高鐵牽引變電系統一次設備的優化設計與研究

楊大麗

摘 要：隨著我國高速鐵路開通線路的逐漸增多，對于高鐵牽引變電系統一次設備的運行維護經驗也越來越豐富。根據現有設備運行狀況，總結其優缺點，并對一次設備進行優化設計，既能提高高速鐵路的供電可靠性又能降低事故的概率，為今后高速鐵路牽引變電系統的設計及改造提供參考。該文在分析了高速鐵路牽引變電系統的特點及要求的基礎上，針對高速鐵路牽引變電系統的主要一次設備如牽引變壓器、互感器、開關設備、傳輸線路的運行狀況，給出了優化設計方案。

關鍵詞：一次設備 優化 變壓器 GIS開關柜

中圖分類號：TM92 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（a）-0009-02

隨著社會的快速發展，未來要建設的高速鐵路項目越來越多。高速鐵路因為速度快、負荷大、可靠性要求高，所以對牽引變電系統提出了更高的要求。在普速鐵路和現已開通的高速鐵路的牽引變電系統一次設備的運行狀況調查分析基礎上，根據實踐中總結的經驗，對高速鐵路一次設備進行優化設計，成為高鐵設計者必然面對的難題。優化設計后既可以提高性價比又降低了故障的概率，為今后高鐵牽引變電系統的設計及改造提供參考。

1 高速鐵路牽引變電系統的特點和對一次設備的基本要求

1.1 高速鐵路牽引變電系統的特點

（1）速度快，空氣阻力大。高速鐵路的試驗速度已經超500km/h，最高運行時速300km。

（2）客運量大，供電距離長，且具有明顯的時段特征。高速列車負載率高，受電時間長。要求電力機車牽引功率大，牽引供電系統應具有對各種集中負荷供電的能力。

（3）可靠性要求高。要求供電系統供電質量和接觸網受流質量高。高鐵牽引負荷是國家電力系統的I級負荷，它應有獨立的雙回路電源供電，且采用互不影響的兩回220kV及以上（普鐵一般為110kV）電源供電。

1.2 高速鐵路對一次設備的基本要求

一次設備是高鐵牽引變電系統的主體，設備故障會造成嚴重后果，在對一次設備進行設計和選擇時，應滿足運行可靠、工作靈活的要求，同時還必須考慮經濟條件。

（1）應能可靠地在規定的工作電壓及電流下工作，應有足夠的絕緣強度和載流能力。

（2）用于切斷載流電路的開關設備，應具有足夠的熄滅電弧的能力。

（3）對電路運行狀態進行監視、測量的電器元件（如電壓、電流互感器）應能滿足測量精度的要求；還應在高電壓或大電流的作用下不至于飽和。

2 高鐵牽引變壓器的優化設計

2.1 高鐵牽引變壓器接線方式的優化

2.1.1 普鐵牽引變壓器的接線方式現狀分析

目前普鐵牽引變壓器的主要接線型式有YN，d11三相接線，優點為變壓器結構相對簡單，因中性點接地，因此變壓器造價較低，供電安全可靠性好；主要缺點是變壓器的容量不能充分利用，輸出容量只能達到其額定容量的75.6%。

單相接線變壓器主要優點是容量利用率為100%，且變電所的主接線簡單、設備少、占地面積小、投資少，缺點是在三相系統形成較大的負序電流。

V，V接線變壓器的優點是容量利用率為100%，而且可以供給所內及地區三相負荷，對牽引網還可實行雙邊供電，對系統的負序影響減小；缺點是當一臺牽引變壓器故障時，另一臺進行跨相供電，即兼供左右兩臂的牽引網負荷，需要一個倒閘過程，在此倒閘過程完成前，故障變壓器原來供電的牽引負荷將中斷供電。

斯科特（Scott）接線方式變壓器優點為當M座和T座兩供電臂電流相等，且功率因數相同時，原邊三相電流對稱，變壓器容量能全部利用；缺點是斯科特接線變壓器制造難度大，繞組需按全絕緣設計，變壓器造價較高。

2.1.2 高鐵牽引變壓器接線方式的優化

為提高高鐵牽引變電系統的可靠性同時提高變壓器容量的利用率，改善牽引變電所對電力系統的負序影響，高鐵牽引變壓器接線方式在普鐵牽引變壓器接線方式基礎上進行了改進。目前高鐵上采用的牽引變壓器接線形式主要有以下三種類型： V/V型接線、V/X接線、純單相接線。V/V型接線在直供方式大量采用，V/X接線和純單相接線在AT供電方式采用。因高鐵目前的發展趨勢是采用AT供電方式，純單相接線又存在負序電流較大的問題，所以推薦的優化方案是：接線方式采用V/X接線。其接線特點為原邊繞組作V形連接，接三相電力系統的AB和BC相；副邊繞組各引出中間接地點，為X的中心點，接鋼軌，T繞組連接接觸網，F繞組連接正饋線。兩臺純單相變壓器組成的V/X接線如圖1所示。在高鐵牽引變電所設置四臺單相牽引變壓器（普鐵只設置兩臺變壓器），為固定備用方式，兩臺運行，兩臺固定備用。圖2為采用V/X接線牽引變壓器的外觀示意圖。

