合肥至蚌埠客運專線牽引供變電設計

黃建平

合肥至蚌埠客運專線牽引供變電設計

黃建平

合蚌客運專線設計時速350 km，由于其牽涉多個地區、樞紐，與多條線路交叉并行，可靠性要求高，牽引饋線多的特點，牽引供電系統設計難度大。牽引供電方案設計在結合交通網絡規劃，考慮資源共享的要求下，首先研究了地區、樞紐的供電方案，進而確定全線變電所分布方案。牽引變電所則圍繞可靠性、資源共享、創新設計等方面進行設計。

合蚌客運專線；變電所；設計

0 引言

新建鐵路合肥至蚌埠客運專線（下稱合蚌客專）北引京滬高鐵蚌埠南站，與京滬高鐵相連，南接合肥樞紐合肥站，與合福客專及滬漢蓉快速通道相接，同時與在建的阜淮線和淮南線淮南至合肥段及水蚌線電氣化改造工程（三線電化工程）的淮南線和水蚌線線路近距離并行，是京滬高速鐵路與滬漢蓉快速客運通道間快速連通線，也是北京至福州客運專線的重要組成部分。

合蚌客專正線全長130.6 km，牽引供電系統采用AT供電方式，全線新建3座牽引變電所，4座分區所，6座AT所。牽引供電系統設計滿足350 km/h運行速度，達到國內同等技術水平，對國內高速鐵路技術發展有著重要促進作用。

1 工程特點

1.1 牽涉多個地區、樞紐，線路錯綜復雜

合蚌客專牽引供電系統的設計牽涉到2個樞紐（蚌埠樞紐、合肥樞紐）、2個地區（淮南地區、水家湖地區）和8條相鄰線路（京九線、滬寧線、京滬高速線、水蚌線、淮南線、阜淮線、合寧線、合武線），各線路之間或交叉或平行，線路情況復雜（圖1）。牽引供電系統方案設計既要考慮接入地區和樞紐的供電條件，又要考慮相鄰線路之間供電相互支持，技術處理難度大。

圖1 合蚌客專線位情況示意圖

1.2 與多條線路交叉并行

合蚌客專與水蚌線均起于蚌埠樞紐，在劉府附近交叉靠近；與既有阜淮線在淮南地區交匯；與既有淮南線、水蚌線三線交匯于水家湖地區，向南與淮南線基本平行延伸到合肥，共3處線路交叉點，約73 km近距離并行。同時與在建的京滬高鐵、合福客專及規劃中的商杭客專相互銜接。

1.3 牽引供電系統可靠性要求高

高速度、高密度、高安全是高速鐵路最基本的技術要求。為保障牽引供電系統的安全可靠運行，需要從供電系統方案、系統運行方式、牽引變電所主接線、牽引變電所設備選型、牽引供電設備控制技術、監測技術等多方面采取措施。

1.4 牽引變電所饋線數量多，主接線復雜

根據供電方案，合蚌客專新建了3座牽引變電所，其中劉府南牽引變電所同時為合蚌客專、水蚌線供電；水家湖牽引變電所同時為合蚌客專、淮南線、水蚌線供電，并預留商杭客專的供電條件；合肥北城牽引變電所同時為合蚌客專、合福客專、淮南線供電，并預留商杭客專的供電條件。3座變電所同時既有AT饋線，又有直供饋線，饋線數目多，其中水家湖牽引變電所多達14回饋線。

2 牽引供電方案

根據該工程的特點，牽引供電方案的設計須結合交通網絡規劃，處理好多線路之間的供電關系，充分考慮資源共享，以節省工程投資，提高經濟效益和社會綜合效益。

2.1 樞紐、地區供電方案

通過分析合蚌客專和相鄰線路的線位情況可知，蚌埠樞紐、合肥樞紐、水家湖地區供電方案成為全線方案的關鍵控制點。樞紐、地區的供電方案設計應著眼于供電網絡規劃，結合既有鐵路、新建鐵路和規劃鐵路相互銜接關系，優先考慮多條線路的牽引變電所供電，然后再從全線角度優化牽引變電所分布方案。

