾莱资讯旗下的专业轨道交通资讯网

解决方案：高速铁路牵引变电所三变压器接线方案研究

单位：中铁二院工程集团有限责任公司作者：陈纪纲尹磊

　　0引言

　　牵引负荷为一级负荷，中断供电将造成运输阻塞，在经济、政治上影响极大，故牵引变电所主接线应在电路转换，设备检修和事故处理等情况下保证可靠的供电。牵引变电所是铁路牵引供电系统中提供电能的源头，在工程设计中，牵引变电所的主接线应满足供电安全可靠、接线简单灵活、操作方便和节约投资等要求[1]。

　　我国高速铁路一般采用AT供电方式。牵引变电所中的牵引变压采用固定备用方式，正常运行时，牵引变压器1台（组）运行，另1台（组）备用，电源侧主接线宜采用线路变压器组或分支接线[2]。如京津、京沪、沪宁等高速铁路牵引变电所电源侧采用路线变压器组接线，而广西沿海铁路采用了分支接线。牵引变电所的牵引变压器接线形式应采用单相接线或三相Vx接线[2]，如武广、贵广的部分牵引变电所采用了单相牵引变压器接线，而国内大部分高速铁路牵引变电所如哈大、郑西、成渝、沪昆等采用由4台单相变压器两两组成的2组三相Vx接线。

　　近年来，众多工程技术人员精心探讨牵引供电系统的接线，谋求达到可靠、灵活、经济的目的，以提高牵引供电系统运行品质，达到实现故障导向安全的思路。文献[3]对牵引变电所27.5kV侧接线形式、断路器备用方式及其与接触网的关系做了分析，得出了27.5kV侧接线的优选方案。文献[4]建立了数学模型，对牵引变电所接线方案的可靠性进行了具体计算和分析，对系统可靠性进行量化。文献[5]和文献[6]分别对电气化铁路分区所、AT所的接线做了研究和比选，提出了分区所和AT所主接线的优化方案。而对于牵引变电所变压器配置数量及其引起的接线变化，因国内目前设计规范条款的规定，业内尚未对此方面进行相关的分析研究，也未涉及过牵引变电所采用三变压器的相关方案。

　　1三变压器接线方案概述

　　在AT供电方案下，高速铁路牵引变电所的三变压器接线方案，就是在牵引变电所设置三台单相接线变压器，采用其中两台单相变压器构成一组Vx接线变压器，另外一台单相变压器作为任意运行的单相变压器的备用；对应三台单相变压器设置三段27.5kV母线，采用隔离开关将三段母线连接。27.5kV馈线侧设备及馈线侧的备用方式与常规高速铁路牵引变电所无差异。

　　在牵引供电系统中，因牵引变电所外部电源或高压侧设备故障全所退出运行而引起的越区供电情况出现的鲜有报道，也就是说两路外部电源和四台（两组）牵引变压器同时出现故障的概率非常之低。随着电气装备制造业水平的不断提升、制造商对设备质量的认识程度加强、供电系统运营维护制度的不断健全、设备检修手段的持续进步，正常运行情况下另外两台非工作的单相变压器占据着牵引变电所的半壁江山作为后备，是否显得有些冗余。在这样的背景下，三变压器方案及其应用价值可值得业内研究探讨。

　　2主接线

　　高速铁路AT供电方式下，牵引变电所采用三变压器的典型方案如图1所示。牵引变电所采用三台单相牵引变压器方案的主接线方案具体描述为：牵引变电所采用两路三相外部电源进线，两路外部电源在牵引变电所内高压侧采用单母线（分段）接线，以实现任何一路进线可带任意一台单相变压器运行。三台单相牵引变压器（分别定义为1T、2T、3T）通过隔离开关及断路器接入高压侧母线，其中中间一台单相变压器2T可根据需要闭合1021QS和1022QS以实现接入不同的相序，以实现对左右两侧不同的相序。在正常运行时，牵引变电所任意2台牵引变压器运行，另外1台备用。

　　牵引变电所27.5kV侧设置三段母线（定义为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段），以实现27.5kV侧的单母线分段接线，每台单相变压器低压侧分别接至一段母线。在Ⅱ段母线与Ⅰ、Ⅲ段母线之间分别设置隔离开关，可将Ⅱ段母线与Ⅰ、Ⅲ段母线实现连接或分段，或将三段母线连接为一个整体。牵引变电所馈线侧出线断路器分别接至Ⅰ、Ⅲ段母线（也可接至Ⅱ段母线）。馈线断路器备用方式可采用上、下行互为备用、50%备用或100%备用，本文的接线方案图中采用上、下行互为备用。

图1牵引变电所三牵引变压器主接线方案图

　　3运行方式

　　因牵引变电所有两路外部电源进线，并采用三台牵引变压器，所以进线电源和牵引变压器会组合出多种运行方式。

　　推荐方式为在正常运行时，1路（2路）电源进线带电运行，2路（1路）电源进线备用，1T、3T变压器运行（1T、3T组成一组Vx接线），2T变压器备用；Ⅰ、Ⅲ段母线带电，对应2T的Ⅱ段母线备用，27.5kV母线隔离开关均打开。当1路（2路）进线电源出现故障时，可让1（2路）路进线退出运行，检有压后将2路（1路）进线电源投入。同时，当任意一台变压器出现故障时，备用变压器及其母线可以投入代替故障变压器，27.5kV母线通过隔离开关实现将故障变压器所对应的母线带电，牵引变电所仍可实现Vx接线的运行方式。即使在极端情况下，两台变压器均退出运行，仍可实现1台单相变压器供电，但此时因牵引变压器容量的限制，需要核算牵引供电系统保障行车的能力。

