变压器采用了新技术，高铁牵引变电所的节能与标准化布置怎样优化？

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中铁电气化局集团有限公司电气化公司的研究人员程卫军，在2021年第1期《电气技术》上撰文，通过对我国高速铁路初期开通运营的京津城际和2019年末开通运营的智能京张牵引变电所的布置和牵引变压器出线方式的阐述，结合电力变压器电缆出线新技术和植物绝缘油新技术，提出了高速铁路在采用牵引变压器新技术下的变电所布置在节能和标准化方面的优化思路。

2019年12月30日，伴随着京张高铁的顺利开通运营，中国高铁运营里程已突破3.5万km，约占全球高铁网的七成，高居世界第一。短短十余年间，中国高铁技术也从“跟跑”、“并跑”世界，实现了“领跑”世界的华丽转身。在“一带一路”走出去战略和“交通强国、铁路先行”理念倡导下，中老铁路、雅万高铁等海外工程稳步推进，国内“八纵八横”高铁网也随着国家每年千亿以上铁路建设投资日趋完善。

按照3.5万km高速铁路和目前我国普遍采用的京张高铁的牵引供电系统及变电所主接线方式进行粗略计算（即每50km设置一座牵引变电所，每所设置4台牵引变压器），截至2019年底我国高速铁路已大约投入牵引变电所近700座，投运牵引变压器约2800台。

1  我国高速铁路牵引变电所布置及牵引变压器出线方式

1.1  京津城际牵引变电所布置及牵引变压器出线方式

2008年开通运营的京津城际作为我国引进消化吸收德国西门子技术的首条时速350km高速铁路，采用AT供电方式。全线设有武清、亦庄2座牵引变电所，包含牵引变压器在内的变电所设备基本采用德国西门子进口设备。

变电所内220kV配电装置采用室外中低式布置，2×27.5kV配电装置采用室内气体绝缘开关设备（gas insulated switchgear, GIS）开关柜布置方式，牵引变压器与变电所设备房屋间距离为15m，满足消防及运营检修要求。所内牵引变压器出线采用上侧出线方式经电缆支架支撑的中压电缆直接接引至室内中压开关柜，其侧视安装如图1所示，其三维立体安装如图2所示。 

图1  京津城际武清牵引变电所牵引变压器低压侧侧视安装图 

图2  京津城际武清牵引变电所牵引变压器低压侧三维立体安装图

1.2  京张高铁牵引变电所布置及牵引变压器出线方式

2019年开通运营的京张高铁作为北京冬奥会的重要配套工程，由我国自主设计建造，是世界上最先进的时速350km的智能高速铁路，同样采用AT供电方式。其全线设有黄土店、大浮陀、新保安、张家口南4座牵引变电所，包含牵引变压器在内的变电所设备均采用国产设备。黄土店、大浮陀2座牵引变电所为整体室内布置。

新保安、张家口南2座牵引变电所内220kV配电装置、主变压器为户外布置，2×27.5kV配电装置为户内GIS柜布置方式，是当今我国高铁普遍采用的主流布置形式。牵引变压器与变电所设备房屋间距离为14m，满足消防及运营检修要求。牵引变压器出线采用上出线方式经转换支柱支撑的硬母线连接过渡后与中压电缆连接，再由中压电缆接引至室内中压开关柜，其侧视安装如图3所示，其安装实景如图4所示。 

图3  京张高铁牵引变电所牵引变压器低压侧侧视安装图

图4  京张高铁牵引变电所牵引变压器低压侧安装实景图

此种连接方式通过横向支撑铜排将牵引变压器低压出线套管与竖向低压电缆进行了过渡连接，虽然克服了变压器上侧出线电缆直接接引的电缆支撑方式下诸如电缆弯曲半径与工艺美观两者不能兼顾的弊端问题，但是增加了牵引变压器出线套管与电缆终端连接的相关的支撑与过渡转换材料设备，具体明细见表1。由于此种方式所需的材料众多，将造成现场装配工作量的增加，对于采用中国高铁技术的境外工程实施存在材料丢失现场装配风险。

表1  京张高铁张家口南牵引变电所单台牵引变压器出线侧材料表

2  牵引变压器新技术的提出

2.1  牵引变压器低压侧采用电缆出线

变压器采用电缆出线或者电缆出线箱方式早在20世纪60、70年代就已有相关资料记载和投入实际使用的案例。目前在电力变压器上已有成功应用经验，高速铁路牵引变压器低压侧可完全借鉴。牵引变压器采用电缆出线方式，采用从油箱中部引出的电缆下出线方式，如图5所示，其中，外部电缆终端可采用当今先进、主流的插接式终端头。

