高速铁路开关设备选型问题研究

高中杰，涂大石

（1 中铁工程设计咨询集团有限公司 太原设计院，山西太原030013；2 华电高科（北京）电气有限公司，北京100192）

高速铁路开关设备选型问题研究

高中杰1，涂大石2

（1 中铁工程设计咨询集团有限公司 太原设计院，山西太原030013；2 华电高科（北京）电气有限公司，北京100192）

我国电气化铁路牵引供电的基本要求是：200 km/h及以下采用户内空气绝缘开关设备（27.5 k V单相单极居多），200～250 km/h采用户外敞开式开关设备（2×27.5 k V和55 k V单相双极居多），250 km/h以上采用户内气体绝缘开关设备（2×27.5 k V单相双极居多）。伴随着高速铁路的快速发展，标准中规定使用的电气化铁道开关设备存在的问题也逐渐暴露出来。

铁路；电气化；开关设备；铠装金属封闭；气体绝缘；选型

高速铁路的牵引供电系统比普通的电气化铁路牵引供电有一定的特殊性。可靠性高，负载电流大（单馈线也要2 500 A以上），一般采用瞬间启动电流更大（4 000 A，20 min）的AT供电方式。现在高速铁路设计标准规定：宜选用SF6气体绝缘柜（箱式气体绝缘金属封闭开关设备，英文简称C－GIS，现GB 3906标准中称为“充流体的金属封闭开关设备”）。这种“最贵”的方式能否达到＂最安全＂的目的却是值得探讨的了。本文就高速铁路27.5 k V开关设备的选型问题阐述观点。

1 金属封闭开关设备的分类

除进出线外，完全被金属外壳封闭的开关设备称为金属封闭开关设备。

GB 3906－1991年对金属封闭开关设备和控制设备进行了如下分类，虽然GB 3906－2006年版中不再要求按1991年版分类，而是按供电连续性和隔板类型（金属或非金属）进行分类。考虑到多年的习惯、分类的严谨性，高压开关标委会决定仍按1991年版的要求分类。

金属封闭开关设备按使用地点分为户外式与户内式，由于户外式环境条件影响其安全性，使用很少。户内式居绝大多数。

金属封闭开关设备按主绝缘方式分为空气式、充流体式（俗称为＂充气柜＂、箱式气体绝缘组合电器（CGIS））、固体绝缘式。

1.1 按内部结构分

（1）铠装式金属封闭开关设备

某些组成部件（如主开关、电缆、母线）分别装在接地的、用金属隔板隔开的隔室中的金属封闭开关设备；

（2）间隔式金属封闭开关设备（具有非金属隔板的）

与铠装式金属封闭开关设备一样，某些元件也分别装在单独的隔室内，但具有一个或多个非金属隔板。隔板的防护等级应符合GB 11022中6.12的规定；

（3）箱式金属封闭开关设备

除铠装式、间隔式以外的金属封闭开关设备。金属外壳具有以下特征：

①间隔的数目少于铠装式和间隔式金属封闭开关设备；

②隔板的防护等级底于GB 11022中6.12的规定（IP2X）；

③没有隔板。

1.2 金属封闭开关设备按开关元件的安装方式分

（1）固定式

开关元件固定安装在柜内，用母线把各个元件连接起来，构成一个完整的导电电路。这种结构的优点是安全可靠，承载电流大。缺点是检修不便、体积大、造价高、操作不便。

（2）移开式

开关元件不固定安装在柜内，可以在柜内移动甚至移出，可以形成工作位置、试验位置、移开位置。这种结构的优点是检修方便、体积小、造价低、操作方便。缺点是安全性差、承载电流小、可视性差。开关设备代号见图1所示。

2 户外布置方式

200～250 km/h（包括重载铁路）的电气化铁路开关设备我国采用户外布置方式。经常采用的开关设备分为敞开式和SF6气体绝缘全封闭组合式（GIS）两种。近年来也有一种介于两者之间的结构方式——复合电器（H·GIS），近年出现的半组合电器（PASS）也属此类。

2.1 基本概念及其特点

敞开电器（AIS）：断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器、电压互感器、避雷器等设备都是独立的，在现场单独安装，再用导线连接起来，构成各种电能传输电路。

气体绝缘组合开关电器（GIS）：断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、母线等设备都组合在一个充有SF6气体的容器内，构成各种电能传输电路。