（1）蚌埠樞紐。京滬高鐵采用AT供電方式，設蚌埠南站牽引變電所；既有京滬電化采用帶回流線的直接供電方式，設蚌埠東牽引變電所。合蚌客專劉府南站距離蚌埠南站約19 km，既有水蚌線劉府站距離蚌埠站約17 km，兩站距離較近（約3.5 km），在劉府南站設牽引變電所，可同時向該線和既有水蚌線供電；另一方面，由于供電方式的不同，京滬電化設置的蚌埠東牽引變電所與京滬高速鐵路設置的蚌埠南牽引變電所并未形成相互支持，在劉府南站設牽引變電所，可為蚌埠地區的供電提供支持。因此，在劉府南設置牽引變電所的方案合適。

（2）合肥樞紐。合寧鐵路經肥東站和三十埠站后客貨分線分別引入合肥站和合肥東站，設肥東AT牽引變電所；合武鐵路經長安集、合肥西、桃花店車站后客貨分線分別引入合肥站和合肥東站，其中桃花店—合肥段采用AT供電方式，由長安集AT牽引變電所供電。

合肥樞紐地區供電研究了2個方案：一是在雙墩集設牽引變電所，二是在合肥北城設牽引變電所。雙墩集距離合肥約13 km，合肥北城距離合肥約21 km，2個方案均能滿足該線的牽引供電需求，且可與合武鐵路設置的長安集牽引變電所形成相互支持，為合肥樞紐地區的供電可靠性提供支持。從全線供電系統優化角度考慮，在合肥北城設牽引變電所方案使全線牽引變電所供電臂更加平衡，供電效果好。

（3）水家湖地區。水家湖站同時是水蚌線與淮南線的接軌站，水蚌線分別從水蚌、水淮聯絡線引入車站。在水家湖設置牽引變電所，可以為合蚌客專、淮南線、水蚌線等3條線路同時供電，淮南線、水蚌線電化時在蚌埠至水家湖、淮南至合蚌區段不需再設置牽引變電所，能大大提高共享供電設施的利用率，降低工程投資；從合蚌客專整個供電規劃看，水家湖距離劉府約42 km，在水家湖設牽引變電所合適。

2.2 全線變電所分布方案

通過研究京滬高速鐵路及合武線、合寧線3線電化牽引供電系統的關系，在滿足牽引供電和通信防護的基礎上，充分考慮了蚌埠樞紐、水家湖地區、合肥樞紐和路網總體規劃及遠期發展，以及沿線電力系統現狀和規劃，并兼顧既有水蚌線、淮南線的供電規劃，全線新建劉府南、水家湖、合肥北城3座牽引變電所；新建蚌埠南、淮南東、朱巷、合肥北4座分區所；新建西泉、九龍崗、小馬莊、戴集、南穎村、雙鳳6座AT所。

2.3 外部電源方案和牽引網供電方式

采用220 kV電源供電，可提高供電系統的短路容量，減少牽引供電系統對地方電力系統的影響，提高電網電能質量。

目前國內客專和高鐵普遍采用AT供電方式，合蚌客專采用AT供電方式，相比直接供電方式，不僅能顯著提高供電能力，還能在蚌埠樞紐與京滬高鐵，在合肥樞紐與合武鐵路形成相互支持，提高供電可靠性。

牽引變電所采用2臺單相變壓器組成的V/X接線變壓器，實現了在1座牽引變電所內向2種不同的供電方式（AT供電方式和帶回流線的直接供電方式）同時供電的模式，合蚌客專新建的牽引變電所同時向既有水蚌線、淮南線供電，減少了工程投資。

