某高原鐵路牽引變電所接入電網技術研究

何志強,鄭 勇,楊 帆,晏小彬,范 宇

(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司,成都 610021)

1 概述

新建某高原鐵路雅安至林芝段從雅安站引出，向西經雅安、甘孜、昌都和林芝四市州，止于林芝站，新建正線長度1 011 km。

該段鐵路牽引變電所單站終期95%概率負荷約3.5萬～9.5萬kW，擬采用220 kV電壓等級接入電網。該區間地方電網十分薄弱，尤其是所經四川省康定市至西藏自治區波密縣之間近800 km規劃建設了20座牽引變電所，但目前其間僅有2座500 kV變電站可供接入，其他大部分路段僅有110 kV及以下配電網絡覆蓋，220 kV及以上主電網基本為空白[1]。

一方面由于橋隧比高、戰略地位特殊，牽引變電所供電可靠性要求較高；另一方面由于地形條件復雜，沿線新建變電站選址和輸電線路通道選擇難度又極大[2-4]。因此，該鐵路牽引變電所供電方案需統籌兼顧經濟性、供電可靠性和變電站布點受限等因素，研究改進現有接入電網技術路線的可行性。

2 現有牽引變電所接入電網技術

2.1 電氣主接線及運行方式

現有技術中鐵路牽引變電所高壓側電氣主接線結合外部電源條件確定，一般有分支接線、線路變壓器組、外橋、內橋、單母線分段等多種接線方式。

無論采用哪種電氣主接線形式，一般正常運行方式下鐵路牽引變電所每回進線均各帶1臺變壓器獨立運行，其中一臺變壓器處于工作狀態通過饋線向鐵路牽引網供電，另外一臺變壓器處于熱備用狀態。當處于工作狀態的變壓器或其進線出現故障，可通過設置的保護裝置使變壓器低壓側的斷路器分閘，將故障變壓器及進線退出運行，通過備自投裝置(或人工操作)將備用變壓器低壓側的斷路器合閘并投入工作狀態[5-9]。

2.2 接入電網方案

根據有關導則，現有技術對鐵路牽引變電所接入電網方案有如下要求[10]。

(1)鐵路牽引變電所應由2路電源供電，當任一路電源故障時，另一路電源應正常供電。

(2)鐵路牽引變電所2路電源宜取自不同電源點的2座變電站，如取自同一變電站，則應取自不同母線段且接入的變電站應至少有2路電源進線，并應同時考慮在接入的變電站擴建或檢修情況下對牽引變電所供電的影響及應采取的措施。

按照上述原則，鐵路牽引變電所接入電網的方式主要有2種：一種是2路電源均來自同一變電站不同母線，另一種是2路電源來自不同變電站。

2.3 技術局限性

采用現有鐵路牽引變電所接入電網技術存在如下局限性。

(1)對所接入變電站電氣主接線的要求

當鐵路牽引變電所接入同一座變電站時，為滿足上述導則條件要求，檢修或者擴建時牽引變電所接入母線必須不能同時停運。對于牽引變電所接入母線采用GIS(氣體絕緣金屬封閉開關設備)的，為避免母線設備擴建或檢修時全停電，電氣主接線形式為單母線的一般應采用單母線分段接線方式，為雙母線的一般應采用雙母線雙分段接線方式。

我國鐵路牽引變電所接入電網電壓等級大多采用110 kV或220 kV。目前，我國電網中變電站110 kV或220 kV母線電氣主接線一般采用單母線或雙母線接線方式。根據一般設計原則，變電站110～220 kV母線出線回路數為3～4回時，其電氣主接線采用單母線分段接線方式，而只有出線回路數為15回及以上時，其電氣主接線才會采用雙母線雙分段接線方式[11]。因此，如果一座牽引變電所2路電源來自同一已建變電站，且牽引變電所接入母線采用GIS的，為滿足上述導則條件，則要求接入母線為單母線分段接線或雙母線雙分段接線方式，這可能需要對已建變電站母線主接線進行改造。對于已建變電站，通常母線改造會影響正常供電且存在較大難度。

(2)接入電網方案的局限性

一般正常運行狀態下牽引變電所各自獨立承擔其供電分區負荷，當某牽引變電所全所停電時，可由相鄰牽引變電所向停電牽引變電所的供電分區臨時越區供電。而一旦2座相鄰牽引變電所同時停電，則將有一段供電分區無法轉供而完全失電，屆時該區段牽引機車將無法運行。因此，為避免某一供電分區完全失電，應盡量避免2座相鄰牽引變電所同時停電。

若相鄰2座鐵路牽引變電所2路電源均來自同一變電站，在該變電站發生全停故障時，這2座相鄰鐵路牽引變電所將會同時停電，從而導致一段供電分區完全失電。若意外停電后停車發生在惡劣氣象條件下或隧道中，將可能引發旅客不適或不滿而造成較大社會影響。因此，對于橋隧比較高路段，一般2座相鄰鐵路牽引變電所兩路電源不宜同時全部取自同一變電站。這就要求在某些變電站布點較少但牽引變電所布點相對較多的區域，需新建較多線路或新增變電站布點，才能滿足牽引變電所更高供電可靠性的要求。

