合肥至蚌埠客运专线牵引供变电设计

黄建平

合肥至蚌埠客运专线牵引供变电设计

黄建平

合蚌客运专线设计时速350 km，由于其牵涉多个地区、枢纽，与多条线路交叉并行，可靠性要求高，牵引馈线多的特点，牵引供电系统设计难度大。牵引供电方案设计在结合交通网络规划，考虑资源共享的要求下，首先研究了地区、枢纽的供电方案，进而确定全线变电所分布方案。牵引变电所则围绕可靠性、资源共享、创新设计等方面进行设计。

合蚌客运专线；变电所；设计

0 引言

新建铁路合肥至蚌埠客运专线（下称合蚌客专）北引京沪高铁蚌埠南站，与京沪高铁相连，南接合肥枢纽合肥站，与合福客专及沪汉蓉快速通道相接，同时与在建的阜淮线和淮南线淮南至合肥段及水蚌线电气化改造工程（三线电化工程）的淮南线和水蚌线线路近距离并行，是京沪高速铁路与沪汉蓉快速客运通道间快速连通线，也是北京至福州客运专线的重要组成部分。

合蚌客专正线全长130.6 km，牵引供电系统采用AT供电方式，全线新建3座牵引变电所，4座分区所，6座AT所。牵引供电系统设计满足350 km/h运行速度，达到国内同等技术水平，对国内高速铁路技术发展有着重要促进作用。

1 工程特点

1.1 牵涉多个地区、枢纽，线路错综复杂

合蚌客专牵引供电系统的设计牵涉到2个枢纽（蚌埠枢纽、合肥枢纽）、2个地区（淮南地区、水家湖地区）和8条相邻线路（京九线、沪宁线、京沪高速线、水蚌线、淮南线、阜淮线、合宁线、合武线），各线路之间或交叉或平行，线路情况复杂（图1）。牵引供电系统方案设计既要考虑接入地区和枢纽的供电条件，又要考虑相邻线路之间供电相互支持，技术处理难度大。

图1 合蚌客专线位情况示意图

1.2 与多条线路交叉并行

合蚌客专与水蚌线均起于蚌埠枢纽，在刘府附近交叉靠近；与既有阜淮线在淮南地区交汇；与既有淮南线、水蚌线三线交汇于水家湖地区，向南与淮南线基本平行延伸到合肥，共3处线路交叉点，约73 km近距离并行。同时与在建的京沪高铁、合福客专及规划中的商杭客专相互衔接。

1.3 牵引供电系统可靠性要求高

高速度、高密度、高安全是高速铁路最基本的技术要求。为保障牵引供电系统的安全可靠运行，需要从供电系统方案、系统运行方式、牵引变电所主接线、牵引变电所设备选型、牵引供电设备控制技术、监测技术等多方面采取措施。

1.4 牵引变电所馈线数量多，主接线复杂

根据供电方案，合蚌客专新建了3座牵引变电所，其中刘府南牵引变电所同时为合蚌客专、水蚌线供电；水家湖牵引变电所同时为合蚌客专、淮南线、水蚌线供电，并预留商杭客专的供电条件；合肥北城牵引变电所同时为合蚌客专、合福客专、淮南线供电，并预留商杭客专的供电条件。3座变电所同时既有AT馈线，又有直供馈线，馈线数目多，其中水家湖牵引变电所多达14回馈线。

2 牵引供电方案

根据该工程的特点，牵引供电方案的设计须结合交通网络规划，处理好多线路之间的供电关系，充分考虑资源共享，以节省工程投资，提高经济效益和社会综合效益。

2.1 枢纽、地区供电方案

通过分析合蚌客专和相邻线路的线位情况可知，蚌埠枢纽、合肥枢纽、水家湖地区供电方案成为全线方案的关键控制点。枢纽、地区的供电方案设计应着眼于供电网络规划，结合既有铁路、新建铁路和规划铁路相互衔接关系，优先考虑多条线路的牵引变电所供电，然后再从全线角度优化牵引变电所分布方案。

（1）蚌埠枢纽。京沪高铁采用AT供电方式，设蚌埠南站牵引变电所；既有京沪电化采用带回流线的直接供电方式，设蚌埠东牵引变电所。合蚌客专刘府南站距离蚌埠南站约19 km，既有水蚌线刘府站距离蚌埠站约17 km，两站距离较近（约3.5 km），在刘府南站设牵引变电所，可同时向该线和既有水蚌线供电；另一方面，由于供电方式的不同，京沪电化设置的蚌埠东牵引变电所与京沪高速铁路设置的蚌埠南牵引变电所并未形成相互支持，在刘府南站设牵引变电所，可为蚌埠地区的供电提供支持。因此，在刘府南设置牵引变电所的方案合适。

（2）合肥枢纽。合宁铁路经肥东站和三十埠站后客货分线分别引入合肥站和合肥东站，设肥东AT牵引变电所；合武铁路经长安集、合肥西、桃花店车站后客货分线分别引入合肥站和合肥东站，其中桃花店—合肥段采用AT供电方式，由长安集AT牵引变电所供电。