复合电器（H·GIS）：罐式SF6断路器（TGCB）、隔离开关（DS）、接地开关（ES）、快速接地开关（FES）、电流互感器（CT）、电压互感器（PT）、避雷器等设备组合在一个充有SF6气体的容器内，再与架空母线、出线配合使用。其与GIS的区别就是母线没有一同封闭在一起。

以上所述各种组合电器都是密封在圆筒式的金属壳内，可以承受较大的内部或外部气压，以便更换气体。

AIS、GIS、H·GIS、PASS性能比较见表1。

2.2 常见主接线方式

我国户外牵引站27.5 k V侧大多采用AIS方式。

该接线方式2×27.5 k V出线断路器侧采用50%备用，两侧都设计有隔离开关。但2×27.5 k V进线断路器只在出线端设计了隔离开关，进线侧没有设计隔离开关，断路器与变压器须同时停电检修，这对运行没有太大影响。

2.3 存在的主要问题

户外布置方式的主要优点是节省房屋建筑费用，但是，随着土地费用的上涨，这一优点并不是普遍存在。相反，有时占地面积增加的费用远远超过了房屋建筑费用，尤其在城市人口密集区以及艰险山区（土地平整费用过高）。这种户外布置方式的主要缺点如下：

（1）户外高压设备外绝缘性能受环境影响很大，尤其重度雾霾会直接降低其绝缘性能，造成闪络击穿事故；

（2）户外温度过低（－15℃以下），各种零部件配合间隙都要发生变化，润滑脂的黏度也要变高，这不但会影响合、分闸的速度，还会造成开关拒分、拒合，使事故影响扩大；

（3）受风沙日照的影响，各零部件、绝缘件都要加速锈蚀和老化，这对安全运行极为不利；

（4）在风、雨、雪、雾天气，人员操作、巡视和检修都不安全；

（5）27.5 k V侧开关设备占地面积是户内方案的2～3倍；

（6）27.5 k V侧开关设备造价是户内方案的2～3倍。

3 户内布置方式

3.1 气体绝缘金属封闭开关设备

高速铁路设计规范要求：宜使用气体绝缘金属封闭开关设备。其全称应该是箱型SF6气体绝缘固定式金属封闭开关设备，一般型号为XGN□－27.5（或2× 27.5）。按新标准应该称为“充流体式金属封闭开关设备”（简称C－GIS，或“充气柜”）。本文仅限于讨论充SF6气体的方式，不含充其他气体和液体以及固体绝缘的方式。高速铁路大多数为2×27.5 k V单相双极的AT供电方式，常见的开关柜结构方式见图2。

3.2 主接线方案

250 km/h以上的高速铁路牵引变电站主接线方案基本有以下特点（参见图4）。

（1）出线侧无备用回路；

（2）在开关柜内，断路器只在母线侧设计有隔离开关，出线侧没有隔离开关；

（3）进出线全部采用电缆；

（4）在出线线路上设计隔离开关、联络隔离开关。

当某个出线断路器故障退出运行，同一方向供电的另一台断路器通过联络隔离开关同时向相反方向线路供电。

3.3 充气柜的优点

（1）绝缘性能不受周围环境的影响，绝缘稳定性有了提高；

（2）体积小，运输方便；

（3）柜体本身占地面积小；

（4）各种操作都实现了电动操作，自动化程度高。

3.4 充气柜存在的问题

这种充气柜的一些优点是有前提条件的，在一般场合优点并不突出。

（1）在恶劣环境条件下（高原地区、环境污染严重地区、高盐雾环境（如钻井平台）），使用空气绝缘柜不够安全，充气柜的优势才能体现出来。否则就没优势，甚至浪费。

（2）体积小，但整体占用面积却不一定小。

①由于每个单元回路只在母线与断路器之间设有隔离开关，断路器与电缆之间无法设计隔离开关，只能在户外再设计柱上安装的隔离开关、接地开关；

②有些检修、巡视需要在柜后进行，柜后距墙要留出1 000 mm以上的检修通道，占地面积加大；

③由于无法设计成上架空出线方式，只能下电缆出线方式。而电气化铁路绝大多数都要求架空出线直接与接触网相连，所以只能用电缆过渡到杆上再架空引出，增加了设备和占地面积；

