楊孝忠

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司， 北京 102600)

土耳其安伊高速鐵路牽引變電所技術(shù)研究

楊孝忠

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司， 北京 102600)

土耳其安伊高鐵二期工程是我國鐵路行業(yè)第一次獲得的海外高速鐵路。牽引變電所的設(shè)計采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)。由于各牽引變電所的進(jìn)線電源均為單電源，且其國內(nèi)鐵路相對較少，如何減少鐵路對電力系統(tǒng)的負(fù)序影響是研究中需要解決的問題。土耳其國家土地私有化，征地拆遷十分困難，各牽引變電所除為新建高鐵線路供電外還需為相鄰的既有普速線路供電，這給牽引變電所平面布置的設(shè)計帶來困難，各所的平面布置均不相同，均需要根據(jù)實際征地面積調(diào)整。牽引變電所的進(jìn)線電壓等級為154 kV，和國內(nèi)的電壓等級不同，設(shè)備間距等需要根據(jù)歐標(biāo)設(shè)計，接地網(wǎng)的設(shè)計也和國內(nèi)不同。文章通過對土耳其安伊高鐵牽引變電所的技術(shù)研究分析，結(jié)合線路特點，提出了單回路外電源進(jìn)線情況下減少負(fù)序的解決方案、由于征地困難優(yōu)化總平面布置方案以及接地網(wǎng)布置方案等。

土耳其安伊高鐵； 牽引變電所； 技術(shù)研究

1 引言

土耳其安伊高速鐵路二期工程是我國鐵路行業(yè)第一次獲得的海外高速鐵路項目，全線為雙線，長約150 km，其中隧道長約50 km、橋梁長約14 km。全線設(shè)4個車站，速度為250 km/h。在電氣化工程方面，全線共設(shè)5座牽引變電所、12個開關(guān)站，改造1座牽引供電調(diào)度所，架設(shè)接觸網(wǎng)約400 km。

本文主要介紹土耳其安伊高速鐵路和國內(nèi)高速鐵路牽引變電所的區(qū)別。針對安伊高速鐵路牽引變電所外部電源為單電源、土地私有化、征地拆遷困難大的特點，介紹了在牽引變電所設(shè)計過程中提出單回路外電源進(jìn)線情況下減少負(fù)序的解決方案、由于征地困難優(yōu)化總平面布置方案以及接地網(wǎng)布置方案、設(shè)備選型等。

2 土耳其安伊高速鐵路與國內(nèi)高速鐵路的區(qū)別

2.1 牽引網(wǎng)供電方式不同

土耳其安伊高速鐵路牽引供電系統(tǒng)采用25 kV、單相工頻50 Hz供電制式，采用帶回流線的直接供電方式。

國內(nèi)高速鐵路牽引供電系統(tǒng)采用25 kV、單相工頻50 Hz供電制式，正線采用AT供電方式，聯(lián)絡(luò)線、動車走行線及動車所采用帶回流線的直接供電方式。

2.2 遵循設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不同

2.2.1 國內(nèi)高速鐵路遵循設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

(1)TB 10621-2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》；

(2)TB 10009-2005《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》；

(3)TB 10117-2008《鐵路供電調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》。

2.2.2 土耳其安伊高速鐵路遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

(1)EN 50163:1997《鐵路應(yīng)用牽引系統(tǒng)的供電電壓》；

(2)EN 50329:2003《鐵路應(yīng)用固定設(shè)備牽引變壓器》；

(3)IEC 60310:2004《牽引變壓器和電抗器》；

(4)EN 50124-1:2001《鐵路應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)絕緣配合》；

(5)EN 50122-1:2011《鐵路設(shè)施-固定設(shè)備-電氣安全和接地的防護(hù)設(shè)備》；

(6)IEC 60076-5:2000《電力變壓器承受短路的能力》；

(7)IEC 62128-1:2003《鐵路設(shè)施.固定設(shè)備.第1部分：電氣安全和接地相關(guān)的保護(hù)性措施》。

鐵標(biāo)和歐標(biāo)的區(qū)別在于鐵標(biāo)對于各種設(shè)備的間距、絕緣高度、接地網(wǎng)及防雷設(shè)計等均有詳細(xì)的規(guī)定，而歐標(biāo)需要結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)項目具體情況計算得出。

2.3 國內(nèi)高速鐵路與土耳其安伊高速鐵路牽引變電所區(qū)別

國內(nèi)高速鐵路與土耳其安伊高速鐵路牽引變電所區(qū)別如表1所示。

表1 牽引變電所采用技術(shù)主要區(qū)別表

2.4 154 kV設(shè)備

進(jìn)線電壓等級不同，國內(nèi)為220 kV或330 kV，各種電壓等級的設(shè)備均做過型式試驗和特殊實驗，而154 kV電壓等級設(shè)備僅在土耳其及瑞士等地使用。中國廠家中標(biāo)之初的想法是按照中國標(biāo)準(zhǔn)，用電壓等級更高的220 kV設(shè)備代替154 kV設(shè)備，經(jīng)過長達(dá)半年的申報設(shè)備參數(shù)資料及實驗報告，最終因無154 kV設(shè)備的實驗報告而廢標(biāo)，重新從土耳其國內(nèi)及瑞士采購。