合肥枢纽地区供电研究了2个方案：一是在双墩集设牵引变电所，二是在合肥北城设牵引变电所。双墩集距离合肥约13 km，合肥北城距离合肥约21 km，2个方案均能满足该线的牵引供电需求，且可与合武铁路设置的长安集牵引变电所形成相互支持，为合肥枢纽地区的供电可靠性提供支持。从全线供电系统优化角度考虑，在合肥北城设牵引变电所方案使全线牵引变电所供电臂更加平衡，供电效果好。

（3）水家湖地区。水家湖站同时是水蚌线与淮南线的接轨站，水蚌线分别从水蚌、水淮联络线引入车站。在水家湖设置牵引变电所，可以为合蚌客专、淮南线、水蚌线等3条线路同时供电，淮南线、水蚌线电化时在蚌埠至水家湖、淮南至合蚌区段不需再设置牵引变电所，能大大提高共享供电设施的利用率，降低工程投资；从合蚌客专整个供电规划看，水家湖距离刘府约42 km，在水家湖设牵引变电所合适。

2.2 全线变电所分布方案

通过研究京沪高速铁路及合武线、合宁线3线电化牵引供电系统的关系，在满足牵引供电和通信防护的基础上，充分考虑了蚌埠枢纽、水家湖地区、合肥枢纽和路网总体规划及远期发展，以及沿线电力系统现状和规划，并兼顾既有水蚌线、淮南线的供电规划，全线新建刘府南、水家湖、合肥北城3座牵引变电所；新建蚌埠南、淮南东、朱巷、合肥北4座分区所；新建西泉、九龙岗、小马庄、戴集、南颖村、双凤6座AT所。

2.3 外部电源方案和牵引网供电方式

采用220 kV电源供电，可提高供电系统的短路容量，减少牵引供电系统对地方电力系统的影响，提高电网电能质量。

目前国内客专和高铁普遍采用AT供电方式，合蚌客专采用AT供电方式，相比直接供电方式，不仅能显著提高供电能力，还能在蚌埠枢纽与京沪高铁，在合肥枢纽与合武铁路形成相互支持，提高供电可靠性。

牵引变电所采用2台单相变压器组成的V/X接线变压器，实现了在1座牵引变电所内向2种不同的供电方式（AT供电方式和带回流线的直接供电方式）同时供电的模式，合蚌客专新建的牵引变电所同时向既有水蚌线、淮南线供电，减少了工程投资。

2.4 牵引变电所与接触网电分相的供电关系

从京九线的阜阳枢纽、京沪高速铁路的蚌埠枢纽、合武铁路的合肥枢纽形成的三角形供电系统网络出发，结合各枢纽设置的牵引变电所相序，采用外部电源相序轮换的接入方式，考虑相位顺时针或逆时针旋转60°的研究方法，使得各牵引变电所馈线之间相位差满足不大于60°的要求。

2.5 运用建模分析线路谐振特性确保运行安全

供电系统网络的谐振，一直是供电系统设计难以避免的问题。谐振引起的过电压、过电流将引起保护装置误动作，损坏供电设备，严重时可能引起整个牵引供电网络的崩溃，影响高速铁路牵引供电系统和机车的安全稳定运行。笔者在设计过程中采取与高校合作科研的模式，对合蚌牵引供电系统和所采用的CRH2、CRH3系列机车进行建模分析，根据分析结果确定了合蚌电分相设置位置和变压器短路阻抗比，并在施工设计中优化接触网结构，极大地优化了合蚌供电系统设计，从设计方面避免了谐振发生的可能性，减少将来对设备的损坏。

图2 刘府南牵引变电所主接线图

3 牵引变电所设计

3.1 牵引变电所可靠性设计

（1）牵引变电所主接线。主接线是牵引变电所设计的核心，通过优化主接线设计可以从根本上提高牵引变电所的可靠性。牵引变电所主接线设计采用的可靠性措施如下：

电源采用2回220 kV电源并互为热备用，进线采用线路变压器组接线方式，每回电源进线供一组牵引变压器，每组牵引变压器分别由2台220/2×27.5 kV单相牵引变压器通过外部连接构成三相V/X接线，正常时1回电源供电，1回电源备用，并设置备用电源自动投入装置。2×27.5 kV设T1（F1）、T2（F2）相母线，每相采用单母线接线方式。牵引变电所馈线通过电动隔离开关和断路器与接触网相连，并在上下行接触网之间设置带有电动隔离开关的跨条，上下行馈线断路器互为备用，正常运行时上下行馈线断路器同时投入运行，上下行分别供电，当其中1台断路器故障时，上下行接触网跨条上的电动隔离开关合闸，由另1台断路器负责上下行全部负荷。牵引变电所主接线如图2所示。

（2）主要设备材料选择。牵引变压器采用国内先进的三相V/X接线油浸自冷变压器，实现了在1座牵引变电所内向2种不同的供电方式同时供电。V/X接线牵引变压器具有负荷平稳、电能损耗小、有效利用列车再生电能、运营费用低、结构简单、可靠性高、设备数量少、运营维护方便和工程投资低等优点。

