某高原铁路牵引变电所接入电网技术研究

何志强,郑 勇,杨 帆,晏小彬,范 宇

(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司,成都 610021)

1 概述

新建某高原铁路雅安至林芝段从雅安站引出，向西经雅安、甘孜、昌都和林芝四市州，止于林芝站，新建正线长度1 011 km。

该段铁路牵引变电所单站终期95%概率负荷约3.5万～9.5万kW，拟采用220 kV电压等级接入电网。该区间地方电网十分薄弱，尤其是所经四川省康定市至西藏自治区波密县之间近800 km规划建设了20座牵引变电所，但目前其间仅有2座500 kV变电站可供接入，其他大部分路段仅有110 kV及以下配电网络覆盖，220 kV及以上主电网基本为空白[1]。

一方面由于桥隧比高、战略地位特殊，牵引变电所供电可靠性要求较高；另一方面由于地形条件复杂，沿线新建变电站选址和输电线路通道选择难度又极大[2-4]。因此，该铁路牵引变电所供电方案需统筹兼顾经济性、供电可靠性和变电站布点受限等因素，研究改进现有接入电网技术路线的可行性。

2 现有牵引变电所接入电网技术

2.1 电气主接线及运行方式

现有技术中铁路牵引变电所高压侧电气主接线结合外部电源条件确定，一般有分支接线、线路变压器组、外桥、内桥、单母线分段等多种接线方式。

无论采用哪种电气主接线形式，一般正常运行方式下铁路牵引变电所每回进线均各带1台变压器独立运行，其中一台变压器处于工作状态通过馈线向铁路牵引网供电，另外一台变压器处于热备用状态。当处于工作状态的变压器或其进线出现故障，可通过设置的保护装置使变压器低压侧的断路器分闸，将故障变压器及进线退出运行，通过备自投装置(或人工操作)将备用变压器低压侧的断路器合闸并投入工作状态[5-9]。

2.2 接入电网方案

根据有关导则，现有技术对铁路牵引变电所接入电网方案有如下要求[10]。

(1)铁路牵引变电所应由2路电源供电，当任一路电源故障时，另一路电源应正常供电。

(2)铁路牵引变电所2路电源宜取自不同电源点的2座变电站，如取自同一变电站，则应取自不同母线段且接入的变电站应至少有2路电源进线，并应同时考虑在接入的变电站扩建或检修情况下对牵引变电所供电的影响及应采取的措施。

按照上述原则，铁路牵引变电所接入电网的方式主要有2种：一种是2路电源均来自同一变电站不同母线，另一种是2路电源来自不同变电站。

2.3 技术局限性

采用现有铁路牵引变电所接入电网技术存在如下局限性。

(1)对所接入变电站电气主接线的要求

当铁路牵引变电所接入同一座变电站时，为满足上述导则条件要求，检修或者扩建时牵引变电所接入母线必须不能同时停运。对于牵引变电所接入母线采用GIS(气体绝缘金属封闭开关设备)的，为避免母线设备扩建或检修时全停电，电气主接线形式为单母线的一般应采用单母线分段接线方式，为双母线的一般应采用双母线双分段接线方式。

我国铁路牵引变电所接入电网电压等级大多采用110 kV或220 kV。目前，我国电网中变电站110 kV或220 kV母线电气主接线一般采用单母线或双母线接线方式。根据一般设计原则，变电站110～220 kV母线出线回路数为3～4回时，其电气主接线采用单母线分段接线方式，而只有出线回路数为15回及以上时，其电气主接线才会采用双母线双分段接线方式[11]。因此，如果一座牵引变电所2路电源来自同一已建变电站，且牵引变电所接入母线采用GIS的，为满足上述导则条件，则要求接入母线为单母线分段接线或双母线双分段接线方式，这可能需要对已建变电站母线主接线进行改造。对于已建变电站，通常母线改造会影响正常供电且存在较大难度。

(2)接入电网方案的局限性

一般正常运行状态下牵引变电所各自独立承担其供电分区负荷，当某牵引变电所全所停电时，可由相邻牵引变电所向停电牵引变电所的供电分区临时越区供电。而一旦2座相邻牵引变电所同时停电，则将有一段供电分区无法转供而完全失电，届时该区段牵引机车将无法运行。因此，为避免某一供电分区完全失电，应尽量避免2座相邻牵引变电所同时停电。

若相邻2座铁路牵引变电所2路电源均来自同一变电站，在该变电站发生全停故障时，这2座相邻铁路牵引变电所将会同时停电，从而导致一段供电分区完全失电。若意外停电后停车发生在恶劣气象条件下或隧道中，将可能引发旅客不适或不满而造成较大社会影响。因此，对于桥隧比较高路段，一般2座相邻铁路牵引变电所两路电源不宜同时全部取自同一变电站。这就要求在某些变电站布点较少但牵引变电所布点相对较多的区域，需新建较多线路或新增变电站布点，才能满足牵引变电所更高供电可靠性的要求。