④为了电缆进出，需要设计与配电室同面积的电缆夹层。

以上这些原因使得最终占地面积并没有减小，反而增加。

（3）一旦发生事故，却又很难及时检修、更换。例如，PT放电这样的小事故都很难不停电处理。

（4）箱式组合电器（C－GIS）不同于常规的筒式组合电器（GIS），其承受的大气压力非常有限，一般不能在常压下更换气体，只能在真空房内进行。这就埋下了巨大的安全隐患——无法现场检修！而筒式组合电器（GIS）可以承受较大的大气压力，可以在现场更换绝缘气体、检修，两者有很大的区别。

（5）不能排除气体泄露的可能性，隐患还是存在的。

（6）运行方式不够灵活，没有备用断路器。

（7）造价达到空气绝缘柜的2～3倍。

3.5 现场实际使用情况

京广高铁新乡供电段管段，在半年时间里，发生各种机械故障多起（见表2）。故障类型主要是机电结合元件（如各种微动开关）抗振动能力不足，发生移位，不能准确动作；在活动密封处发生SF6气体泄漏，气压下降，绝缘强度不足，而且随着操作次数的累计增加，事故越加频繁。

分析这些故障发现主要是设计问题。

（1）所选用的微动开关并不是高重复精度的产品，而是普通桥式微动开关，即使本身没有发生位移，其触点的动作位置也要变化，造成定位不准。如联锁其他电路，则会发生拒分、拒合事故。隔离开关动、静触头啮合量精度一般在±5 mm，折算到微动开关侧则只有±0.2 mm，则微动开关的重复动作精度必须在±0.1 mm以下，而且固定还要绝对牢固。

（2）三工位隔离开关的动触臂采用绝缘丝杠驱动，把旋转运动变成直线运动驱动触臂摆动。由于隔离开关每天至少要动作一次，换算成丝杠旋转的圈数就要达到200多圈。丝杠的原动端在大气环境下，被动端在SF6压力气体室内，中间靠普通橡胶圈密封（见图3）。密封圈磨损后密封性能下降，必然漏气。另外，在回收气体时都要抽真空，密封处要承受一个大气压力，也容易漏气，降低气体浓度。

（3）在检修前都要回收气体抽真空，箱体外壳要承受一个大气压力。这对于筒式结构来讲没什么危害，但对箱式柜来讲影响很大：会造成箱体变形。继而产生密封不严、传动受阻、定位不准等事故。

3.6 对行车的影响

2012年11月26日卫辉变电所211柜SF6气体发生泄漏，闭锁启动，退出运行。暂由212柜通过线路隔离开关带211供电的下行线。这时段内如果发生事故跳闸，则会造成该方向行车完全中断。

根据这次事故说明气体绝缘金属封闭开关设备在外绝缘方面的确比较可靠，但是一旦出现事故处理起来却十分麻烦，恢复时间很长，运行维护人员很难自行处理。

4 电气化铁道开关设备的发展方向

开关设备的外绝缘受环境影响很大，但在平原地区这一问题并不突出，尤其这些年来采取了很多加强绝缘的方式：

（1）增加了爬电距离，达到20 mm/k V。

（2）有的绝缘件开始使用憎水性很强的硅橡胶作为与空气的接触层，抗凝露能力大有提高；

（3）安全距离由300 mm增大到360 mm，这对绝缘安全极为有利；

（4）充分采用有限元分析方法，在设计初期就对电场较强的地方进行完善设计，使得产品发生放电的几率大幅降低；

（5）温湿度控制装置已普遍使用，这对防凝露也有很大益处。

我国电气化铁道开关设备在设计选型方面有些不合理，应该从最低端的网栅式向箱式开关柜、金属间隔式开关柜、铠装式开关柜、气体绝缘开关柜逐步发展。而实际情况是大量使用网栅式（目前还在使用），少量使用箱型移开式，高速铁路直接使用气体绝缘式的。没有大量使用性价比最高的铠装柜，这与电力行业的使用情况正好相反。由于电力行业的开关柜用量极大，具有丰富的运行经验：在一般场合使用空气绝缘的铠装柜，在条件严酷的场合可以使用充气柜。实践证明，这是比较理想的选择。

目前大量使用的箱式柜存在的主要问题：

（1）箱式开关柜由于隔室太少（只有一个高压隔室），一点出线弧光短路，会损坏所有柜内高压元件，尤其二次导线，再恢复送电困难；

（2）电弧光保护的作用是让进线断路器无延时跳闸（进线断路器一般只能设置限时电流速断保护），保护开关柜免受更大的损坏。箱式柜内只能安装一个弧光探头，不论回路哪里故障都要让进线跳闸，造成不必要的大面积停电，严重影响行车；

