基于變壓器新技術的高速鐵路牽引變電所節(jié)能與標準化布置

程衛(wèi)軍

基于變壓器新技術的高速鐵路牽引變電所節(jié)能與標準化布置

程衛(wèi)軍

（中鐵電氣化局集團有限公司電氣化公司，北京 100000）

通過對我國高速鐵路初期開通運營的京津城際和2019年末開通運營的智能京張牽引變電所的布置和牽引變壓器出線方式的闡述，結合電力變壓器電纜出線新技術和植物絕緣油新技術，提出了高速鐵路在采用牽引變壓器新技術下的變電所布置在節(jié)能和標準化方面的優(yōu)化思路。

高速鐵路；牽引變壓器；新技術；布置

0 引言

2019年12月30日，伴隨著京張高鐵的順利開通運營，中國高鐵運營里程已突破3.5萬km，約占全球高鐵網(wǎng)的七成，高居世界第一。短短十余年間，中國高鐵技術也從“跟跑”、“并跑”世界，實現(xiàn)了“領跑”世界的華麗轉身。在“一帶一路”走出去戰(zhàn)略和“交通強國、鐵路先行”理念倡導下，中老鐵路、雅萬高鐵等海外工程穩(wěn)步推進，國內“八縱八橫”高鐵網(wǎng)也隨著國家每年千億以上鐵路建設投資日趨完善。

按照3.5萬km高速鐵路和目前我國普遍采用的京張高鐵的牽引供電系統(tǒng)及變電所主接線方式進行粗略計算（即每50km設置一座牽引變電所，每所設置4臺牽引變壓器），截至2019年底我國高速鐵路已大約投入牽引變電所近700座，投運牽引變壓器約2800臺。

1 我國高速鐵路牽引變電所布置及牽引變壓器出線方式

1.1 京津城際牽引變電所布置及牽引變壓器出線方式

2008年開通運營的京津城際作為我國引進消化吸收德國西門子技術的首條時速350km高速鐵路，采用AT供電方式。全線設有武清、亦莊2座牽引變電所，包含牽引變壓器在內的變電所設備基本采用德國西門子進口設備。變電所內220kV配電裝置采用室外中低式布置，2×27.5kV配電裝置采用室內氣體絕緣開關設備（gas insulated switchgear, GIS）開關柜布置方式，牽引變壓器與變電所設備房屋間距離為15m，滿足消防及運營檢修要求。所內牽引變壓器出線采用上側出線方式經(jīng)電纜支架支撐的中壓電纜直接接引至室內中壓開關柜，其側視安裝如圖1所示，其三維立體安裝如圖2所示[1]。

圖1 京津城際武清牽引變電所牽引變壓器低壓側側視安裝圖

1.2 京張高鐵牽引變電所布置及牽引變壓器出線方式

2019年開通運營的京張高鐵作為北京冬奧會的重要配套工程，由我國自主設計建造，是世界上最先進的時速350km的智能高速鐵路，同樣采用AT供電方式。其全線設有黃土店、大浮陀、新保安、張家口南4座牽引變電所，包含牽引變壓器在內的變電所設備均采用國產(chǎn)設備。黃土店、大浮陀2座牽引變電所為整體室內布置。新保安、張家口南2座牽引變電所內220kV配電裝置、主變壓器為戶外布置，2×27.5kV配電裝置為戶內GIS柜布置方式，是當今我國高鐵普遍采用的主流布置形式。牽引變壓器與變電所設備房屋間距離為14m，滿足消防及運營檢修要求。牽引變壓器出線采用上出線方式經(jīng)轉換支柱支撐的硬母線連接過渡后與中壓電纜連接，再由中壓電纜接引至室內中壓開關柜，其側視安裝如圖3所示[2]，其安裝實景如圖4所示。