以某地區2座變電站合理供電范圍內有3座牽引變電所為例(圖1)，為避免某一變電站發生全停故障時2座相鄰鐵路牽引變電所同時全部停電，典型接入電網方案是將牽引變電所A以兩回線路接入變電站1，牽引變電所B以兩回線路接入變電站2，牽引變電所C則分別以一回線路接入變電站1和變電站2。

圖1 2座變電站和3座牽引變電所典型方案示意

再以某地區2座變電站合理供電范圍內有4座牽引變電所為例(圖2)，為避免某一變電站發生全停故障時2座相鄰鐵路牽引變電所同時全部停電，典型接入電網方案是將牽引變電所A以兩回線路接入變電站1，牽引變電所D以兩回線路接入變電站2，牽引變電所B和C則分別以一回線路接入變電站1和變電站2，見圖2(a)；另外也可新建變電站3，牽引變電所B分別以一回線路接入變電站1和變電站3，牽引變電所C則分別以一回線路接入變電站2和變電站3，牽引變電所A和D接入電網方案保持不變，見圖2(b)。

圖2 2座變電站和4座牽引變電所典型方案示意

無論采用上述哪種方案，對于地形條件復雜、變電站站址和線路通道資源緊張的地區，牽引變電所采用接入電網新增大量線路或新增變電站布點的方案，一方面會存在選站選線難度較大的問題，另一方面其方案經濟性方面也存在需提高的空間[12-17]。

3 新型牽引變電所接入電網技術研究

基于采用現有鐵路牽引變電所接入電網技術存在的局限性，提出一種鐵路牽引變電所與變電站兩兩串聯接入電網技術[18]，其研究內容如下。

3.1 牽引變電所接入電網方案

2座變電站和2座牽引變電所采用串聯方式連接，其中，牽引變電所A至變電站1采用兩回線路連接，至牽引變電所B采用一回線路連接；牽引變電所B至變電站2采用一回線路連接，見圖3。

圖3 牽引變電所接入電網方案示意

采用兩回線路連接的變電站和牽引變電所方案選擇，可根據主電網、相關變電站和連接線路路徑通道情況和線路長度等因素，經綜合技術經濟比較后擇優確定。

3.2 牽引變電所電氣主接線

圖4中牽引變電所A電氣主接線采用雙母線接線，其中，至牽引變電所B的進線布置在至變電站1的進線中間；牽引變電所B電氣主接線采用單母線分段接線，見圖4。牽引變電所A和B電氣主接線形式的選擇，是為滿足正常情況下實現與現有技術鐵路牽引變電所接入電網方案相同的運行方式和故障情況下，2座牽引變電所電源進線切換的靈活性和可靠性。

圖4 牽引變電所電氣主接線示意

3.3 牽引變電所運行方式

正常運行方式下(圖5)，變電站1至牽引變電所A一回線路帶牽引變電所A一臺變壓器(圖中1號變壓器)獨立運行，并通過饋線向鐵路牽引網供電；變電站2至牽引變電所B一回線路帶牽引變電所B的一臺變壓器(圖5中2號變壓器)獨立運行，并通過饋線向鐵路牽引網供電。變電站1至牽引變電所A另一回線路帶牽引變電所A另一臺變壓器處于熱備用狀態，再通過牽引變電所A至牽引變電所B線路帶牽引變電所B另一臺變壓器處于熱備用狀態。正常運行方式下2座牽引變電所工作狀態與現有技術鐵路牽引變電所接入電網方案相同，均為“一主一備”(一組進線及主變主要供電，另一組進線及主變熱備用)工作方式。

圖5 正常運行方式示意

當牽引變電所A或B中各自工作變壓器或其進線出現故障，其故障處理及恢復供電方式與現有技術鐵路牽引變電所接入電網方案仍基本相同，均為通過低壓側備自投裝置(或人工操作)實現電源切換。

當發生某個變電站全停故障時，則可通過調整牽引變電所進線側母線運行方式實現供電，具體如下。

變電站1全停電時(圖6)，變電站2至牽引變電所B線路帶牽引變電所B的2號變壓器處于工作狀態，帶牽引變電所B的1號變壓器處于熱備用狀態；牽引變電所B至牽引變電所A線路帶牽引變電所A的2號變壓器處于工作狀態，帶牽引變電所A的1號變壓器處于熱備用狀態。

圖6 變電站1全停電時運行方式示意

變電站2全停電時(圖7)，變電站1至牽引變電所A一回線路帶牽引變電所A的1號變壓器處于工作狀態，變電站1至牽引變電所A另一回線路帶牽引變電所A的2號變壓器處于熱備用狀態；變電站1至牽引變電所A備用出線通過牽引變電所A至牽引變電所B的線路，再帶牽引變電所B的1號變壓器處于工作狀態，帶牽引變電所B的2號變壓器處于熱備用狀態。

