牵引变电所换相连接方式研究

赵 强，张润宝，薛玉霞，杨 征

0 引言

当前，铁路电气化的发展正赶上黄金机遇期，高速铁路客运专线建设大规模铺开，既有线电气化改造大力推进，到2012年全国铁路营业里程将达到11万km，复线率和电气化率都达到50%以上，其中，时速200 km及以上客运专线和城际铁路里程将达到1.3万km，繁忙干线实现客货分线。

供电系统在电气化铁道中的地位尤为重要。工频单相交流制供电系统具有结构简单、交流电力机车粘着性能和牵引性能好、对地下金属的腐蚀作用小等特点，在我国得到了广泛应用。由于牵引负荷具有单相移动和时刻变化的特点，因此对电力系统的运行产生了不良影响，尤其是在三相电力系统中产生随机波动的负序电流。为尽量减轻单相牵引负荷给电力系统造成的负序负担，我国普遍采用在变电所进行换相连接的供电方式。换相连接的准确与否，直接影响了电力系统的电能质量和接触网以及变电所的安全运行，本文对换相连接方式及作用进行介绍，并对在施工、改造、运行中出现的问题进行分析和总结，提出有关加强和改进的有效措施。

1 换相连接的方式

所谓换相连接就是把牵引变电所的变压器轮换着接到电力系统的不同相上，一般通过3个变电所形成一次循环，实现供电系统各相负荷尽量均衡，减少负序电流的影响。

同时根据设计要求，2个牵引变电所之间的对应分区上的电压同相，为了避免接触网分相装置承受高电压，在实际应用中采用了相邻变电所反相接地的方法。牵引变电所的换相既要满足供电系统的负荷平衡，又要满足接触网分相装置承受的电压要求，下面以石德线变电所为例进行说明。图1是该所V/v接线牵引变压器的换相连接图。

从图1可以看出，3个牵引变电所正好换了3次相，所以对于电力系统也是3个牵引变电所形成对称连接。各变电所2个供电臂的供电方法，通过反相接地使分相装置承受的电压相位差为60°，即变电所分相装置所承受的电压ΔU1为牵引网的额定电压27.5 kV，如果不通过反相接地，则分相装置之间的电压相位差120°，通过勾股定理可以求出变电所分相装置承受的电压ΔU2为牵引网的额定电压的倍，即47631 V；各分区所由于通过换相为同相电，分区所两端承受的电压相位差为0°，即分区所分相装置承受的电压理论上为0，由于2个变电所相位不能完全相同，再加上系统的影响，实际分区所承受的电压为900 V左右。

通过换相可使变电所和分区所分相装置承受的电压尽可能低，电力系统的负荷也尽可能平衡，分相装置电压降低减少了分相绝缘故障的发生，保证了接触网的安全供电；负荷分配的平衡，减少了负序电流和谐波对电力系统的污染，保证了电网的安全运行。

图1 石德线牵引变电所主变压器换相接线图

图2 反相接地和不接地电压相量图及电压差示意图

2 换相问题及解决方案

2.1 石家庄西变电所供电范围简介

石家庄西变电所是一个大型枢纽变电所，改造前共有7条馈线，改造后共有11条馈线。4条供给石太客运专线上下行；4条供给石太线和石德线工业站上下行；1条供给石家庄西站场和机务折返段；2条供给京广联络线石玉上下行。石家庄西变电所改造后与各供电分区的关系见图3。

图3 石家庄西变电所相邻供电分区及电压相位示意图

2.2 换相问题及原因分析

（1）变压器因相位差不正确不能使用。

石家庄西变电所主变压器设计的换相接线见图4，向工业站分区所供电为UAB，向上安开闭所和DK20分区所供电为-UBC。从图3各相邻供电分区相位关系可以得出表1各项数据。

表1 换相后的各分相装置处正确的相位差和承受的电压值表

由于设计给的换相图没有对接线组别具体说明，通过向变压器厂家咨询，x1与 x2相连接，其他2个端子输出为V/V0接线，根据厂家说明向石家庄方向供电为V/V0，向太原方向供电为V/V6。当时没有考虑到该接线对所内 10 kV变压器的影响，按照设计图施工后，送电时发现10 kV变压器不能使用，分析原因找出变电所主变压器二次相位差不正确，应该为60°，该接线实际为120°，电压差应为27.5 kV，实际电压差达到了47631 V，及时将所用电变压器退出了运行，避免了所用电变压器烧损。

（2）进线侧换相不正确造成分区所分相装置承受高电压。

2009年3月10日，将变电所主变压器接线改为V/V6，这样变电所内10 kV变压器能正常使用了，但是在工业站分区所和上安开闭所通过电压互感器二次核相，发现换相仍不正确，具体测得的数据和计算出的相位角见表2。