圖3 京張高鐵牽引變電所牽引變壓器低壓側側視安裝圖

圖4 京張高鐵牽引變電所牽引變壓器低壓側安裝實景圖

此種連接方式通過橫向支撐銅排將牽引變壓器低壓出線套管與豎向低壓電纜進行了過渡連接，雖然克服了變壓器上側出線電纜直接接引的電纜支撐方式下諸如電纜彎曲半徑與工藝美觀兩者不能兼顧的弊端問題，但是增加了牽引變壓器出線套管與電纜終端連接的相關的支撐與過渡轉換材料設備，具體明細見表1[2]。由于此種方式所需的材料眾多，將造成現(xiàn)場裝配工作量的增加，對于采用中國高鐵技術的境外工程實施存在材料丟失現(xiàn)場裝配風險。

表1 京張高鐵張家口南牽引變電所單臺牽引變壓器出線側材料表

（續(xù)表1）

注：電纜及電纜附件具體以設計數(shù)量為準，不包含在表1內。

2 牽引變壓器新技術的提出

2.1 牽引變壓器低壓側采用電纜出線

變壓器采用電纜出線或者電纜出線箱方式早在20世紀60、70年代就已有相關資料記載和投入實際使用的案例[3-4]。目前在電力變壓器上已有成功應用經(jīng)驗，高速鐵路牽引變壓器低壓側可完全借鑒。牽引變壓器采用電纜出線方式，采用從油箱中部引出的電纜下出線方式，如圖5所示，其中，外部電纜終端可采用當今先進、主流的插接式終端頭。

圖5 牽引變壓器低壓側電纜出線示意圖

2.2 牽引變壓器絕緣油采用植物油

變壓器絕緣油采用植物絕緣油從20世紀90年代后在歐美地區(qū)開始廣泛推廣，目前歐美部分發(fā)達國家已掌握110～420kV電壓等級植物油大型電力變壓器關鍵技術，植物油已成為礦物絕緣油的良好替代品。與礦物絕緣油相比，植物絕緣油可再生、可完全生物降解，環(huán)保特性良好；燃點高達360℃（礦物油為160℃～180℃），大大提升了消防安全；可延長絕緣紙板壽命，提升油浸紙板起泡溫度，增強了變壓器的長時負載能力和短時過載能力。2019年國內主要變壓器生產(chǎn)廠家已成功研制110kV植物油變壓器并在國內電力行業(yè)成功應用。隨著科技的進步和國內變壓器生產(chǎn)廠家研發(fā)的力度加大，相信很快能趕超歐美生產(chǎn)出420kV或更高等級植物油大型電力變壓器。高速鐵路牽引變壓器作為一種特殊的大型電力變壓器，應及時跟進并積極推廣使用植物油牽引變壓器。

3 牽引變壓器新技術下的變電所布置優(yōu)化改進

3.1 基于牽引變壓器低壓側電纜出線方式下的變電所布置

在牽引變壓器低壓側采用電纜出線方式下，變電所低壓側的接線與布置形式較之目前我國主流的高速鐵路牽引變電所（如前文2.2節(jié)所述京張高鐵張家口南牽引變電所）接線與布置形式會發(fā)生很大變化。由于牽引變壓器低壓側直接與電纜連接，連接變壓器低壓側的室外電纜將直接垂直引入電纜溝，沿室外電纜溝穿過墻體經(jīng)設備房夾層橋架與室內GIS柜相連接。由此可見，采用牽引變壓器低壓側電纜出線方式下，接線與布置方式簡單，現(xiàn)場安裝材料節(jié)省，無需使用表1所述的支撐電纜的支架及相關配套材料，利于安裝實施和后期的運行維護。固化此種接線方式，形成標準，將會極大方便中國高鐵“走出去”發(fā)展戰(zhàn)略。

