高速鐵路純單相接線GIS設備容量不夠問題研究

■ 汪自成

汪自成：中鐵第四勘察設計院集團有限公司，工程師，湖北 武漢，430063

攝影 胡山 董海偉

目前我國高速鐵路牽引供電系統的牽引變電所有兩種主接線型式：一種是由2臺純單相變壓器組成三相V/X接線型式，另一種為純單相（I/I）接線型式。兩種接線型式各有優缺點：三相V/X接線型式優點是可減小電氣化鐵路對電力系統電能質量的影響、降低變電所內各種設備容量、便于施工和維護，缺點是增加牽引供電系統正常運行的電分相數量、擴大牽引變壓器安裝容量；純單相接線型式優點是牽引變電所結構簡單、一次側設備數量少、容量利用率高，在正常條件下可減少接觸網電分相數量，缺點是加大了電氣化鐵路對電力系統電能質量的影響，增加了牽引變電所設計的設備選型難度。

1 高速鐵路純單相接線存在的問題

我國高速鐵路的特點為列車功率大（速度350 km/h動車組功率高達17 600 kW或更高）、行車密度越來越高（最小行車間隔已達3 min）、列車運行帶電概率高。為滿足高速鐵路牽引供電要求，每座牽引變電所必需提供高達120～180 MVA負荷[1]。

牽引變電所主接線采用純單相接線型式：牽引變壓器安裝容量高達2×75～2×120 MVA，牽引變電所2×27.5 kV側斷路器、開關設備容量需達到2.4～3.6 kA。若取消牽引變壓器二次側出口處AT變，牽引變電所2×27.5 kV側斷路器、開關設備容量則高達2.8～4.0 kA[2]。

目前用于電氣化鐵路成型的2×27.5 kV GIS開關柜設備額定容量均在31.5 kA以下，2×27.5 kV GIS開關柜只能插接不多于4根截面積最大不超過400 mm2電纜插拔頭，這些都不滿足純單相接線牽引變壓器電流要求。

2 純單相接線GIS設備容量不夠問題解決方案

解決高速鐵路牽引變電所純單相接線2×27.5 kV母線進線GIS開關柜容量不夠問題，主要有2種途徑。（1）研發大容量2×27.5 kV GIS開關柜，以適應高速鐵路牽引變電所純單相接線時牽引變壓器2×27.5 kV側大電流需要；（2）通過系統設計改變牽引變電所低壓側接線方式或設備運行方式，以滿足高速鐵路牽引供電系統2×27.5 kV母線進線側大電流需要。

在現有成型設備產品前提下，從牽引供電系統設計角度尋求解決方案，針對高速鐵路牽引供電系統2×27.5 kV母線進線開關柜容量不夠問題提出3種解決方案。

（1）第一種解決方案：2×27.5 kV母線不分段，進線GIS開關柜并聯方案（見圖1）。在原純單相接線牽引變電所接線方式的基礎上，增加一臺GIS開關柜，與2×27.5 kV母線進線GIS開關柜并聯，以解決單臺GIS容量不夠和進線電纜數量問題。

（2）第二種解決方案：2×27.5 kV母線不分段，取消母線進線斷路器方案（見圖2）。在原純單相接線牽引變電所接線方式的基礎上，取消2×27.5 kV母線進線GIS開關柜的斷路器，同時取消母線進線相應保護。

（3）第三種解決方案：2×27.5 kV母線分段，進線GIS開關柜分共方案（見圖3）。在第一種方案基礎上進行優化改進，使純單相牽引變電所2×27.5 kV部分與三相V/X接線一致，左右臂母線進行GIS開關柜共同接引牽引變壓器同一出線端子。

上述3種解決方案均能滿足牽引供電系統要求，但各有優缺點。

圖1 2×27.5 kV母線不分段，進線GIS開關柜并聯方案

圖2 2×27.5 kV母線不分段，取消母線進線斷路器方案

圖3 2×27.5 kV母線分段，進線GIS開關柜分共方案

第一種解決方案：優點是主接線直觀、簡單，不需要調整進線GIS開關柜內部結構及設備參數；缺點是當牽引變電所進行牽引變壓器差動保護、過流保護及饋線后備保護動作，都需同時啟動2臺2×27.5 kV母線進線斷路器，2臺斷路器必須同步動作，不然容易燒毀后動作的斷路器[3]，特別是在饋線后備保護啟動條件下，變電所近端短路電流非常大，2臺2×27.5 kV母線進線斷路器，動作不同步極易燒毀后啟動的斷路器。

第二種解決方案：優點是主接線直觀、簡單，取消2×27.5 kV母線進線斷路器后節省投資；缺點是需要調整進線GIS開關柜內部結構及參數（取消斷路器、增大開關容量），過流保護及饋線后備保護動作只能使牽引變壓器220 kV側斷路器跳閘。比較而言，對饋線后備保護少一級，增加了牽引變壓器倒閘次數和對電力系統的影響。

第三種解決方案：具有第一種解決方案的優點，同時彌補了饋線后備保護2臺斷路器啟動不同步易燒毀后啟動斷路器的缺陷；缺點是當牽引變電所進行牽引變壓器差動保護和過流保護動作，都需同時啟動2臺2×27.5 kV母線進線斷路器，2臺斷路器必須同步動作，不然容易燒毀后動作的斷路器。不過牽引變壓器差動保護和過流保護動作時，對于2×27.5 kV進線斷路器中流過的電流相比短路電流較小，即使兩斷路器同步性較差，時間有差異，也不會影響設備運行。

3 結論

經過對2×27.5 kV母線進線開關柜斷路器容量不滿足高速鐵路純單相接線方式2×27.5 kV母線進線電流要求的解決方案分析，結論如下：（1）在兼顧現有成型開關柜設備、各種保護配置及工程實施性前提下，高速鐵路采用純單相接線方式宜采用第三種方案解決2×27.5 kV母線進線開關柜斷路器容量不夠問題。這與牽引變電所為外部電源預留三相V/X接線條件一致，將來采用三相V/X接線時，2×27.5 kV側均不需改動。（2）在得到電力系統允許牽引變壓器220 kV側斷路器作為牽引變壓器過流保護、饋線后備保護前提下，第二種解決方案也是可行的，且節省投資。（3）第一種解決方案由于要求并聯運行的2臺斷路器動作同步性較高，不宜采用。若牽引變電所饋線近端短路電流較小，也可采用第一種方案。

[1]汪自成. 高速鐵路牽引變壓器接線分析[J]. 電鐵信息網訊，2004（3）

[2]中鐵第四勘察設計院集團有限公司. 新建鐵路武漢至廣州客運專線烏龍泉至韶關段修改初步設計電氣化文件[R]，2007

[3]賀威俊，簡克良. 電氣化鐵道供變電工程[M]. 北京：中國鐵道出版社，1996