2.2 高鐵牽引變壓器的選型

根據現有高鐵牽引變電所運行經驗，推薦采用220kV/2×27.5kV的油浸自冷式變壓器。主變壓器油箱采用鐘罩式結構，充以25號變壓器油，每相油箱上有2只壓力釋放閥、1只水銀溫度計、2套油面溫度控制器，采用油浸自冷式結構，預留風冷風機接口，儲油柜采用波紋式儲油柜，波紋管連接。高壓采用帶電動操作機構的無勵磁調壓分接開關。每相油箱上裝鐵心接地套管，接地線經支撐絕緣子引至油箱下部的接地標志處，以便于變壓器鐵心可靠接地及測量對地電流。投入運行時，壓力釋放閥處于開啟狀態。

3 互感器的優化設計

3.1 電流互感器的優化

高鐵牽引變電所220kV側推薦采用油浸式電流互感器。器身由一次繞組和二次繞組組成，一次繞組為“U”形，一次導線為兩瓣半圓鋁管。主絕緣為電容式油紙絕緣，用高壓電纜紙包繞在一次繞組上，其間設若干個電容屏，內屏接高電位，外屏接地。一次繞組分為兩段，共四個出頭，均由儲油柜引出，通過改變儲油柜外部連接片的接線方式來改變電流比。二次繞組組合在一起后固定在一次繞組下部的支架上。所用的變壓器油經充分脫氣脫水處理后在真空的狀態下注入。這種互感器為全密封結構，頂部裝有不銹鋼制成的疊形波紋式膨脹器，使之內部與空氣隔離，防止其內部的變壓器油受潮，運行中應保密封完好。膨脹器由排氣嘴、閥芯、注油嘴、油位指針、疊形波紋管等組成。油位指針與膨脹器內油位同步升降，從外殼視察窗上可清晰觀察到油位的變化情況。

3.2 電壓互感器的優化

高鐵牽引變電所220kV側推薦采用電容式電壓互感器。該互感器為組合式單柱結構，由電容分壓器及電磁單元部分組成。電容分壓器由幾臺耦合電容器串聯疊裝組成；電磁場單元裝置由中間變壓器、補償電抗器、速飽和阻尼器組成，共同裝在一個油箱內。

4 高壓開關設備的優化設計

4.1 220kV側斷路器的優化

220kV側推薦采用SF6斷路器。由于SF6氣體化學性能穩定、不易電離，滅弧和絕緣能力強，使SF6斷路器具有開斷力強且允許連續開斷多次、檢修周期長、維護方便、費用低等優點，高鐵中大都用于一次側。這種斷路器的優點是SF6氣體兼用作滅弧和絕緣介質。SF6氣體在吹弧過程中不排向大氣，而是循環使用。

4.2 27.5kV側開關設備優化

27.5kV側開關設備推薦采用GIS開關柜代替傳統的分散元件。GIS開關柜具有免維護、可靠性高、小型化、布置簡單、美觀，集成程度高、安裝施工簡單方便、節省房屋面積和占地面積等優點，牽引變電所27.5kV配電設備通常采用集斷路器、隔離開關、互感器、避雷器、連接母線為一體的GIS開關柜。

隔離開關的優化：需要改變運行方式的開關采用電動隔離開關，需要當地檢修操作采用的隔離開關采用手動隔離開關。

5 其他輔助一次設備的優化設計

5.1 輸電線路的優化

牽引變電所2×27.5kV和1×27.5kVSF6氣體絕緣開關柜的引進、引出線和至接觸網開關的上網供電線推薦采用電纜線，其它供電線采用架空線。電纜線主要采用銅芯、交聯聚乙烯絕緣電纜。國內牽引變電所標稱電壓為27.5kV，且根據系統不同及電網的波動情況，最高電壓可達到31.5kV。所以根據國內的牽引供電系統的特點，確定電纜電壓為27.5kV。

5.2 不設無功補償，預留濾波裝置的場地

高鐵電動車組負荷特性表現為功率因數高，無需在各高鐵牽引變電所內設置無功補償裝置。動車組諧波的含有率總體水平比交直傳動大大降低，頻譜比交直傳動機車寬，可能會產生諧振，為系統穩定性和安全起見，推薦按預留濾波場地設計。

6 結語

隨著我國高速鐵路開通線路的逐漸增多，對于高鐵牽引變電系統一次設備的運行維護經驗也越來越豐富，根據現有的實踐經驗對高速鐵路的牽引變電系統一次設備進行優化設計，提高設備可靠性降低故障率是完全可行的。相信不久的將來，我國高速鐵路技術將會不斷提高，走出國門，促進國內和世界經濟的提速和發展。

參考文獻

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