（3）防护等级太低，对操作人员的保护有限。

金属间隔式开关柜由于隔板有绝缘板，容易受潮、老化，引起击穿放电。

所以，以上两种柜型在国内、外已经被淘汰，用量极少。

4.1 铠装柜安装方式的选择

按照断路器安装方式开关柜分为固定式与移开式两种，前一种方式的断路器固定安装在开关柜内，通过上、下隔离开关与母线侧和出线侧隔离或接通。后一种方式的断路器可以在开关柜内移动，也可以移除柜外，实现与母线侧和出线侧隔离或接通。

在20世纪90年代之前，断路器大多还是少油式的，每次开断短路电流后都要换油检修，设计成移开式的比较方便检修。但是，现在断路器都是真空式，几乎免维护，寿命高达20年以上。所以再使用移开式（手车式）的开关柜就根本没有必要了。相反，移开式开关柜安全性低的问题却显现出来，尤其是大电流电路，隔离触头接触的可靠性远不如隔离开关可靠性高。文献［1］载流故障占所有事故的2.3%，开关柜占（全部载流事故的）其中77.8%。主要集中在12～40.5 k V中压开关设备上，触头过热，引线过热，常扩大为绝缘事故。主要是由于插头接触不良、插头偏心等原因导致过热，以致起弧烧坏设备。

4.2 铠装柜绝缘方式的选择

绝缘方式主要有空气绝缘、气体绝缘和固体绝缘3种方式。气体绝缘存在的问题上文已经讨论过了，固体绝缘这几年来曾经推广过一段时间（仅限12 k V），但由于绝缘容易老化、散热困难、额定电流过小（630 A）等问题，推广范围有限。

文献［1］绝缘事故占所有事故的14.3%，开关柜及断路器占（全部绝缘事故的）其中73.2%。主要是柜内放电、CT闪络和相间闪络。断路器与开关柜不匹配，绝缘尺寸不够，柜内隔板吸潮，爬距不足，老旧开关改造不彻底，未进行加强绝缘措施等原因造成。在40.5 k V开关柜中该问题更为突出。

经过多年的运行经验证明：空气是最可靠、安全和环保的绝缘介质。只要保证足够的安全距离，没有过大的局部场强，就可以安全运行。

单相27.5 k V电气化铁道开关设备对地最高电压为31.5 k V，40.5 k V三相系统对地电压为23.4 k V，这就意味着同样条件下前者的绝缘要求还要大于后者。国家电网公司2005年就要求40.5 k V户内安全距离由300 mm加大到360 mm，铁道行业也更需要加大开关设备的安全距离。

4.3 现有铠装移开式开关柜事故原因

（1）由于历史的原因，手车式结构已被广泛认可，习惯性思维使得开发设计人员还是按照移开式结构进行设计，结构上没有重大突破；

（2）为了追求小型化，大量使用有机绝缘材料，绝缘老化问题不可避免；

（3）随着外壳、各个隔室防护等级的提高，必然不利于散热，尤其触头盒全密封，使得最大的发热源——隔离触头散热困难，温升过高更加剧老化；

（4）手车式结构由于移动部件笨重，不但操作困难，变形越加严重，动、静触头偏差超过限度后，载流能力下降，温升过高；

（5）由于铠装柜防护等级高，主要温升点不便观测（有时即使观测到也无法处理），这也是酿成事故的原因之一。

4.4 铠装固定式金属封闭开关设备是未来的发展方向

运行事故统计表明高压开关柜烧毁事故已呈上升趋势，这不能不引起我们的极大关注。这些问题国内、外都给予了充分的重视，这在GB 3906－2005［2］中就已充分体现。首先在标准附录F中F.1条“与GB 3906－1991相比，分类的变化”中明确指出：前版标准主要围绕可抽出式的空气绝缘外壳而编写的。现在的趋势朝着固定式和GIS方向发展，需要本标准代表这些设备。其次在8.2条“设计和结构选择”中又一次明确：固定式的总装，尤其是采用了少维护元件的总装可以提供终生低投入高收益的布置。

4.4.1 现阶段固定式金属封闭开关设备的不足之处

体积庞大，尤其大电流柜，占地面积大，安装、运输同样也很困难；隔室间防护等级有的未达到IP20要求，外观不够理想；隔离开关操作力太大，联锁机构的应变性差；材料消耗和工时成本都不够经济。开关（断路器）参数检测困难，直接影响运行安全；有的不能靠墙安装，占地面积大；有些没有考虑安装快速接地开关，不符合GB 3906－2006要求；接线方式不够灵活，架空出线占地面积过大。