以某地区2座变电站合理供电范围内有3座牵引变电所为例(图1)，为避免某一变电站发生全停故障时2座相邻铁路牵引变电所同时全部停电，典型接入电网方案是将牵引变电所A以两回线路接入变电站1，牵引变电所B以两回线路接入变电站2，牵引变电所C则分别以一回线路接入变电站1和变电站2。

图1 2座变电站和3座牵引变电所典型方案示意

再以某地区2座变电站合理供电范围内有4座牵引变电所为例(图2)，为避免某一变电站发生全停故障时2座相邻铁路牵引变电所同时全部停电，典型接入电网方案是将牵引变电所A以两回线路接入变电站1，牵引变电所D以两回线路接入变电站2，牵引变电所B和C则分别以一回线路接入变电站1和变电站2，见图2(a)；另外也可新建变电站3，牵引变电所B分别以一回线路接入变电站1和变电站3，牵引变电所C则分别以一回线路接入变电站2和变电站3，牵引变电所A和D接入电网方案保持不变，见图2(b)。

图2 2座变电站和4座牵引变电所典型方案示意

无论采用上述哪种方案，对于地形条件复杂、变电站站址和线路通道资源紧张的地区，牵引变电所采用接入电网新增大量线路或新增变电站布点的方案，一方面会存在选站选线难度较大的问题，另一方面其方案经济性方面也存在需提高的空间[12-17]。

3 新型牵引变电所接入电网技术研究

基于采用现有铁路牵引变电所接入电网技术存在的局限性，提出一种铁路牵引变电所与变电站两两串联接入电网技术[18]，其研究内容如下。

3.1 牵引变电所接入电网方案

2座变电站和2座牵引变电所采用串联方式连接，其中，牵引变电所A至变电站1采用两回线路连接，至牵引变电所B采用一回线路连接；牵引变电所B至变电站2采用一回线路连接，见图3。

图3 牵引变电所接入电网方案示意

采用两回线路连接的变电站和牵引变电所方案选择，可根据主电网、相关变电站和连接线路路径通道情况和线路长度等因素，经综合技术经济比较后择优确定。

3.2 牵引变电所电气主接线

图4中牵引变电所A电气主接线采用双母线接线，其中，至牵引变电所B的进线布置在至变电站1的进线中间；牵引变电所B电气主接线采用单母线分段接线，见图4。牵引变电所A和B电气主接线形式的选择，是为满足正常情况下实现与现有技术铁路牵引变电所接入电网方案相同的运行方式和故障情况下，2座牵引变电所电源进线切换的灵活性和可靠性。

图4 牵引变电所电气主接线示意

3.3 牵引变电所运行方式

正常运行方式下(图5)，变电站1至牵引变电所A一回线路带牵引变电所A一台变压器(图中1号变压器)独立运行，并通过馈线向铁路牵引网供电；变电站2至牵引变电所B一回线路带牵引变电所B的一台变压器(图5中2号变压器)独立运行，并通过馈线向铁路牵引网供电。变电站1至牵引变电所A另一回线路带牵引变电所A另一台变压器处于热备用状态，再通过牵引变电所A至牵引变电所B线路带牵引变电所B另一台变压器处于热备用状态。正常运行方式下2座牵引变电所工作状态与现有技术铁路牵引变电所接入电网方案相同，均为“一主一备”(一组进线及主变主要供电，另一组进线及主变热备用)工作方式。

图5 正常运行方式示意

当牵引变电所A或B中各自工作变压器或其进线出现故障，其故障处理及恢复供电方式与现有技术铁路牵引变电所接入电网方案仍基本相同，均为通过低压侧备自投装置(或人工操作)实现电源切换。

当发生某个变电站全停故障时，则可通过调整牵引变电所进线侧母线运行方式实现供电，具体如下。

变电站1全停电时(图6)，变电站2至牵引变电所B线路带牵引变电所B的2号变压器处于工作状态，带牵引变电所B的1号变压器处于热备用状态；牵引变电所B至牵引变电所A线路带牵引变电所A的2号变压器处于工作状态，带牵引变电所A的1号变压器处于热备用状态。

图6 变电站1全停电时运行方式示意

变电站2全停电时(图7)，变电站1至牵引变电所A一回线路带牵引变电所A的1号变压器处于工作状态，变电站1至牵引变电所A另一回线路带牵引变电所A的2号变压器处于热备用状态；变电站1至牵引变电所A备用出线通过牵引变电所A至牵引变电所B的线路，再带牵引变电所B的1号变压器处于工作状态，带牵引变电所B的2号变压器处于热备用状态。