2.4 牽引變電所與接觸網電分相的供電關系

從京九線的阜陽樞紐、京滬高速鐵路的蚌埠樞紐、合武鐵路的合肥樞紐形成的三角形供電系統網絡出發，結合各樞紐設置的牽引變電所相序，采用外部電源相序輪換的接入方式，考慮相位順時針或逆時針旋轉60°的研究方法，使得各牽引變電所饋線之間相位差滿足不大于60°的要求。

2.5 運用建模分析線路諧振特性確保運行安全

供電系統網絡的諧振，一直是供電系統設計難以避免的問題。諧振引起的過電壓、過電流將引起保護裝置誤動作，損壞供電設備，嚴重時可能引起整個牽引供電網絡的崩潰，影響高速鐵路牽引供電系統和機車的安全穩定運行。筆者在設計過程中采取與高校合作科研的模式，對合蚌牽引供電系統和所采用的CRH2、CRH3系列機車進行建模分析，根據分析結果確定了合蚌電分相設置位置和變壓器短路阻抗比，并在施工設計中優化接觸網結構，極大地優化了合蚌供電系統設計，從設計方面避免了諧振發生的可能性，減少將來對設備的損壞。

圖2 劉府南牽引變電所主接線圖

3 牽引變電所設計

3.1 牽引變電所可靠性設計

（1）牽引變電所主接線。主接線是牽引變電所設計的核心，通過優化主接線設計可以從根本上提高牽引變電所的可靠性。牽引變電所主接線設計采用的可靠性措施如下：

電源采用2回220 kV電源并互為熱備用，進線采用線路變壓器組接線方式，每回電源進線供一組牽引變壓器，每組牽引變壓器分別由2臺220/2×27.5 kV單相牽引變壓器通過外部連接構成三相V/X接線，正常時1回電源供電，1回電源備用，并設置備用電源自動投入裝置。2×27.5 kV設T1（F1）、T2（F2）相母線，每相采用單母線接線方式。牽引變電所饋線通過電動隔離開關和斷路器與接觸網相連，并在上下行接觸網之間設置帶有電動隔離開關的跨條，上下行饋線斷路器互為備用，正常運行時上下行饋線斷路器同時投入運行，上下行分別供電，當其中1臺斷路器故障時，上下行接觸網跨條上的電動隔離開關合閘，由另1臺斷路器負責上下行全部負荷。牽引變電所主接線如圖2所示。

（2）主要設備材料選擇。牽引變壓器采用國內先進的三相V/X接線油浸自冷變壓器，實現了在1座牽引變電所內向2種不同的供電方式同時供電。V/X接線牽引變壓器具有負荷平穩、電能損耗小、有效利用列車再生電能、運營費用低、結構簡單、可靠性高、設備數量少、運營維護方便和工程投資低等優點。

27.5 kV開關設備采用 GIS開關柜，GIS開關柜具有高可靠性，少維護甚至免維護，小型化，布置簡單，集成程度高，節省電纜、節省房屋面積和占地面積等諸多優點。

變電所的接地材料采用銅材質。

（3）自用電系統。牽引變電所設3臺所用變壓器，1臺變壓器的電源取自27.5 kV母線，另2臺由電力專業設置。分區所、AT所均設2臺所用電變壓器，其中1臺變壓器的電源取自10 kV電力貫通線，另1臺取自27.5 kV母線。采用2臺或3臺所用變壓器，保證了變電所所用電的可靠性。

（4）高壓電纜在線監測。該工程牽引變壓器（或自耦變壓器）至開關柜以及開關柜至接觸網之間采用了大量的27.5 kV高壓電纜。電纜具有運行維護工作量小、不占空間等優點，但也有故障查找、故障速度恢復慢，檢修周期長等不足。采用高壓電纜在線監測技術，可以有力保障電纜的安全運行，提高變電所的可靠性。

