高速铁路牵引变电所特点分析

高速铁路牵引变电所特点分析

王生旭

中铁电气化局集团第一工程有限公司北京100000

摘要:文章从电气化铁路牵引供电系统的供电方式、进线电压、变压器结构形式、主接线结构形式、供电方式等方面进行分析，以确保供电的连续性、可靠性、安全性。

关键词:牵引变电所；高速铁路；结构形式；特点

牵引变电所为电气化铁路提供电力能源，基于高速电气化铁路车速高、负荷重等特征，高速电气化铁路的牵引变电所在结构、设备、技术等方面均有新的突破，

一电气化铁路牵引供电系统的供电方式

目前我国电气化铁路牵引供电系统的供电方式有四种，即直接供电方式、供电方式、带回流线的直接供电方式、AT供电方式。

1直接供电方式

虽然有结构简单，设备少，造价低，施工及运营维修方便等优点。但接触网对邻近通信线路干扰较大，所以一般不采用。

2BT供电方式

在牵引供电系统中加装吸流变压器和回流线，减轻了接触网对邻近通信线路的干扰。但接触线在吸流变接入处须设置电分段，电力机车通过时，易产生电弧，影响列车运行的安全和速度，当高速大功率机车通过时电分段时产生很大电弧，极易烧损机车受电弓和接触线，供电可靠性较低。且BT供电方式的牵引网阻抗较大，造成较大的电压和电能损失，故已很小采用。

3带回流线的直接供电方式

在接触网同高度的外侧增设了一条回流线，减轻了接触网对邻近通信线路的干扰。这种规定方式的特点是：结构简单，投资和维护量小；供电可靠性高；牵引网阻抗比直供和BT方式都小，能耗较低，供电距离增长；防干扰效果强于直供不如BT供电方式。

4AT供电方式

优点是：

（1）、供电电压高。AT供电方式无需提高牵引网的绝缘水平即可将牵引网的电压提高一倍。线路电流为负载电流的一半，所以线路上的电压损失和电能损失大大减小。（2）防干扰效果好。（3）牵引变电所间距大、数量少。由于AT供电方式的输送电压高、线路电流小、电压损失和电能损失都小，输送功率大，所以牵引变电所的距离加大为80～120km，而BT供电方式牵引变电所的间距为30～60km，因此牵引变电所的距离大大减少，同时运营管理人员也相应减少，建设投资和运营成本都会减少。（4）适应高速大功率电力机车运行。因AT供电方式的供电电压高、线路电流小、阻抗小(仅为BT供电方式的1/4左右)、输出功率大，使接触网有较好的电压水平，能适应高速大功率电力机车运行的要求。另外，与BT供电相比，减少了电分相和电分段，提高了列车运行的安全和速度，提高了规定的可靠性。虽然它有接触网结构复杂，供电设施较多，建设投资大，运营维护难度较大等缺点，但由于它的众多优点，我国高铁还是首选AT供电方式。

二进线电源电压的选择

目前，在建和运营的高速铁路牵引变电所均采用超高压送电，即以220kV电压(个别变电所采用了330kV)2路电源向牵引变电所送电。这种超高压送电方式与我国常速电气化铁路一贯采取的110kV供电完全不同。

1超高压送电有利于提高送电能力

导线发热、电压损耗、功率和能量损耗、稳定破坏都是限制输电网送电能力的重要因素，也都是由电流引起。在相同输送功率的前提下，输电电压愈高，电流就愈小。显然，当放弃110kV供电而采用220kV时，电流将会减少一半，有利于降低线路电压损耗，有利于保证牵引供电系统的电压水平，有利于改善送电质量。

2高压送电有利于增强负序承受能力

单相牵引负荷在系统中产生负序电流。在高速下，牵引负荷更大且更加不平衡，在系统中产生的负序电流会更加严重，负序电压值也会更大。与110kV侧相比，220kV侧以前的各支路(电厂、负荷)更多，使牵引负荷距离小容量发电机更远，从而将负序电流进行更多支路的分流，减小了敏感支路中的电流，有效抑制负序电流影响。因此，高速铁路牵引变电所电源电压采用220kV，具有技术性能好、电力网的综合技术经济指标高的优点。

