浅谈高铁牵引变电系统设备的优化设计与研究

随着社会的快速发展, 未来要建设的高速铁路项目越来越多。高速铁路因为速度快、负荷大、可靠性要求高, 所以对牵引变电系统提出了更高的要求。在普速铁路和现已开通的高速铁路的牵引变电系统一次设备的运行状况调查分析基础上, 根据实践中总结的经验, 对高速铁路一次设备进行优化设计, 成为高铁设计者必然面对的难题。优化设计后既可以提高性价比又降低了故障的概率, 为今后高铁牵引变电系统的设计及改造提供参考。

　　1 高速铁路牵引变电系统的特点和对一次设备的基本要求

　　1 . 1 高速铁路牵引变电系统的特点

　　( 1)速度快,空气阻力大。高速铁路的试验速度已经超5 0 0 k m / h , 最高运行时速300km。

　　( 2 ) 客运量大,供电距离长,且具有明显的时段特征。高速列车负载率高,受电时间长。要求电力机车牵引功率大,牵引供电系统应具有对各种集中负荷供电的能力。

　　( 3 ) 可靠性要求高。要求供电系统供电质量和接触网受流质量高。高铁牵引负荷是国家电力系统的I级负荷,它应有独立的双回路电源供电, 且采用互不影响的两回2 2 0 kV及以上(普铁一般为1 1 0 k V)电源供电。

　　1 . 2 高速铁路对一次设备的基本要求

　　一次设备是高铁牵引变电系统的主体,设备故障会造成严重后果,在对一次设备进行设计和选择时,应满足运行可靠、工作灵活的要求,同时还必须考虑经济条件。

　　( 1 )应能可靠地在规定的工作电压及电流下工作, 应有足够的绝缘强度和载流能力。

　　( 2 )用于切断载流电路的开关设备,应具有足够的熄灭电弧的能力。

　　( 3 )对电路运行状态进行监视、测量的电器元件(如电压、电流互感器)应能满足测量精度的要求; 还应在高电压或大电流的作用下不至于饱和。

　　2 高铁牵引变压器的优化设计

　　2 . 1 高铁牵引变压器接线方式的优化

　　2 . 1 . 1 普铁牵引变压器的接线方式现状分析

　　目前普铁牵引变压器的主要接线型式有YN,d 1 1三相接线,优点为变压器结构相对简单,因中性点接地,因此变压器造价较低,供电安全可靠性好;主要缺点是变压器的容量不能充分利用, 输出容量只能达到其额定容量的7 5 . 6%。

　　单相接线变压器主要优点是容量利用率为1 0 0%,且变电所的主接线简单、设备少、占地面积小、投资少, 缺点是在三相系统形成较大的负序电流。

　　V ,V接线变压器的优点是容量利用率为1 0 0%,而且可以供给所内及地区三相负荷,对牵引网还可实行双边供电,对系统的负序影响减小; 缺点是当一台牵引变压器故障时,另一台进行跨相供电,即兼供左右两臂的牵引网负荷,需要一个倒闸过程,在此倒闸过程完成前, 故障变压器原来供电的牵引负荷将中断供电。

　　斯科特( S c o t t )接线方式变压器优点为当M座和T座两供电臂电流相等,且功率因数相同时,原边三相电流对称,变压器容量能全部利用; 缺点是斯科特接线变压器制造难度大,绕组需按全绝缘设计,变压器造价较高。

　　2 . 1 . 2 高铁牵引变压器接线方式的优化

　　为提高高铁牵引变电系统的可靠性同时提高变压器容量的利用率, 改善牵引变电所对电力系统的负序影响, 高铁牵引变压器接线方式在普铁牵引变压器接线方式基础上进行了改进。目前高铁上采用的牵引变压器接线形式主要有以下三种类型:V/V型接线、V/X接线、纯单相接线。V/V型接线在直供方式大量采用, V / X接线和纯单相接线在AT供电方式采用。因高铁目前的发展趋势是采用AT供电方式,纯单相接线又存在负序电流较大的问题, 所以推荐的优化方案是:接线方式采用V/X接线。其接线特点为原边绕组作V形连接,接三相电力系统的AB和BC相;副边绕组各引出中间接地点,为X的中心点, 接钢轨, T绕组连接接触网, F绕组连接正馈线。两台纯单相变压器组成的V/X接线如图1所示。在高铁牵引变电所设置四台单相牵引变压器( 普铁只设置两台变压器) ,为固定备用方式, 两台运行,两台固定备用。