3.2 牽引變電所資源共享設計

（1）變電所同時為多條鐵路供電。合蚌客專變電所除為本線供電外，還需為三線電化（直接供電方式）、合福鐵路供電，同時預留商杭客專供電條件，詳見本文第2章牽引供電方案設計。通過設置共用的牽引變電所，可減少牽引變電所3座，節約電氣化主體工程投資約5 000萬元，節約變電所外部電源投資約1.5億元，節約土地約1.53公頃，減少變電所總安裝容量約20 MV·A，每年節約基本電費約552萬元，經濟效應顯著。

（2）生產房屋與電力變配電所合建。利用牽引變電所場坪，將牽引變電所生產房屋和電力變配電所合建，取消電力變配電所場坪，節省了占地面積。合建的變電所共用部分生產房屋（如控制室、通信機械室）和輔助生產房屋（如值班室、盥洗間、工具室），同時可共用10 kV電源。通過牽引變電所與電力變配電所合建，共用配電設施，不僅節省了房屋面積，還提高了牽引變電所所用電的可靠性。取得了很好的經濟和技術效益。合建的牽引變電所生產房屋布置見圖3。

圖3 牽引變電所與電力變配電所合建生產房屋平面圖

3.3 牽引變電所創新設計

（1）變電所總平面布置。變電所總平面布置采取了以下優化措施：斷路器和變壓器之間減少1個4 m間隔；牽引變壓器之間設置防火墻，減少了變壓器之間的防火距離；所內設備運輸道路設置于變壓器和生產房屋之間，充分利用主變和生產房屋之間的空間；通過以上優化措施，縮減了變電所的場坪面積，節省占地。

（2）綜合自動化系統采用分散安裝方式。在電力系統及地鐵項目中，綜自系統大多采用分散安裝，但目前國內鐵路系統牽引變電所綜合自動化系統均采用集中組屏安裝方式，采用分散安裝是合蚌客專的首次嘗試和創新。采用分散安裝方式可以減少控制屏的數量，從而減少控制室面積，而且能夠極大減少二次電纜的數量和安裝工程，從而縮短綜自系統的安裝調試時間。

4 結語

合蚌客專供變電設計吸收了近幾年國內高鐵建設積累的豐富經驗，也考慮了自身的工程特點。根據線位特點，提出了新建3座牽引變電所，同時為合蚌客專和三線電化工程等多條鐵路供電的方案，實現了資源共享，節約投資。外部電源相序輪換的接入方式，為三角形供電地區的電分相設置方案以及相序設計提供了參考。設計過程中采用了計算機建模分析方法對諧振機理進行了研究分析，尋找諧振出現的規律，并采取有效措施抑制諧振的產生，保證高速電氣化鐵路的安全、可靠運行。變電所設計中采取多項可靠性措施，通過生產房屋與電力變配電所合建可減少房屋建筑面積，在變電所總平面布置和綜合自動化系統的安裝方式的設計中采用了創新設計。

[1] 新建鐵路合肥至蚌埠客運專線初步設計 第十二篇 電氣化．上海：中鐵上海設計院，2008.

[2] TB10009-2005 鐵路電力牽引供電設計規范[S].

[3] TB10621-2009 高速鐵路設計規范（試行）[S].

[4] 李群湛，連級三，高仕斌．高速鐵路電氣化工程[M]．成都：西南交通大學出版社，2006.

[5] 電氣化鐵道設計手冊：牽引供電系統.北京：中國鐵道出版社，1988.

Hefei-Bengbu passenger dedicated line is designed according to speed of 350 km/h. Due to its involving many districts and railway terminals, closely crossed and parallel with several railways, high reliability requirements, and multiple traction feeders, the design of traction power supply system is very difficult. Traction power supply is designed in combining the traffic network planning and considering the resource sharing requirements. Power supply scheme of districts and railway terminals is studied in the first instance, and then the entire substation distribution is determined. Traction substation is designed centering on reliability, resource sharing, innovation and so on.

Hefei-Bengbu passenger dedicated line; traction substation; design

U223.5

B

1007-936X(2014)04-0030-05

2013-10-14

黃建平.中鐵上海設計院集團有限公司電氣化處，工程師，電話：15021637935。