图7 变电站2全停电时运行方式示意

3.4 技术特点

(1)新技术仍然符合现有电气化铁路牵引变电所接入电网导则要求，其电气主接线采用传统电气主接线方案，正常运行方式与现有技术相同，仅铁路牵引变电所电源进线方案和故障情况下的操作逻辑有所变化，未明显增加建设和运行难度。

(2)新技术可减少新建输电线路长度或变电站布点需求，相应减少新建工程量可降低工程总体造价。对于地形条件复杂、变电站站址和线路通道资源紧张的地区，减少选站选线工作量也能显著降低工程建设难度。

(3)新技术中2座牵引变电所由2座变电站共三回线路供电，即便其中一座变电站全停也能保证2座牵引变电所仍能同时带电运行，大大降低了其同时全部停电的可能性，供电可靠性高于现有技术中铁路牵引变电所接入电网方案。

(4)由于即便一座变电站全停也能保证2座牵引变电所仍能同时带电运行，新技术中对所接入的变电站电气主接线形式无特殊要求，避免对已建变电站母线主接线形式实施改造困难。

4 新技术应用场景

4.1 应用技术场景

提出的牵引变电所接入电网技术适用于2座变电站合理供电范围内有2座或2座以上牵引变电所需接入电网的场景，具体如下。

(1)2座变电站合理供电范围内有2座牵引变电所时，其方案如图4所示。

(2)2座变电站合理供电范围内有3座牵引变电所时，其方案如图8所示。图8中方式的选择可根据主电网、相关变电站和连接线路路径通道情况和线路长度等因素，经综合技术经济比较后择优确定。

图8 2座变电站和3座牵引变电所方案示意

(3)2座变电站合理供电范围内有4座牵引变电所时，其方案如图9所示。本场景下选择不相邻的2座牵引变电所分别与2座变电站形成变电站1-牵引变电所A-牵引变电所C-变电站2和变电站1-牵引变电所B-牵引变电所D-变电站两组接入电网方案组合，其出发点是考虑在除发生2座变电站同时全部停电外，其他故障造成其中一组组合全部停电的极端情况下，另一组组合仍可正常供电，避免2座相邻牵引变电所同时停电时，导致一段供电分区无法转供而完全失电的情景发生，进一步提高供电可靠性。

图9 2座变电站和4座牵引变电所方案示意

2座变电站合理供电范围内有5座或以上牵引变电所的场景较为罕见，也可参照上述场景酌情使用研究提出的接入电网方案，不再一一列举。

4.2 应用工程场景

对于电气化铁路沿线地方电网薄弱、除牵引变电所供电需求外无主电网延伸覆盖需求的地区，新技术可明显减少新建输电线路长度或变电站布点，有显著的推广价值。以新建某高原铁路为例，所经四川省康定县至西藏自治区波密县之间近800 km路段，目前仅有2座500 kV变电站可供牵引变电所接入，其他大部分路段仅有110 kV及以下配电网络覆盖且基本满足地方供电需求，新建主电网主要是为满足牵引变电所供电需要。根据初步接入系统方案研究成果，采用新技术较现有技术可减少220 kV变电站2座，减少220 kV接入电网线路约340 km，节约工程投资约10.3亿元，经济效益明显，同时也降低了工程选站选线的难度；此外还完全避免发生1座变电站故障造成连续2座牵引变电所同时停电的风险，大大提高铁路供电可靠性[19-20]。

规划建设的川藏、青藏、新藏、滇藏及西藏内部铁路所经西藏自治区及其邻近的四川、青海、新疆和云南交界地区电网结构薄弱，也需新建220 kV以上主电网满足牵引变电所供电需要，均适用于本文提出的新技术。

5 结论与建议

(1)提出一种新型铁路牵引变电所接入电网技术。新技术提出2座变电站和2座牵引变电所采用串联方式连接，同时明确了牵引变电所的电气主接线和运行方式。新技术中牵引变电所正常运行方式仍与现有技术相同，仅电源进线方案和故障情况下的操作逻辑有所变化。

(2)新技术可明显提高复杂高原铁路牵引变电所供电可靠性，减少变电站布点及接入电网线路长度，降低工程投资，还可避免对已建变电站母线主接线形式进行改造的实施困难问题。新技术适用于2座变电站合理供电范围内有2座或2座以上牵引变电所接入电网的场景。对于电气化铁路沿线地方电网薄弱地区，新技术有十分显著的推广价值。

(3)建议铁路及电力部门对铁路牵引变电所本体设计方案及运行方式等方面进行深入研究，并适时开展新技术应用试点，制定相关设计和运行规范，以便下一步在适宜地区的铁路牵引变电所接入电网工程中推广应用。