　　2 . 2 高铁牵引变压器的选型

　　根据现有高铁牵引变电所运行经验,推荐采用220kV/2×27.5kV的油浸自冷式变压器。主变压器油箱采用钟罩式结构,充以2 5号变压器油,每相油箱上有2只压力释放阀、1 只水银温度计、2套油面温度控制器,采用油浸自冷式结构,预留风冷风机接口,储油柜采用波纹式储油柜,波纹管连接。高压采用带电动操作机构的无励磁调压分接开关。每相油箱上装铁心接地套管,接地线经支撑绝缘子引至油箱下部的接地标志处, 以便于变压器铁心可靠接地及测量对地电流。投入运行时,压力释放阀处于开启状态。

　　3 互感器的优化设计

　　3 . 1 电流互感器的优化

　　高铁牵引变电所2 2 0 k V侧推荐采用油浸式电流互感器。器身由一次绕组和二次绕组组成,一次绕组为“U”形,一次导线为两瓣半圆铝管。主绝缘为电容式油纸绝缘,用高压电缆纸包绕在一次绕组上, 其间设若干个电容屏,内屏接高电位,外屏接地。一次绕组分为两段,共四个出头,均由储油柜引出, 通过改变储油柜外部连接片的接线方式来改变电流比。二次绕组组合在一起后固定在一次绕组下部的支架上。所用的变压器油经充分脱气脱水处理后在真空的状态下注入。这种互感器为全密封结构,顶部装有不锈钢制成的叠形波纹式膨胀器,使之内部与空气隔离,防止其内部的变压器油受潮,运行中应保密封完好。膨胀器由排气嘴、阀芯、注油嘴、油位指针、叠形波纹管等组成。油位指针与膨胀器内油位同步升降, 从外壳视察窗上可清晰观察到油位的变化情况。

　　3 . 2 电压互感器的优化

　　高铁牵引变电所220kV侧推荐采用电容式电压互感器。该互感器为组合式单柱结构,由电容分压器及电磁单元部分组成。电容分压器由几台耦合电容器串联叠装组成;电磁场单元装置由中间变压器、补偿电抗器、速饱和阻尼器组成,共同装在一个油箱内。

　　4 高压开关设备的优化设计

　　4 . 1 2 2 0 k V 侧断路器的优化220kV侧推荐采用SF6断路器。由于SF6气体化学性能稳定、不易电离,灭弧和绝缘能力强,使SF6断路器具有开断力强且允许连续开断多次、检修周期长、维护方便、费用低等优点,高铁中大都用于一次侧。这种断路器的优点是S F 6气体兼用作灭弧和绝缘介质。S F 6气体在吹弧过程中不排向大气, 而是循环使用。

　　4 . 2 2 7 . 5 k V 侧开关设备优化27.5kV侧开关设备推荐采用GIS开关柜代替传统的分散元件。G IS开关柜具有免维护、可靠性高、小型化、布置简单、美观,集成程度高、安装施工简单方便、节省房屋面积和占地面积等优点,牵引变电所2 7 . 5 kV配电设备通常采用集断路器、隔离开关、互感器、避雷器、连接母线为一体的G IS开关柜。

　　隔离开关的优化: 需要改变运行方式的开关采用电动隔离开关, 需要当地检修操作采用的隔离开关采用手动隔离开关。

　　5 其他辅助一次设备的优化设计

　　5 . 1 输电线路的优化

　　牵引变电所2×27.5kV和1×27.5kVSF6气体绝缘开关柜的引进、引出线和至接触网开关的上网供电线推荐采用电缆线, 其它供电线采用架空线。电缆线主要采用铜芯、交联聚乙烯绝缘电缆。国内牵引变电所标称电压为2 7 . 5 kV,且根据系统不同及电网的波动情况,最高电压可达到3 1 . 5 k V。所以根据国内的牵引供电系统的特点, 确定电缆电压为2 7 . 5 k V。

　　5 . 2 不设无功补偿, 预留滤波装置的场地

　　高铁电动车组负荷特性表现为功率因数高, 无需在各高铁牵引变电所内设置无功补偿装置。动车组谐波的含有率总体水平比交直传动大大降低, 频谱比交直传动机车宽,可能会产生谐振,为系统稳定性和安全起见, 推荐按预留滤波场地设计。

　　6 结语

　　随着我国高速铁路开通线路的逐渐增多, 对于高铁牵引变电系统一次设备的运行维护经验也越来越丰富, 根据现有的实践经验对高速铁路的牵引变电系统一次设备进行优化设计, 提高设备可靠性降低故障率是完全可行的。相信不久的将来,我国高速铁路技术将会不断提高,走出国门,促进国内和世界经济的提速和发展。