图4 石家庄西站变电所设计给的换相接线图

表2 第二次调整接线后分区所测得的电压值和计算出的相位角表

表2测得的电压值可以得出相位角，通过与正确相位角相比较，发现换相仍不正确。石家庄西变电所供向石德线土贤庄分区所和京广联络线的电压应为UAB，通过表2测得的数据发现实际为UCA，说明主变压器进线侧B、C相需要互换，同时V/V6接线也不正确，应接为V/V0接线。这样上安开闭所分相和石太客运专线分相相位差不会发生变化，即上安开闭所分相相位差仍为30°，石太客运专线分相相位差仍为0°，但石德线和京广联络线仍会发生变化。

2009年3月12日对上述接线进行了调整，对4处分相装置进行了核相，测得的数据见表3，各项数据均满足要求，保证了换相的正确和设备的安全运行。

表3 第三次调整接线后V/V0接线分区所测得的电压值和计算出的相位角表

3 变电所换相故障

（1）上安开闭所分相装置击穿故障。1992年12月，上安开闭所发生一起分相装置击穿故障，造成中断石太线铁路运输2h。事后对该起故障分析，发现石家庄西站变电所换相错误。原来分相装置应为同相位，几乎没有电压差，错误换相造成分相上安开闭所分相装置两侧应为-UB，石家庄西站变电所输出的是-UC。承受了倍的牵引网电压，达到了47631 V，在高电压的作用下随着分相绝缘滑板的磨损，器械式分相材质的绝缘性能急剧下降，造成了分相绝缘击穿和烧损。

（2）石太铁路客运专线东凌井变电所换相接线错误造成10 kV变压器不能使用。2009年3月20日，石太铁路客运专线东凌井变电所开通送电，送电后发现变电所所用电变压器不能使用，检查发现施工接线错误，设计要求接成 V/V6，而实际接线接成一侧为V/V0，一侧为 V/V6，这样变电所2个供电臂的相位差为120°，电压达到了47631 V，而不是60°时的27500 V，所以所用电变压器不能使用，调整接线后所用电变压器恢复正常。

4 改进措施

为避免在施工和运行中发生换相错误，结合现场实际工作得出以下几项措施：

（1）统一行业标准，规范变压器的接线组别。V/v变压器在新建电气化铁道和高速铁路中得到了广泛应用，但V/v变压器接线组别尚不规范，有的厂家规定x1和x2相连，a1和a2输出为V/V0接线，反之为V/V6接线；而有的厂家则规定x1和a2相连，a1和x2输出为V/V0接线，反之为V/V6接线。而有的厂家不用a1和x2标识，而用t1和t2标识。变压器一次侧的中间相标识有的厂家标C，有的厂家标识B，也比较乱。这样各厂家标识不规范，同名端就各不相同，造成设计给出的换相连接图与厂家的标识不一致，多次在施工中发生接错线现象。

为此应统一规范行业标准，例如统一规定为变压器二次x1和x2相连，a1和x2输出为V/V0接线，反之为V/V6接线；一次侧则中间相用C相标识。

（2）进一步规范设计工作。设计院在给出现场换相接线图的同时标出是V/V0还是V/V6或其他接线组别，在厂家没有统一标准之前，给出的设计图要参照厂家的说明。

（3）新线和枢纽变电所改造换相设计时要充分考虑与既有线的衔接。保证换相后的相位正确，尤其枢纽变电所要满足各条线的安全运行要求。

（4）换相改线时对主变压器一次侧一二次回路要随时调整。调整接线时，要将主变压器一次侧电流和电压互感器的母线进行调整，同时对电流和电压二次回路进行调整，防止造成计量错误和电流保护而不能正常工作。

5 结束语

牵引变电所换相工作关系到电力系统和电气化铁道的安全运行。变电所新开通和改造后的核相工作是一项基础性工作一定要做好。否则发生错误后，一方面对电力系统危害很大，将会产生负序电流和谐波污染，严重时引起电源系统跳闸，造成电气化铁道和电网系统大面积停电；另一方面对铁路运输的影响也大，将会使接触网分相装置承受较高的电压，造成分相绝缘击穿的重大供电事故。

因此，对变电所换相工作应该引起有关部门的重视，应该统一行业标准，规范变压器的接线组别，提高设计施工能力，强制对新建或改造的变电所进行核相工作，做好运行中的核相管理，。

[1]冯仁杰.电气化铁道供电系统[M].北京：中国铁道出版社，1997.