3.2 采用植物油牽引變壓器的變電所布置

牽引變壓器采用植物油，除了前文2.2節(jié)所述的良好的電氣性能、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點外，由于植物油變壓器消防性能優(yōu)良，特別適合地下變電站、城市人口密集區(qū)等對消防安全要求較高的區(qū)域。在境外土地資源有限、環(huán)保要求較高的地區(qū)作用特別凸顯，比如香港地鐵大圍站主變電所132kV/33kV變壓器采用植物油變壓器，其變壓器與建筑物的布置距離不超過3m。在此情況下，目前的高速鐵路牽引變電所牽引變壓器間、牽引變壓器與變電所建筑物（27.5kV GIS柜室和控制室設備用房）的最小防火距離可進一步縮短，牽引變電所室外包含牽引變壓器在內的高壓區(qū)設備布置將更加集中，變電所的占地面積將有效減少[5-6]。如果京張高鐵采用植物油牽引變壓器，那么張家口南牽引變電所牽引變壓器與GIS開關柜室距離將至少縮減一半，變電所的占地面積將減少五百多平方米。今后我國的高鐵若采用植物油牽引變壓器，優(yōu)化變電所室外高壓設備布置，將極大減少變電所的占地面積。我國鐵路《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》實現(xiàn)后遠期高速鐵路將達到4.5萬km左右，按照未來將建設1萬km的高速鐵路進行粗略計算，將實現(xiàn)節(jié)約十萬多平方米變電所占地面積。更重要的是環(huán)保的同時解決了以往高鐵牽引變電所建設過程中由于原變電所選址面積不足移址建設，造成接觸網(wǎng)上網(wǎng)供電線投資同時增加的問題。相信隨著我國變壓器生產(chǎn)廠家植物油變壓器技術的日趨成熟，今后高速鐵路牽引變電所采用更節(jié)能、更環(huán)保、電氣性能更優(yōu)的植物油變壓器也將成為主流。

4 結論

目前，牽引變壓器采用低壓側電纜出線方式新技術和采用植物油牽引變壓器技術在我國高鐵建設中還未得到實際應用，本文將國內外電力變壓器兩種新技術引入我國高鐵牽引變電所建設，還需建設、設計、生產(chǎn)制造、施工等多方努力、共同作用，協(xié)力推進以盡早形成應用。同時，早日固化形成中國標準，可促進中國高鐵在“走出去”發(fā)展戰(zhàn)略和“一帶一路”建設中發(fā)揮更大作用。

[1] 西門子（中國）, 中鐵電氣化局集團有限公司, 中國鐵路通信信號集團公司. 新建鐵路北京至天津城際軌道交通通信、信號及牽引供電系統(tǒng)集成總承包牽引變電所施工圖設計[Z]. 北京: 2007.

[2] 中鐵工程設計咨詢集團有限公司. 新建北京至張家口鐵路工程張家口南牽引變電所施工圖設計[Z]. 北京: 2017.

[3] 長田昭一, 草野哲夫. 變壓器電纜出線盒[J]. 變壓器, 1969(1): 30-35.

[4] 沈陽變壓器研究所組件組. 330kV變壓器電纜出線簡介[J]. 變壓器, 1973(2): 2-8.

[5] 國家鐵路局. TB 10009—2016鐵路電力牽引供電設計規(guī)范[S]. 北京: 中國鐵道出版設, 2016.

[6] 國家鐵路局. TB 10621—2014高速鐵路設計規(guī)范[S].北京: 中國鐵道出版設, 2014.

Energy saving and standardized layout of high-speed railway traction substation based on new technology of transformer

CHENG Weijun

(Electrification Corporation China CREC Railway Electrification Bureau (Group) Co., Ltd, Beijing 100000)

By the description of the layout and the outgoing way of traction transformer of Beijing Tianjin inter city high-speed railway which operated in initial of high speed railway period and intelligent Beijing Zhangjiakou traction substation which operated at the end of 2019, and combining the new technology of power transformer cable outgoing and the new technology of vegetable insulating oil, the paper proposed the optimized way of energy saving and standardized layout of high-speed railway traction substation under the new technology of traction substation.

high-speed railway; traction transformer; new technology; layout

2020-06-09

2020-07-01

程衛(wèi)軍（1982—），男，本科，陜西省岐山縣人，高級工程師，主要從事電氣化鐵道和城市軌道交通牽引供電工程施工技術與管理工作。