变压器采用新技术后高铁牵引变电所的节能与标准化布置优化.docx

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1、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

2、设投资日趋完善。按赢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35Okm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

3、布置，227.5kV配电装置采用室内气体绝缘开关设备(gasinsulatedswitchgear,GlS)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

4、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，2x27.5kV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

5、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Io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。*彳名称型号规格mm数量12-27.5kV5低压电观头因定支柒H熨钢柱/的HW240-2401.=360032顶板/块-5OO3OO!O13顶板球-430300i

6、044槽师根I8=64045擂钢硬I8-2S00300,300,1026槽钢，根I8-1180300300l047加强板/块-300300-868I5-25858修号名称型号烷格mm9支持绝缘子/只ZSW-6341.Iejg=I400810银锡铜悻，m120103511矩形母歧立放固定金具/套MW1.-KM812铜母线伸缩节/套MS-12010313非磁性电遂固定夹具/个2414电境保护曾仙PVC100壁M44015电观保护管JmPVC，60三V45注：电蝮及电健附件具体以设计敷量为准.不包含在表I内.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

7、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110420kV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，

8、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360C(矿物油为16(C180C),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己成功研制IlokV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

9、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GlS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

10、，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132kV33kV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（27.5kVGlS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

11、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

12、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。附高铁车载牵引变压器轻量化设计的新方法随着我国高速铁路机车牵引功率的快速增加，综合考虑效率、电磁参数、绝缘性能和散热等问题的牵引变压器轻量化设计需求口渐突出。研究人员基于液体冷却的强化换热和冷却系统的绝缘设计，提出一种高铁车载牵引变压器的芯式电磁结构，为高速铁路车载牵引变压

13、器的轻量化设计和优化提供了一种行之有效的方法。近年来，我国高速动车和相关装备制造产业链的快速发展使得高铁关键技术及核心零部件的创新研究需求迫切，技术创新、成本可控对我国在该领域保持领先并持续占据制高点具有重大的战略意义。牵引变压器作为高速动车组牵引传动系统中的核心装备。随着高速动车组技术的不断发展，整车对于各部件的技术指标的需求不断提升，促使牵引变压器不断朝着轻量化方向发展。“复兴号”牵引变压器功率密度已高达0.99kVAkg,较上一代技术提升近1倍，且基本达到国际目前最高水平(1.OkV-AZkg)o牵引变压器减重可大幅提升列车整体技术经济性，因此，新型轻量化牵引变压器是高铁配套重大装备突破

14、的重要方向之一。中国科学院电工研究所等单位研究的牵引变压器电磁结构设计方案以新型强化换热原理为基础，取消目前使用的具有一定潜在风险的可燃性变压器绝缘油，通过提升工质冷却能力实现提高功率密度和结构紧凑度。由于牵引变压器采用紧凑体积结构时，损耗的增加不仅需要解决散热问题，绝缘设计也更为困难。而牵引变压器的电磁结构参数也会影响变压器运行效率和控制变频器的工作特性，因此，在牵引变压器设计时需要综合考虑变压器的效率损耗、散热、绝缘和电抗参数等问题，在将轻量化作为主要设计目标时，由于与其他设计参数之间会存在一定冲突，因此不能同时达到最优设计，所以牵引变压器轻量化设计本质上是一个具有复杂约束条件的优化问题。

15、牵引变压器设计在满足绝缘和散热要求的条件下，要考虑减少损耗，控制电抗参数大小。变压器电磁性能求解主要采用有限元法和解析法。有限元法计算精度高，易于处理复杂结构，但精细的网格剖分在提高精度的同时也导致计算速度较慢。而在牵引变压器初始设计阶段和进行优化分析时采用解析计算方法可以更清晰地描述结构设计参数与电磁性能的关系，具有解析速度快、计算量小等优点。中国科学院电工研究所等单位设计的牵引变压器本体布置于动车组车底，空气冷凝器安装于车顶，并通过位于车体两侧夹层内的管道将牵引变压器箱体与冷凝器连通，实现冷却系统工质的密闭循环，如图1所示。图I牵引变压器结构布置中国科学院电工研究所等单位的科研人员基于液体

16、冷却的强化换热和冷却系统的绝缘设计，提出了一种高铁车载牵引变压器的芯式电磁结构。变压器绕组采用饼式线圈，其间设计有液体冷却工质流动通道。图2牵引变压器电磁结构他们在变压器解析设计方法的基础上，以高、低压绕组匝数、铁心直径和工作磁通密度作为优化参数，采用遗传算法进行优化，实现了轻量化设计，并研制了一台900kVA采用非油类液体强化冷却的牵引变压器原理样机。图3牵引变压器样机结构图4试验装置数值仿真和试验测试表明，铁心部分对整机轻量化目标的实现有显著影响，提高铁心工作磁通密度、绕组工作电流密度和强化冷却可以有效降低变压器整体质量。本研究成果为高速铁路车载牵引变压器的轻量化设计和优化提供了一种行之有效的方法。