三牵引变压器类型与接线形式的选择

高铁牵引变电所中，变压器的接线形式为V/X接线。V/X接线牵引变压器的设计和制造方面比斯科特、十字交叉接线都要简单，V/X接线牵引变压器可以选择两种形式，即单台V/X接线三相变压器和两台纯单相变压器组成V/X接线，在高速铁路牵引负荷大的情况下，单台V/X接线的三相变压器安装容量大，制造和运输均困难，所以普遍采用两台纯单相变压器组成V/X接线。这样，在牵引变电所中共需要4台单相变压器，它们都是各自具有独立磁路、电路、油箱和散热组件的单相变压器，每2台组合构成1组，分别称为I座、II座。每台变压器的高压侧有一个绕组，工作在220kV电压下;低压侧有两个参数相同的串联绕组，每个绕组输出额定电压27．5kV，N端(N1、N2)架空输出到线路后接钢轨，T(T1、T2)和F(F1、F2)架空输出到接触网后分别与接触导线、正馈线相连，由此形成了2×25kV(AT)供电方式;牵引变电所不需要在馈线输出端设置自耦变压器(AT)。此接线方式具有纯单相变压器的大部分优点，如容量利用率高、能耗低，并且在超大容量时不会给变电所设计带来困难。

四电气主接线结构的选择

1牵引变压器高压侧的特殊接线

在高速铁路牵引变电所中，高压侧(220kV侧)接线形式绝大部分采用了线路变压器组接线，其与常速铁路牵引变电所中的分支接线的区别在于取消了横向跨条，两路进线电源和两座变压器相互独立。根据电力系统的要求，两路进线电源不能并联运行，两台牵引变压器高、低压侧也不能并联运行，因此在线路变压器组接线情况下，其运行方式仅有两种:“1号电源1号变”和“2号电源2号变”。与分支接线相比较，线路变压器组接线的优点在于:结构简单，设备投资少，运行模式少，倒闸作业简单，备用电源自投和备用主变自投逻辑简单。但由于任意一路电源或者一台主变故障(检修)时，将造成本侧系统不能投入，使运行可靠性下降。鉴于高速铁路采用夜间停运检修模式，这种缺陷将不再重要。

2无备用馈线断路器的馈线侧接线形式

作为高速铁路的一个普通的区间变电所，一般设置4条馈线，分别为复线线路的上下行方向接触网供电。与常速铁路牵引变电所相比，每条馈线仅设一台馈线断路器，不专门设置备用的馈线断路器，相邻馈线的馈线断路器互为备用。馈线断路器正常时，相邻两条馈线的并联隔离开关都处于分闸状态。若一台馈线断路器需退出检修时，则闭合相邻两条馈线之间的并联隔离开关，由相邻馈线的馈线断路器对两条馈线实施供电。在断路器质量稳定可靠以及高速铁路夜间停电检修模式的前提下，该接线形式使馈线侧接线简单，操作方便。

五牵引变电所集中接地

高速铁路短路电流大，牵引变电所采用“独立接地”已无法满足故障时人身及设备安全要求。牵引变电所接地必须纳入综合接地系统，并对短路故障时地电位进行校核。牵引变电所中设置集中接地箱，将牵引变压器的N端、电压互感器的接地端、接触网上的PW线、钢轨等汇流接地网。5全并联AT供电方式

在复线AT供电方式的基础上，将上下行牵引网的接触线(T)、钢轨(R)和正馈线(F)在变电所出线处及AT处通过横联线并联起来，称为全并联AT供电方式。这种方式在高速铁路牵引供电系统中得到广泛应用。

全并联AT供电方式与不并联的AT供电方式相比，减小牵引网单位长度阻抗，减少电压损失和增强供电能力，在相同的负载条件下可以减少大约10%的牵引网电力损失。同时，由于在每一AT站都进行了并联，负荷电流在上下行牵引网进行了均分，使得线路运行更加均衡，大大提高了供电的可靠性带负载能力，减少了对周围通讯的干扰。

参考文献：

[1]李学武．哈大线牵引变电所新技术探讨［J］．郑州铁路职业技术学院学报，2004，16(1):51－56．

[2]彭晨．高速铁路AT牵引供电系统的保护配置与整定［D］．西南交通大学，2009．

[3]谭秀炳.交流电气化铁道牵引供电系统[M].成都：西南交通大学出版社，2006.