高速铁路纯单相接线GIS设备容量不够问题研究

■ 汪自成

汪自成：中铁第四勘察设计院集团有限公司，工程师，湖北 武汉，430063

摄影 胡山 董海伟

目前我国高速铁路牵引供电系统的牵引变电所有两种主接线型式：一种是由2台纯单相变压器组成三相V/X接线型式，另一种为纯单相（I/I）接线型式。两种接线型式各有优缺点：三相V/X接线型式优点是可减小电气化铁路对电力系统电能质量的影响、降低变电所内各种设备容量、便于施工和维护，缺点是增加牵引供电系统正常运行的电分相数量、扩大牵引变压器安装容量；纯单相接线型式优点是牵引变电所结构简单、一次侧设备数量少、容量利用率高，在正常条件下可减少接触网电分相数量，缺点是加大了电气化铁路对电力系统电能质量的影响，增加了牵引变电所设计的设备选型难度。

1 高速铁路纯单相接线存在的问题

我国高速铁路的特点为列车功率大（速度350 km/h动车组功率高达17 600 kW或更高）、行车密度越来越高（最小行车间隔已达3 min）、列车运行带电概率高。为满足高速铁路牵引供电要求，每座牵引变电所必需提供高达120～180 MVA负荷[1]。

牵引变电所主接线采用纯单相接线型式：牵引变压器安装容量高达2×75～2×120 MVA，牵引变电所2×27.5 kV侧断路器、开关设备容量需达到2.4～3.6 kA。若取消牵引变压器二次侧出口处AT变，牵引变电所2×27.5 kV侧断路器、开关设备容量则高达2.8～4.0 kA[2]。

目前用于电气化铁路成型的2×27.5 kV GIS开关柜设备额定容量均在31.5 kA以下，2×27.5 kV GIS开关柜只能插接不多于4根截面积最大不超过400 mm2电缆插拔头，这些都不满足纯单相接线牵引变压器电流要求。

2 纯单相接线GIS设备容量不够问题解决方案

解决高速铁路牵引变电所纯单相接线2×27.5 kV母线进线GIS开关柜容量不够问题，主要有2种途径。（1）研发大容量2×27.5 kV GIS开关柜，以适应高速铁路牵引变电所纯单相接线时牵引变压器2×27.5 kV侧大电流需要；（2）通过系统设计改变牵引变电所低压侧接线方式或设备运行方式，以满足高速铁路牵引供电系统2×27.5 kV母线进线侧大电流需要。

在现有成型设备产品前提下，从牵引供电系统设计角度寻求解决方案，针对高速铁路牵引供电系统2×27.5 kV母线进线开关柜容量不够问题提出3种解决方案。

（1）第一种解决方案：2×27.5 kV母线不分段，进线GIS开关柜并联方案（见图1）。在原纯单相接线牵引变电所接线方式的基础上，增加一台GIS开关柜，与2×27.5 kV母线进线GIS开关柜并联，以解决单台GIS容量不够和进线电缆数量问题。

（2）第二种解决方案：2×27.5 kV母线不分段，取消母线进线断路器方案（见图2）。在原纯单相接线牵引变电所接线方式的基础上，取消2×27.5 kV母线进线GIS开关柜的断路器，同时取消母线进线相应保护。

（3）第三种解决方案：2×27.5 kV母线分段，进线GIS开关柜分共方案（见图3）。在第一种方案基础上进行优化改进，使纯单相牵引变电所2×27.5 kV部分与三相V/X接线一致，左右臂母线进行GIS开关柜共同接引牵引变压器同一出线端子。

上述3种解决方案均能满足牵引供电系统要求，但各有优缺点。

图1 2×27.5 kV母线不分段，进线GIS开关柜并联方案

图2 2×27.5 kV母线不分段，取消母线进线断路器方案

图3 2×27.5 kV母线分段，进线GIS开关柜分共方案

第一种解决方案：优点是主接线直观、简单，不需要调整进线GIS开关柜内部结构及设备参数；缺点是当牵引变电所进行牵引变压器差动保护、过流保护及馈线后备保护动作，都需同时启动2台2×27.5 kV母线进线断路器，2台断路器必须同步动作，不然容易烧毁后动作的断路器[3]，特别是在馈线后备保护启动条件下，变电所近端短路电流非常大，2台2×27.5 kV母线进线断路器，动作不同步极易烧毁后启动的断路器。

第二种解决方案：优点是主接线直观、简单，取消2×27.5 kV母线进线断路器后节省投资；缺点是需要调整进线GIS开关柜内部结构及参数（取消断路器、增大开关容量），过流保护及馈线后备保护动作只能使牵引变压器220 kV侧断路器跳闸。比较而言，对馈线后备保护少一级，增加了牵引变压器倒闸次数和对电力系统的影响。

第三种解决方案：具有第一种解决方案的优点，同时弥补了馈线后备保护2台断路器启动不同步易烧毁后启动断路器的缺陷；缺点是当牵引变电所进行牵引变压器差动保护和过流保护动作，都需同时启动2台2×27.5 kV母线进线断路器，2台断路器必须同步动作，不然容易烧毁后动作的断路器。不过牵引变压器差动保护和过流保护动作时，对于2×27.5 kV进线断路器中流过的电流相比短路电流较小，即使两断路器同步性较差，时间有差异，也不会影响设备运行。

3 结论

经过对2×27.5 kV母线进线开关柜断路器容量不满足高速铁路纯单相接线方式2×27.5 kV母线进线电流要求的解决方案分析，结论如下：（1）在兼顾现有成型开关柜设备、各种保护配置及工程实施性前提下，高速铁路采用纯单相接线方式宜采用第三种方案解决2×27.5 kV母线进线开关柜断路器容量不够问题。这与牵引变电所为外部电源预留三相V/X接线条件一致，将来采用三相V/X接线时，2×27.5 kV侧均不需改动。（2）在得到电力系统允许牵引变压器220 kV侧断路器作为牵引变压器过流保护、馈线后备保护前提下，第二种解决方案也是可行的，且节省投资。（3）第一种解决方案由于要求并联运行的2台断路器动作同步性较高，不宜采用。若牵引变电所馈线近端短路电流较小，也可采用第一种方案。

[1]汪自成. 高速铁路牵引变压器接线分析[J]. 电铁信息网讯，2004（3）

[2]中铁第四勘察设计院集团有限公司. 新建铁路武汉至广州客运专线乌龙泉至韶关段修改初步设计电气化文件[R]，2007

[3]贺威俊，简克良. 电气化铁道供变电工程[M]. 北京：中国铁道出版社，1996