27.5 kV开关设备采用 GIS开关柜，GIS开关柜具有高可靠性，少维护甚至免维护，小型化，布置简单，集成程度高，节省电缆、节省房屋面积和占地面积等诸多优点。

变电所的接地材料采用铜材质。

（3）自用电系统。牵引变电所设3台所用变压器，1台变压器的电源取自27.5 kV母线，另2台由电力专业设置。分区所、AT所均设2台所用电变压器，其中1台变压器的电源取自10 kV电力贯通线，另1台取自27.5 kV母线。采用2台或3台所用变压器，保证了变电所所用电的可靠性。

（4）高压电缆在线监测。该工程牵引变压器（或自耦变压器）至开关柜以及开关柜至接触网之间采用了大量的27.5 kV高压电缆。电缆具有运行维护工作量小、不占空间等优点，但也有故障查找、故障速度恢复慢，检修周期长等不足。采用高压电缆在线监测技术，可以有力保障电缆的安全运行，提高变电所的可靠性。

3.2 牵引变电所资源共享设计

（1）变电所同时为多条铁路供电。合蚌客专变电所除为本线供电外，还需为三线电化（直接供电方式）、合福铁路供电，同时预留商杭客专供电条件，详见本文第2章牵引供电方案设计。通过设置共用的牵引变电所，可减少牵引变电所3座，节约电气化主体工程投资约5 000万元，节约变电所外部电源投资约1.5亿元，节约土地约1.53公顷，减少变电所总安装容量约20 MV·A，每年节约基本电费约552万元，经济效应显著。

（2）生产房屋与电力变配电所合建。利用牵引变电所场坪，将牵引变电所生产房屋和电力变配电所合建，取消电力变配电所场坪，节省了占地面积。合建的变电所共用部分生产房屋（如控制室、通信机械室）和辅助生产房屋（如值班室、盥洗间、工具室），同时可共用10 kV电源。通过牵引变电所与电力变配电所合建，共用配电设施，不仅节省了房屋面积，还提高了牵引变电所所用电的可靠性。取得了很好的经济和技术效益。合建的牵引变电所生产房屋布置见图3。

图3 牵引变电所与电力变配电所合建生产房屋平面图

3.3 牵引变电所创新设计

（1）变电所总平面布置。变电所总平面布置采取了以下优化措施：断路器和变压器之间减少1个4 m间隔；牵引变压器之间设置防火墙，减少了变压器之间的防火距离；所内设备运输道路设置于变压器和生产房屋之间，充分利用主变和生产房屋之间的空间；通过以上优化措施，缩减了变电所的场坪面积，节省占地。

（2）综合自动化系统采用分散安装方式。在电力系统及地铁项目中，综自系统大多采用分散安装，但目前国内铁路系统牵引变电所综合自动化系统均采用集中组屏安装方式，采用分散安装是合蚌客专的首次尝试和创新。采用分散安装方式可以减少控制屏的数量，从而减少控制室面积，而且能够极大减少二次电缆的数量和安装工程，从而缩短综自系统的安装调试时间。

4 结语

合蚌客专供变电设计吸收了近几年国内高铁建设积累的丰富经验，也考虑了自身的工程特点。根据线位特点，提出了新建3座牵引变电所，同时为合蚌客专和三线电化工程等多条铁路供电的方案，实现了资源共享，节约投资。外部电源相序轮换的接入方式，为三角形供电地区的电分相设置方案以及相序设计提供了参考。设计过程中采用了计算机建模分析方法对谐振机理进行了研究分析，寻找谐振出现的规律，并采取有效措施抑制谐振的产生，保证高速电气化铁路的安全、可靠运行。变电所设计中采取多项可靠性措施，通过生产房屋与电力变配电所合建可减少房屋建筑面积，在变电所总平面布置和综合自动化系统的安装方式的设计中采用了创新设计。

[1] 新建铁路合肥至蚌埠客运专线初步设计 第十二篇 电气化．上海：中铁上海设计院，2008.

[2] TB10009-2005 铁路电力牵引供电设计规范[S].

[3] TB10621-2009 高速铁路设计规范（试行）[S].

[4] 李群湛，连级三，高仕斌．高速铁路电气化工程[M]．成都：西南交通大学出版社，2006.

[5] 电气化铁道设计手册：牵引供电系统.北京：中国铁道出版社，1988.

Hefei-Bengbu passenger dedicated line is designed according to speed of 350 km/h. Due to its involving many districts and railway terminals, closely crossed and parallel with several railways, high reliability requirements, and multiple traction feeders, the design of traction power supply system is very difficult. Traction power supply is designed in combining the traffic network planning and considering the resource sharing requirements. Power supply scheme of districts and railway terminals is studied in the first instance, and then the entire substation distribution is determined. Traction substation is designed centering on reliability, resource sharing, innovation and so on.

Hefei-Bengbu passenger dedicated line; traction substation; design

U223.5

B

1007-936X(2014)04-0030-05

2013-10-14

黄建平.中铁上海设计院集团有限公司电气化处，工程师，电话：15021637935。