4.4.2 固定式金属封闭开关设备的新思路

针对上述问题，提出以下新的思路，作为设计固定式开关柜总的原则。

（1）为了实现小型化，首先实现元件组合化。例如，把断路器与隔离开关组合成一个元件；

（2）虽然断路器固定安装，但是，还要像手车一样方便安装、移出，作到可维护、能维护；

（3）所有元件的操作都要实现电动为主、手动为辅，提高自动化程度，便于智能化、远动操作；

（4）电路简单，方案灵活，适应性强。

根据上述设计理念，设计开发出图3所示新型结构的开关柜。

该结构的最大特点就是把断路器与上、下隔离开关组合成一个元件，而且触臂是上、下直线运动，使导电电路近乎成一条直线，达到最短，也使整个柜子实现最小。在这种条件下，全部实现空气主绝缘、安全距离不小于360 mm、额定电流达3 150 A、断路器可以推进、抽出。目前在国内、外文献中还没有发现相关报道。

5 设计实例

方案出线设计有50%备用，出线侧有隔离开关、接地开关，可以省却线路上的隔离开关和接地开关。优点如下：

（1）子结构上已达到铠装的要求，防护等级达到IP4X/IP2X（隔室间），有了安全保障；

（2）额定电流达到3 150 A，为重载铁路、高速铁路的应用创造了条件；

（3）接线清晰明了，开关动作过程清晰可见，减少了运行人员误操作的可能；

（4）与充气柜相比较，同样的主接线方式综合占地面积和建筑面积减少20%以上，降低了综合造价；

（5）断路器两侧都设计有隔离开关，检修方便，供电的连续性最高，运行方式灵活；

（6）可以节省50余根动力电缆，100多个电缆头，仅此一项就可节省造价200余万元；

（7）开关操作都以电动为主，极大地降低了危险性和操作强度；

（8）地开关安装在柜内，且能关合短路电流，省却了户外杆上接地开关还保证了安全。

6 结束语

高速铁路在我国虽然发展很快，但运行时间还很短，存在的问题还有可能没有暴露出来，需要进一步的总结和分析。对牵引变电站宜选用气体绝缘柜的要求还有待商榷。

［1］ 宋杲，崔景春，袁大陆.2004年国家电网公司高压开关运行分析［J］.高压开关，2005，22（3）：7-13.

［2］ 王季梅，吴维忠，魏一钧，刘文进.真空开关［M］.北京：机械工业出版社，1983.

［3］ 徐国政，张节容，钱家骊，黄瑜珑.高压断路器原理和应用［M］.北京：清华大学出版社，2000.

［4］ 王季梅.真空开关理论及其应用［M］.西安：西安交通大学出版社，1986.

［5］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 4787－2010高压交流断路器用均压电容器［S］.中国标准出版社，2011.

［6］ 黎 斌.SF6高压电器设计［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［7］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.中国国家标准化管理委员会.GB 3906 3.6～40.5 k V交流金属封闭开关设备和控制设备［S］.中国标准出版社，2006.

［8］ GB1122.高压开关设备与控制设备标准的共用技术要求［S］.

Research On Switch Equipment Selection of High-speed Railway

GAO Zhongjie1，TU Dashi2
（1 Design Institute of Taiyuan，China Railway Engineering Consulting Group Co.，Ltd.，Taiyuan 030013 Shanxi，China；2 Huadian Tech Center（Beijing）Electric Co.，Ltd.，Beijing 100192，China）

The basic requirement of traction power supply for electrified railway of our country is：indoor air insulated switch equipment is used at 200 km/h and below（single-phase unipolar 27.5 k V mostly）；outdoor open switch equipment is used at 200－250 km/h（single-phase bipolar 2×27.5 k V and 55 k V mostly），indoor gas insulated switch equipment is used at more than 250 km/h（single-phase bipolar 2×27.5 k V mostly）.Along with the rapid development of high-speed railway，the problems of electrified railway switch equipment which the standard stipulates have gradually exposed.

railway；electrify；switch equipment；armored metal-enclosed；gas insulation；selection

U223.6

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.05.31

1008－7842（2014）05－0113－07

1—）男，工程师（

2014－03－14）