圖7 變電站2全停電時運行方式示意

3.4 技術特點

(1)新技術仍然符合現有電氣化鐵路牽引變電所接入電網導則要求，其電氣主接線采用傳統電氣主接線方案，正常運行方式與現有技術相同，僅鐵路牽引變電所電源進線方案和故障情況下的操作邏輯有所變化，未明顯增加建設和運行難度。

(2)新技術可減少新建輸電線路長度或變電站布點需求，相應減少新建工程量可降低工程總體造價。對于地形條件復雜、變電站站址和線路通道資源緊張的地區，減少選站選線工作量也能顯著降低工程建設難度。

(3)新技術中2座牽引變電所由2座變電站共三回線路供電，即便其中一座變電站全停也能保證2座牽引變電所仍能同時帶電運行，大大降低了其同時全部停電的可能性，供電可靠性高于現有技術中鐵路牽引變電所接入電網方案。

(4)由于即便一座變電站全停也能保證2座牽引變電所仍能同時帶電運行，新技術中對所接入的變電站電氣主接線形式無特殊要求，避免對已建變電站母線主接線形式實施改造困難。

4 新技術應用場景

4.1 應用技術場景

提出的牽引變電所接入電網技術適用于2座變電站合理供電范圍內有2座或2座以上牽引變電所需接入電網的場景，具體如下。

(1)2座變電站合理供電范圍內有2座牽引變電所時，其方案如圖4所示。

(2)2座變電站合理供電范圍內有3座牽引變電所時，其方案如圖8所示。圖8中方式的選擇可根據主電網、相關變電站和連接線路路徑通道情況和線路長度等因素，經綜合技術經濟比較后擇優確定。

圖8 2座變電站和3座牽引變電所方案示意

(3)2座變電站合理供電范圍內有4座牽引變電所時，其方案如圖9所示。本場景下選擇不相鄰的2座牽引變電所分別與2座變電站形成變電站1-牽引變電所A-牽引變電所C-變電站2和變電站1-牽引變電所B-牽引變電所D-變電站兩組接入電網方案組合，其出發點是考慮在除發生2座變電站同時全部停電外，其他故障造成其中一組組合全部停電的極端情況下，另一組組合仍可正常供電，避免2座相鄰牽引變電所同時停電時，導致一段供電分區無法轉供而完全失電的情景發生，進一步提高供電可靠性。

圖9 2座變電站和4座牽引變電所方案示意

2座變電站合理供電范圍內有5座或以上牽引變電所的場景較為罕見，也可參照上述場景酌情使用研究提出的接入電網方案，不再一一列舉。

4.2 應用工程場景

對于電氣化鐵路沿線地方電網薄弱、除牽引變電所供電需求外無主電網延伸覆蓋需求的地區，新技術可明顯減少新建輸電線路長度或變電站布點，有顯著的推廣價值。以新建某高原鐵路為例，所經四川省康定縣至西藏自治區波密縣之間近800 km路段，目前僅有2座500 kV變電站可供牽引變電所接入，其他大部分路段僅有110 kV及以下配電網絡覆蓋且基本滿足地方供電需求，新建主電網主要是為滿足牽引變電所供電需要。根據初步接入系統方案研究成果，采用新技術較現有技術可減少220 kV變電站2座，減少220 kV接入電網線路約340 km，節約工程投資約10.3億元，經濟效益明顯，同時也降低了工程選站選線的難度；此外還完全避免發生1座變電站故障造成連續2座牽引變電所同時停電的風險，大大提高鐵路供電可靠性[19-20]。

規劃建設的川藏、青藏、新藏、滇藏及西藏內部鐵路所經西藏自治區及其鄰近的四川、青海、新疆和云南交界地區電網結構薄弱，也需新建220 kV以上主電網滿足牽引變電所供電需要，均適用于本文提出的新技術。

5 結論與建議

(1)提出一種新型鐵路牽引變電所接入電網技術。新技術提出2座變電站和2座牽引變電所采用串聯方式連接，同時明確了牽引變電所的電氣主接線和運行方式。新技術中牽引變電所正常運行方式仍與現有技術相同，僅電源進線方案和故障情況下的操作邏輯有所變化。

(2)新技術可明顯提高復雜高原鐵路牽引變電所供電可靠性，減少變電站布點及接入電網線路長度，降低工程投資，還可避免對已建變電站母線主接線形式進行改造的實施困難問題。新技術適用于2座變電站合理供電范圍內有2座或2座以上牽引變電所接入電網的場景。對于電氣化鐵路沿線地方電網薄弱地區，新技術有十分顯著的推廣價值。

(3)建議鐵路及電力部門對鐵路牽引變電所本體設計方案及運行方式等方面進行深入研究，并適時開展新技術應用試點，制定相關設計和運行規范，以便下一步在適宜地區的鐵路牽引變電所接入電網工程中推廣應用。