2019年12月30日，伴隨著京張高鐵的順利開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，中國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)里程已突破3.5萬(wàn)km，約占全球高鐵網(wǎng)的七成，高居世界第一。短短十余年間，中國(guó)高鐵技術(shù)也從“跟跑”、“并跑”世界，實(shí)現(xiàn)了“領(lǐng)跑”世界的華麗轉(zhuǎn)身。在“一帶一路”走出去戰(zhàn)略和“交通強(qiáng)國(guó)、鐵路先行”理念倡導(dǎo)下，中老鐵路、雅萬(wàn)高鐵等海外工程穩(wěn)步推進(jìn)，國(guó)內(nèi)“八縱八橫”高鐵網(wǎng)也隨著國(guó)家每年千億以上鐵路建設(shè)投資日趨完善。

按照3.5萬(wàn)km高速鐵路和目前我國(guó)普遍采用的京張高鐵的牽引供電系統(tǒng)及變電所主接線方式進(jìn)行粗略計(jì)算（即每50km設(shè)置一座牽引變電所，每所設(shè)置4臺(tái)牽引變壓器），截至2019年底我國(guó)高速鐵路已大約投入牽引變電所近700座，投運(yùn)牽引變壓器約2800臺(tái)。

1 我國(guó)高速鐵路牽引變電所布置及牽引變壓器出線方式

1.1 京津城際牽引變電所布置及牽引變壓器出線方式

2008年開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的京津城際作為我國(guó)引進(jìn)消化吸收德國(guó)西門(mén)子技術(shù)的首條時(shí)速350km高速鐵路，采用AT供電方式。全線設(shè)有武清、亦莊2座牽引變電所，包含牽引變壓器在內(nèi)的變電所設(shè)備基本采用德國(guó)西門(mén)子進(jìn)口設(shè)備。

變電所內(nèi)220kV配電裝置采用室外中低式布置，2×27.5kV配電裝置采用室內(nèi)氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備（gas insulated switchgear, GIS）開(kāi)關(guān)柜布置方式，牽引變壓器與變電所設(shè)備房屋間距離為15m，滿足消防及運(yùn)營(yíng)檢修要求。所內(nèi)牽引變壓器出線采用上側(cè)出線方式經(jīng)電纜支架支撐的中壓電纜直接接引至室內(nèi)中壓開(kāi)關(guān)柜，其側(cè)視安裝如圖1所示，其三維立體安裝如圖2所示。

圖1 武清牽引變壓器低壓側(cè)側(cè)視安裝圖

圖2 武清牽引變低壓側(cè)三維立體安裝圖

1.2 京張高鐵牽引變電所布置及牽引變壓器出線方式

2019年開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的京張高鐵作為北京冬奧會(huì)的重要配套工程，由我國(guó)自主設(shè)計(jì)建造，是世界上最先進(jìn)的時(shí)速350km的智能高速鐵路，同樣采用AT供電方式。其全線設(shè)有黃土店、大浮陀、新保安、張家口南4座牽引變電所，包含牽引變壓器在內(nèi)的變電所設(shè)備均采用國(guó)產(chǎn)設(shè)備。黃土店、大浮陀2座牽引變電所為整體室內(nèi)布置。

新保安、張家口南2座牽引變電所內(nèi)220kV配電裝置、主變壓器為戶外布置，2×27.5kV配電裝置為戶內(nèi)GIS柜布置方式，是當(dāng)今我國(guó)高鐵普遍采用的主流布置形式。牽引變壓器與變電所設(shè)備房屋間距離為14m，滿足消防及運(yùn)營(yíng)檢修要求。牽引變壓器出線采用上出線方式經(jīng)轉(zhuǎn)換支柱支撐的硬母線連接過(guò)渡后與中壓電纜連接，再由中壓電纜接引至室內(nèi)中壓開(kāi)關(guān)柜，其側(cè)視安裝如圖3所示，其安裝實(shí)景如圖4所示。

圖3 京張高鐵牽引變低壓側(cè)側(cè)視安裝圖

圖4 京張高鐵牽引變低壓側(cè)實(shí)景

此種連接方式通過(guò)橫向支撐銅排將牽引變壓器低壓出線套管與豎向低壓電纜進(jìn)行了過(guò)渡連接，雖然克服了變壓器上側(cè)出線電纜直接接引的電纜支撐方式下諸如電纜彎曲半徑與工藝美觀兩者不能兼顧的弊端問(wèn)題，但是增加了牽引變壓器出線套管與電纜終端連接的相關(guān)的支撐與過(guò)渡轉(zhuǎn)換材料設(shè)備，具體明細(xì)見(jiàn)表1。

由于此種方式所需的材料眾多，將造成現(xiàn)場(chǎng)裝配工作量的增加，對(duì)于采用中國(guó)高鐵技術(shù)的境外工程實(shí)施存在材料丟失現(xiàn)場(chǎng)裝配風(fēng)險(xiǎn)。

表1 張家口南牽引變出線側(cè)材料表

2 牽引變壓器新技術(shù)的提出

2.1 牽引變壓器低壓側(cè)采用電纜出線

變壓器采用電纜出線或者電纜出線箱方式早在20世紀(jì)60、70年代就已有相關(guān)資料記載和投入實(shí)際使用的案例。目前在電力變壓器上已有成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，高速鐵路牽引變壓器低壓側(cè)可完全借鑒。牽引變壓器采用電纜出線方式，采用從油箱中部引出的電纜下出線方式，如圖5所示，其中，外部電纜終端可采用當(dāng)今先進(jìn)、主流的插接式終端頭。