2.5 27.5 kV設(shè)備

土耳其和國內(nèi)的區(qū)別在于設(shè)備的最高電壓。土耳其要求為52 kV，而國內(nèi)要求為31.5 kV，土耳其要求較高，從分相處設(shè)備可以看出，各種接線型式的變壓器合理設(shè)計27.5 kV相序后正常仍會造成√3倍，或者√2倍的最大電壓，即最大47.63 kV的最高電壓。IEC規(guī)定設(shè)備最高電壓為52 kV比較合理，國內(nèi)值得借鑒和參考。

2.6 27.5 kV負(fù)荷開關(guān)選用新技術(shù)

土耳其安伊高速鐵路牽引變電所所內(nèi)的負(fù)荷開關(guān)均采用無斷口的負(fù)荷開關(guān)，如圖1所示。

圖1 負(fù)荷開關(guān)安裝現(xiàn)場圖

3 牽引變電所單回路電源進(jìn)線下減少負(fù)序的方案

3.1 主接線及運行方式

安伊高速鐵路各牽引變電所均采用一回154 kV進(jìn)線，至變電所后經(jīng)電動隔離開關(guān)(帶接地刀)、流互、壓互至154 kV跨條，2臺變壓器從跨條處通過引下線后經(jīng)隔離開關(guān)、斷路器、流互、避雷器至154 kV變壓器，2臺牽引變壓器同時投入運行。牽引變壓器采用單相接線型式。

27.5 kV側(cè)均經(jīng)過27.5 kV斷路器、隔離開關(guān)、流互、壓互至上下行接觸網(wǎng)，兩路饋線之間通過負(fù)荷隔離開關(guān)實現(xiàn)牽引變壓器故障時的相互支援。

3.2 主接線特點

安伊高速鐵路牽引變電所接線型式特殊，新建牽引變電所既為新建高速鐵路線路供電，又為既有普速鐵路供電。國內(nèi)客運專線牽引變電所采用220 kV及以上電源，且為兩路進(jìn)線；土耳其安伊高速鐵路采用一回154 kV進(jìn)線，至變電所后經(jīng)跨條為2臺變壓器供電。

電壓等級不同與兩國的電網(wǎng)電壓有關(guān)。在可靠性方面國內(nèi)牽引變電所進(jìn)線電源更高。這與兩國交通情況有關(guān)。我國鐵路處于繁忙狀態(tài)，列車發(fā)車密度大；土耳其鐵路發(fā)車密度低于國內(nèi)，發(fā)車時間間隔長，若進(jìn)線或變壓器故障，利用相鄰變電所越區(qū)供電亦可滿足正常運營要求。

3.3 解決單回路電源進(jìn)線牽引變電所負(fù)序的方案

安伊高速鐵路牽引變壓器采用單相接線，且區(qū)域內(nèi)鐵路較少，為減少對電力系統(tǒng)負(fù)序影響，經(jīng)研究后推薦各所采用154 kV三相進(jìn)線，在所內(nèi)進(jìn)行相序輪換，即所內(nèi)2臺變壓器之間進(jìn)線相序不同。

各牽引變電所進(jìn)線電源相序輪換方式如圖2所示。

圖2 牽引變電所相進(jìn)線序輪換圖

解決對電力公司負(fù)序影響的同時，仍需考慮變電所出口處分相和區(qū)間分相處設(shè)備的最高電壓。在調(diào)整變壓器進(jìn)線相序后27.5 kV側(cè)可能造成最大√3倍的最高電壓，即最大47.63 kV的最高電壓。由于安伊高速鐵路采用IEC標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備最高電壓為52 kV，能夠滿足要求。

4 土地私有化和征地困難情況下牽引變電所布置方案

由于土耳其國內(nèi)土地私有化，征地拆遷困難很大，各牽引變電所場坪面積受到各種條件制約不規(guī)整且不相同。以Karakoy變電所為例，該所既為本次新建高速鐵路線路供電，又要為相鄰既有線供電，征地面積寬度最大40 m，最小處僅37 m，尤其是高速鐵路線路和既有線路在牽引變電所的兩側(cè)，在有限的面積下若采用國內(nèi)常規(guī)布置，征地面積無法滿足要求，這給設(shè)計帶來了困難。

安伊高速鐵路分相處均采用開關(guān)站布置，布置較為復(fù)雜，且開關(guān)站控制房屋的位置有時距離開關(guān)站門架位置較遠(yuǎn)，造成電纜電壓損失較大(需增大電纜截面，增加投資)、敷設(shè)電力及控制電纜徑路困難等。

為解決以上困難，主要在以下4個方面考慮解決方案：

(1)在兩相鄰變壓器之間設(shè)置防火墻，在防火墻上設(shè)置高度為9 m的鋼支架，并將27.5 kV避雷器裝在該鋼支架上。在27.5 kV側(cè)設(shè)置12 m的鋼支架，以高度差來解決母線的轉(zhuǎn)折。