图5  牵引变压器低压侧电缆出线示意图

2.2  牵引变压器绝缘油采用植物油

变压器绝缘油采用植物绝缘油从20世纪90年代后在欧美地区开始广泛推广，目前欧美部分发达国家已掌握110～420kV电压等级植物油大型电力变压器关键技术，植物油已成为矿物绝缘油的良好替代品。

与矿物绝缘油相比，植物绝缘油可再生、可完全生物降解，环保特性良好；燃点高达360℃（矿物油为160℃～180℃），大大提升了消防安全；可延长绝缘纸板寿命，提升油浸纸板起泡温度，增强了变压器的长时负载能力和短时过载能力。2019年国内主要变压器生产厂家已成功研制110kV植物油变压器并在国内电力行业成功应用。

随着科技的进步和国内变压器生产厂家研发的力度加大，相信很快能赶超欧美生产出420kV或更高等级植物油大型电力变压器。高速铁路牵引变压器作为一种特殊的大型电力变压器，应及时跟进并积极推广使用植物油牵引变压器。

3  牵引变压器新技术下的变电所布置优化改进

3.1  基于牵引变压器低压侧电缆出线方式下的变电所布置

在牵引变压器低压侧采用电缆出线方式下，变电所低压侧的接线与布置形式较之目前我国主流的高速铁路牵引变电所（如前文2.2节所述京张高铁张家口南牵引变电所）接线与布置形式会发生很大变化。由于牵引变压器低压侧直接与电缆连接，连接变压器低压侧的室外电缆将直接垂直引入电缆沟，沿室外电缆沟穿过墙体经设备房夹层桥架与室内GIS柜相连接。

由此可见，采用牵引变压器低压侧电缆出线方式下，接线与布置方式简单，现场安装材料节省，无需使用表1所述的支撑电缆的支架及相关配套材料，利于安装实施和后期的运行维护。固化此种接线方式，形成标准，将会极大方便中国高铁“走出去”发展战略。

3.2  采用植物油牵引变压器的变电所布置

牵引变压器采用植物油，除了前文2.2节所述的良好的电气性能、节能环保等优点外，由于植物油变压器消防性能优良，特别适合地下变电站、城市人口密集区等对消防安全要求较高的区域。在境外土地资源有限、环保要求较高的地区作用特别凸显，比如香港地铁大围站主变电所132kV/33kV变压器采用植物油变压器，其变压器与建筑物的布置距离不超过3m。

在此情况下，目前的高速铁路牵引变电所牵引变压器间、牵引变压器与变电所建筑物（27.5kV GIS柜室和控制室设备用房）的最小防火距离可进一步缩短，牵引变电所室外包含牵引变压器在内的高压区设备布置将更加集中，变电所的占地面积将有效减少。

如果京张高铁采用植物油牵引变压器，那么张家口南牵引变电所牵引变压器与GIS开关柜室距离将至少缩减一半，变电所的占地面积将减少五百多平方米。今后我国的高铁若采用植物油牵引变压器，优化变电所室外高压设备布置，将极大减少变电所的占地面积。

我国铁路《中长期铁路网规划》实现后远期高速铁路将达到4.5万km左右，按照未来将建设1万km的高速铁路进行粗略计算，将实现节约十万多平方米变电所占地面积。更重要的是环保的同时解决了以往高铁牵引变电所建设过程中由于原变电所选址面积不足移址建设，造成接触网上网供电线投资同时增加的问题。

相信随着我国变压器生产厂家植物油变压器技术的日趋成熟，今后高速铁路牵引变电所采用更节能、更环保、电气性能更优的植物油变压器也将成为主流。

4  结论

目前，牵引变压器采用低压侧电缆出线方式新技术和采用植物油牵引变压器技术在我国高铁建设中还未得到实际应用，本文将国内外电力变压器两种新技术引入我国高铁牵引变电所建设，还需建设、设计、生产制造、施工等多方努力、共同作用，协力推进以尽早形成应用。同时，早日固化形成中国标准，可促进中国高铁在“走出去”发展战略和“一带一路”建设中发挥更大作用。

本文编自2021年第1期《电气技术》，论文标题为“基于变压器新技术的高速铁路牵引变电所节能与标准化布置”，作者为程卫军。

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

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