　　两路外部电源进线中只将其中一路电源引入变电所时的运行方式见表1。

表1牵引变电所三变压器方案运行方式表

　　牵引变电所的三变压器运行方案除上述描述外，还有几种其他的运行方案可供选择，如：在开通初期负荷较小时，在满足外部电源负序指标的情况下，牵引变电所可采用其中1路进线带1台单相变压器运行；可实现1路进线带2台单相变压器组成Vx接线运行；可实现1路进线带2台单相变压器同相序并列运行；可实现2路进线分别带2台单相变压器运行；也可实现2路进线中的其中1路带两台单相变压器并列运行，另1路带1台单相变压器运行的组合方式。

　　可以看出，三变压器方案可采用的运行方式是灵活多变的，在运行实际中，可根据需要进线选择和配置。需要注意的是，在应用不同的运行方案时，应该考虑的因素也较多，如从1路进线带一组变压器过渡到在1、2路外部电源进线同时带2台单相变压器供电时，1、2路进线之间的隔离开关、断路器的闭锁关系需要作出调整；如1路电源进线带2台单相变压器并列运行时，外部电源的三相不平衡度是否满足要求应实现得到评估，并应报电力部门许可；在分析选择牵引变压器投入数量的问题时，应统筹考虑牵引变电所的计费方式调整。

　　4三、四变压器方案比较

　　三变压器与我国目前大量应用的AT供电方式牵引变电所采用四台变压器供电方案，最直接的变化就是少了1台单相牵引变压器，其在占地面积、投资及运营维护方面的利弊分析如下。

　　（1）占地面积

　　采用三变压器接线方案后，当牵引变电所27.5kV侧采用GIS时，在占地积上由于三变压器方案因少了一组变压器，变电所宽度可较四变压器方案减少约12米左右，一座牵引变电所可节约用地1000m2左右。而当27.5kV侧采用全室外布置时，牵引变电所的宽度主要是受馈线侧设备的布置影响，三变压器方案与四变压器方案占地面积相当。

　　（2）设备数量及投资

　　采用三变压器接线方案后，由于进线侧接线方式、变压器数量、27.5kV母线分段情况的变化，较传统的四变压器接线（线路变压器组接线）的设备数量发生了一些变化，以一个正线常规高压侧采用敞开式布置的牵引变电所为例，统计并计算牵引变电所的设备数量和投资变化情况。在忽略变电所架构、导线等建安材料的情况下，比较结论为三变压器方案设备费约比四变压器方案节约170万元/所。具体见表2。

表2牵引变电所三变压器方案与四变压器方案设备费比较表

　　需要注意的是，若牵引变电所高压侧采用GIS设备选择方案，则三变压器方案将比四变压器方案在高压侧多出4组高压侧GIS间隔，占地面积和投资将高于四变压器方案。

　　（3）变压器容量配置

　　在供电计算中，若采用的Vx接线的牵引变压器两相容量不同，为确保供电能力，则在三变压器方案中，备用变压器容量将只能按照较大的一相容量进行配置选择。例如对一个容量为25+31.5MVA的Vx接线牵引变压器，那么配置的三台变压器容量应分别为25、31.5、31.5MVA。当牵引变电所在运行中选择那两组31.5MVA的变压器供电时，基本电费理论上也应按照两组31.5MVA的容量进行缴费，此时将可能会对运营成本带来增加。

　　（4）倒闸作业

　　牵引变电所当出现外部电源进线或变压器故障时，三变压器方案高压侧接线比较复杂，而四变压器接线实质上是两组牵引变压器。所以在倒闸作业过程中，三变压器方案涉及的开关数量较四变压器方案多，甚至涉及到了四变压器无需设置的母线隔离开关，故其倒闸作业或恢复供电的时间会有所延长。在实际运行中，牵引变电所根据需要设置固定的备用电源和备用变压器自投程序，可以加快倒闸作业速度。

　　5结论

　　本文对牵引变电所三变压器方案进行了研究，对方案的主接线、运行方式进行了分析探讨，对牵引变电所设置三、四变压器方案进行了比较。通过研究分析可以看出，牵引变电所在采用三变压器方案后，牵引变电所进线电源及牵引变压器依然实现着冗余配置，可以确保牵引供电系统在N-1故障情况下，仍然能够正常运行，因此三变压器方案在高速铁路AT供电方式的牵引变电所是可行的。在工程设计和实际运行中，还可以有以下结论。

　　1.三变压器方案的运行方式比较灵活多样，运营中可根据具体情况进行选择，需要注意的是做好牵引变电所内、外部的协调工作。

　　2.当牵引变电所的两个供电臂对应的牵引变压器容量不同时，应用三变压器方案当备用变压器投入运行时，实际上提高了牵引变电所总的变压器容量，对基本电费交付不利。

　　3.当牵引变电所220kV侧采用室外敞开式设备时，三变压器方案可节约投资和占地。

　　4.在牵引供电系统为直接供电方式时，若采用Vv接线的牵引变压器，参照本文分析结论，可应用三台单相牵引变压器方案。

　　5.AT供电方式中，目前的AT分区所采用4台自耦变压器，参照本文分析结论，分区所可应用3台自耦变压器方案，正常运行时2台运行、1台备用。

　　参考文献：

　　[1]TB10009-2005，铁路电力牵引供电设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

　　[2]TB10621-2014，高速铁路设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2014.

　　[3]崔校玉，客运专线牵引变电所接线方式及接触网故障判定方法[J].铁道标准设计，2005，（5）.

　　[4]贾晓楠，高速铁路牵引变电所电气主接线的可靠性评估[J].电气化铁道，2007，（6）.

　　[5]魏以德，复线电铁牵引网分区所主接线方案探讨[J].电气化铁道，2007，（2）.

　　[6]严希，自耦变压器所主接线方案的探讨[J].铁道标准设计，2012，（9）.