圖5 牽引變壓器低壓側(cè)電纜出線示意圖

2.2 牽引變壓器絕緣油采用植物油

變壓器絕緣油采用植物絕緣油從20世紀(jì)90年代后在歐美地區(qū)開(kāi)始廣泛推廣，目前歐美部分發(fā)達(dá)國(guó)家已掌握110～420kV電壓等級(jí)植物油大型電力變壓器關(guān)鍵技術(shù)，植物油已成為礦物絕緣油的良好替代品。

與礦物絕緣油相比，植物絕緣油可再生、可完全生物降解，環(huán)保特性良好；燃點(diǎn)高達(dá)360℃（礦物油為160℃～180℃），大大提升了消防安全；可延長(zhǎng)絕緣紙板壽命，提升油浸紙板起泡溫度，增強(qiáng)了變壓器的長(zhǎng)時(shí)負(fù)載能力和短時(shí)過(guò)載能力。2019年國(guó)內(nèi)主要變壓器生產(chǎn)廠家已成功研制110kV植物油變壓器并在國(guó)內(nèi)電力行業(yè)成功應(yīng)用。

隨著科技的進(jìn)步和國(guó)內(nèi)變壓器生產(chǎn)廠家研發(fā)的力度加大，相信很快能趕超歐美生產(chǎn)出420kV或更高等級(jí)植物油大型電力變壓器。高速鐵路牽引變壓器作為一種特殊的大型電力變壓器，應(yīng)及時(shí)跟進(jìn)并積極推廣使用植物油牽引變壓器。

3 牽引變壓器新技術(shù)下的變電所布置優(yōu)化改進(jìn)

3.1 基于牽引變壓器低壓側(cè)電纜出線方式下的變電所布置

在牽引變壓器低壓側(cè)采用電纜出線方式下，變電所低壓側(cè)的接線與布置形式較之目前我國(guó)主流的高速鐵路牽引變電所（如前文2.2節(jié)所述京張高鐵張家口南牽引變電所）接線與布置形式會(huì)發(fā)生很大變化。由于牽引變壓器低壓側(cè)直接與電纜連接，連接變壓器低壓側(cè)的室外電纜將直接垂直引入電纜溝，沿室外電纜溝穿過(guò)墻體經(jīng)設(shè)備房夾層橋架與室內(nèi)GIS柜相連接。

由此可見(jiàn)，采用牽引變壓器低壓側(cè)電纜出線方式下，接線與布置方式簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)安裝材料節(jié)省，無(wú)需使用表1所述的支撐電纜的支架及相關(guān)配套材料，利于安裝實(shí)施和后期的運(yùn)行維護(hù)。固化此種接線方式，形成標(biāo)準(zhǔn)，將會(huì)極大方便中國(guó)高鐵“走出去”發(fā)展戰(zhàn)略。

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3.2 采用植物油牽引變壓器的變電所布置

牽引變壓器采用植物油，除了前文2.2節(jié)所述的良好的電氣性能、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)外，由于植物油變壓器消防性能優(yōu)良，特別適合地下變電站、城市人口密集區(qū)等對(duì)消防安全要求較高的區(qū)域。在境外土地資源有限、環(huán)保要求較高的地區(qū)作用特別凸顯，比如香港地鐵大圍站主變電所132kV/33kV變壓器采用植物油變壓器，其變壓器與建筑物的布置距離不超過(guò)3m。

在此情況下，目前的高速鐵路牽引變電所牽引變壓器間、牽引變壓器與變電所建筑物（27.5kV GIS柜室和控制室設(shè)備用房）的最小防火距離可進(jìn)一步縮短，牽引變電所室外包含牽引變壓器在內(nèi)的高壓區(qū)設(shè)備布置將更加集中，變電所的占地面積將有效減少。

如果京張高鐵采用植物油牽引變壓器，那么張家口南牽引變電所牽引變壓器與GIS開(kāi)關(guān)柜室距離將至少縮減一半，變電所的占地面積將減少五百多平方米。今后我國(guó)的高鐵若采用植物油牽引變壓器，優(yōu)化變電所室外高壓設(shè)備布置，將極大減少變電所的占地面積。

我國(guó)鐵路《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》實(shí)現(xiàn)后遠(yuǎn)期高速鐵路將達(dá)到4.5萬(wàn)km左右，按照未來(lái)將建設(shè)1萬(wàn)km的高速鐵路進(jìn)行粗略計(jì)算，將實(shí)現(xiàn)節(jié)約十萬(wàn)多平方米變電所占地面積。更重要的是環(huán)保的同時(shí)解決了以往高鐵牽引變電所建設(shè)過(guò)程中由于原變電所選址面積不足移址建設(shè)，造成接觸網(wǎng)上網(wǎng)供電線投資同時(shí)增加的問(wèn)題。

相信隨著我國(guó)變壓器生產(chǎn)廠家植物油變壓器技術(shù)的日趨成熟，今后高速鐵路牽引變電所采用更節(jié)能、更環(huán)保、電氣性能更優(yōu)的植物油變壓器也將成為主流。

4 結(jié)論

目前，牽引變壓器采用低壓側(cè)電纜出線方式新技術(shù)和采用植物油牽引變壓器技術(shù)在我國(guó)高鐵建設(shè)中還未得到實(shí)際應(yīng)用，本文將國(guó)內(nèi)外電力變壓器兩種新技術(shù)引入我國(guó)高鐵牽引變電所建設(shè)，還需建設(shè)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、施工等多方努力、共同作用，協(xié)力推進(jìn)以盡早形成應(yīng)用。同時(shí)，早日固化形成中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，可促進(jìn)中國(guó)高鐵在“走出去”發(fā)展戰(zhàn)略和“一帶一路”建設(shè)中發(fā)揮更大作用。

本文編自2021年第1期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“基于變壓器新技術(shù)的高速鐵路牽引變電所節(jié)能與標(biāo)準(zhǔn)化布置”，作者為程衛(wèi)軍。