(2)27.5 kV側(cè)設(shè)備集中采用鋼橫梁分層布置，將所用變壓器、熔斷器等裝在鋼橫梁的兩側(cè)鋼支架上，27.5 kV側(cè)母線均采用-50×8 mm的銅管。

(3)變壓器兩側(cè)154 kV電流互感器和27.5 kV互感器均采用變壓器套管式，節(jié)省了用地面積。

(4)牽引變電所出口相應(yīng)分相處開關(guān)站上的設(shè)備均設(shè)置在所內(nèi)，并充分利用所內(nèi)設(shè)備采用鋼橫梁的特點，合理布置，并未額外增加場坪面積，控制采用變電所內(nèi)控制，節(jié)省了開關(guān)站的房屋及征地費用。

27.5 kV饋線設(shè)備現(xiàn)場安裝如圖3所示。

圖3 牽引變電所27.5 kV設(shè)備現(xiàn)場安裝圖

5 牽引變電所接地方案

5.1 安伊高速鐵路牽引變電所接地方案

(1)水平接地體埋深0.8 m，采用120 mm2銅絞線作水平接地體，用φ22 mm長2.5 m銅包鋼接地棒(鍍銅厚度為3 mm)作為垂直接地極。

(2)室內(nèi)引至室外接地線、鋼支架的接地線采用120 mm2銅絞線。室外架構(gòu)、室外地上設(shè)備、照明支架等采用120 mm2銅絞線作接地引下線，連至主接地網(wǎng)，但不得連至電纜支架的接地線上。

(3)154 kV電壓互感器、電流互感器和避雷器需要2處通過采用120 mm2銅絞線與接地網(wǎng)連接。水平接地體在交叉處焊接。

(4)牽引變壓器從鋼軌的兩端用120 mm2銅絞線引至接地網(wǎng)。

(5)牽引變電所圍欄每隔5 m用120 mm2銅絞線引至接地網(wǎng)。電纜支架接地線采用-50×5 mm鍍鋅扁鋼，并與接地網(wǎng)相連。

(6)水平接地體之間的間距不小于4.5 m，且每個網(wǎng)格成正方形。

(7)在整個所內(nèi)選擇4個不同地點設(shè)置接地網(wǎng)測試井。

5.2 安伊高速鐵路與國內(nèi)接地方案不同

(1)每個網(wǎng)格做成正方形，將不可避免造成水平接地體貫穿設(shè)備基礎(chǔ)，需在基礎(chǔ)澆筑前預(yù)埋PVC管。

(2)在整個所內(nèi)選擇4個不同地點設(shè)置接地網(wǎng)測試井，便于今后運營過程中對接地電阻進(jìn)行測試。

(3)154 kV電壓互感器、電流互感器和避雷器需要2處通過采用120 mm2銅絞線與接地網(wǎng)連接。

(4)接地圖紙上報時需要提供詳細(xì)的接地計算文件，含接地電阻、跨步電壓、接觸電壓的詳細(xì)計算過程。

6 結(jié)束語

本文介紹了土耳其安伊高速鐵路和國內(nèi)高速鐵路的區(qū)別。針對安伊高速鐵路牽引變電所外部電源為單電源、土地為私有化、征地拆遷困難大的難點，介紹了在牽引變電所的研究過程中提出的單回路外電源進(jìn)線情況下，減少負(fù)序的解決方案、征地困難優(yōu)化總平面布置方案以及接地網(wǎng)布置方案等。

[1] EN 50163:1997 鐵路應(yīng)用牽引系統(tǒng)的供電電壓[S]. EN 50163:1997 Supply Voltage of Railway Application Traction System[S].

[2] EN 50329:2003 鐵路應(yīng)用固定設(shè)備牽引變壓器[S]. EN 50329:2003 Railway Application-Fixed Equipment Traction Transformer[S].

[3] IEC 60310:2004 牽引變壓器和電抗器[S]. IEC 60310:2004 Traction Transformers and Reactors[S].

[4] EN 50124-1:2001 鐵路應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)絕緣配合[S]. EN 50124-1:2001 Railway Application Standards- Insulation coordination[S].

[5] EN 50122-1:2011 鐵路設(shè)施-固定設(shè)備-電氣安全和接地的防護(hù)設(shè)備[S]. EN 50122-1:2011 Railway Facilities-Fixed Equipment - Protective Equipment of Electrical Safety and Grounding[S].

[6] IEC 60076-5:2000 電力變壓器承受短路的能力[S]. IEC 60076-5:2000 Ability of Power Transformer to Withstand Short Circuit[S].

[7] IEC 62128-1:2003 鐵路設(shè)施.固定設(shè)備.第1部分：電氣安全和接地相關(guān)的保護(hù)性措施[S]. IEC 62128-1:2003 Railway Facilities-Fixed Equipment. Part 1: Protective Measures Relating to Electrical Safety and Earthing[S].

[8] TB 10621-2014 高速鐵路設(shè)計規(guī)范[S]. TB 10621-2014 High-speed Railway Design Specifications [S].

YANG Xiaozhong

(China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Beijing 102600,China)

2015-10-15

楊孝忠(1983-)，男，工程師。

1674—8247(2016)01—0026—04

U224

A