高速铁路电气化变电主要设施

高速电气化铁路牵引供电系统作为从电力系统或一次供电系统接受电能，通过变压、变相或换流（将三相交流电变成工频单相交流电）后，向高速电动车组负载提供所需电流制式的电能，并完成牵引电能传输、配电等全部功能的完整系统，牵引变电系统是整个系统的关键部分，而其中牵引变电所又是牵引供变电系统的重要环节，它完成变压、变相和向牵引网供电等功能，实现公用三相电力系统与单相电力牵引系统的变换。

（一）牵引变电所

牵引变电所是牵引变电系统的心脏，是沿铁路线建设，向高速电动车组供电的电力变电所，我国高速电气化铁路采用的是工频单相25 kV交流制，而电力系统作为一个三相交流系统，需要经过变换电压等级和由三相变换成单相才能使用，同时高速电气化铁路产生的负序和高次谐波对电力系统会造成多种不良影响，也需要通过牵引变电所来解决。

1．作用

牵引变电所的作用是从公用电力系统（Public Electric Power Systems）引入220 kV或110 kV的三相交流电，将其通过变压器转换为适合高速电动车组使用的25 kV或27.5 kV的单相交流电并向铁路上、下行两个方向的牵引网供电。除此而外，它还起着供电保护、测量、控制电气设备，提高供电质量，降低电力牵引负荷对公共电网影响等作用。为确保牵引供电万无一失，牵引供电系统都采用“双备份”模式，两套设备通过切换装置可以互为备用并随时处于“战备”状态，以备不时之需。

2．牵引变电所的类型

牵引变电所在电能变换过程中，按照采用的变压器种类及接线的形式不同，可以将牵引变电所分为以下三种类型：

（1）三相牵引变电所。

牵引变电所内采用三相变压器，是我国电气化铁道目前采用最多的形式。其优点是变压器次边能提供三相电源，供电可靠，操作简单，对电力系统的负序电流影响小；缺点是变压器容量不能得到充分利用，设备多，维修量大。

（2）单相牵引变电所。

牵引变电所内采用单相变压器，变压器的结线可分为纯单相结线和V形结线两种。纯单相结线采用一台单相牵引变压器供电，变压器容量利用率为100%，可以减小变压器的设计容量。纯单相结线牵引变电所的优点是设备简单，维修方便，造价及运营费用低；缺点是没有三相电源，且会对电力系统产生严重的不对称影响。

V形结线是将两台单相变压器接成“V”形结线，它除具有纯单相结线的优点外，还可以提供三相电源。

（3）其他结线形式的牵引变电所。

由于电气化铁道的牵引负荷是移动的，所以要求变压器的结线方式应尽量满足电力系统中的负荷平衡，为此，国外相继出现了几种新型结线方式，比较典型的有斯科特（Scott）结线和伍德桥（Wood-Bridge）结线，它们都能把对称三相电压变成对称两相电压，把单相牵引负荷较对称地分配给三相电力系统，特别是当变电所两个供电分区上的负荷电流相等时，三相电力系统则完全对称，这就降低了三相电力系统的不对称度。

3．牵引变电所主要设备

通常将变电所设备分为一次设备和二次设备，一次设备是用于完成电能变换、输送、分配等功能且接触高电压的电气设备，主要有用于将电压升高或降低的电力变压器，它是变电所的中心设备，如果主变压器产生故障，变电所就需投入备用变压器；用于接通和开断电路的高压开关设备，包括：断路器、隔离开关、熔断器、接触器等；用于限制故障电流和防御过电压的电抗器、避雷器等；用于传输电能的母线、电缆等载流导体。 二次设备用于完成对一次设备的控制、监视、测量、计量、保护功能且不接触高电压的继电保护装置、监视仪表、操作电路等设备，主要有电压互感器、电流互感器、无功补偿装置、调压装置等，随着科技的发展，二次设备更加集成化和智能化，形成了牵引变电所自动化系统，为牵引变电所的远动控制提供了可能。、

图3-2-6　牵引变电所

（1）变电所的一次设备。

变电所的设备如图3-2-7所示，一次设备是指高压侧的设备，主要用于电能的接收、转换、电路的分合以及过电压保护，主要有：

① 变压器（见图3-2-8）：是一种常见的电气设备，牵引变压器的作用是将电压从高压变为低压，把发电厂输送的110 kV（220 kV）高压通过降压线圈变为适合高速电动车组运行的27.5 kV电压。它主要由：铁芯、线圈、油箱、套管、防爆管（压力释放器）、净油器、散热器、呼吸器、温度计等部件组成。

图3-2-7　变电所的设备

图3-2-8　变压器

变压器利用电磁感应原理，可用来把某种数值的交变电压变换为同频率的另一数值的交变电压，也可以改变交流电的数值及变换阻抗或改变相位，是从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号，用于将电压升高或降低的电力变压器，它是变电所的中心设备，如果主变压器产生故障，变电所就需投入备用变压器，牵引变压器容量由单列车取流及馈线上的列车数决定。

我国铁路牵引变压器优先采用单相结线变压器，高压线圈跨接在高压系统的线间，牵引侧线圈一端接在接触网上，另一端与钢轨相连。采用单相结线变压器的优点为：变压器容量利用率高，一次设备简单，有利于动车组再生制动时产生电能的内部平衡消耗；接触网电分相数量较其他形式减少一半，有利于动车组的高速运行；其缺点是：牵引负荷的不对称会给电力系统造成一些不良影响，通常对相邻的牵引变电所采用换相方式接入电力系统。

② 高压电器与开关设备。

在高压系统中，用来对电路进行开合操作，切除和隔离事故区域，对电路运行情况进行监视，保护和测量的高压开关设备，通称为高压电器，包括：断路器、隔离开关、熔断器、高压负荷开关、接触器等。

a.隔离开关。

只起隔离作用，不能带载分合，也没有短路等保护功能。高压电网中，当断路器断开电路后，由于断路器触头位置的外部指示器缺乏直观，有些情况下它的指示与触头位置不相一致，隔离开关的断开使高压设备与电源得到明显隔离，保证检修人员的安全，起辅助开关的作用。

图3-2-9　隔离开关（220 kV）

图3-2-10　55 kV断路器

b.高压断路器。

一种重要的控制和保护电器，高压断路器按种类大体可分为多油断路器（目前已基本不采用）、少油断路器、SF6断路器及真空断路器，断路器的大体由导电部分、灭弧部分、绝缘部分、操作机构等组成。

断路器的作用是它不仅可以切断与闭合高压电路的空载电流和负载电流，而且当系统发生故障时，它和保护装置、自动装置相配合，迅速切断故障电流，以减少停电范围，防止事故扩大，保证系统的安全运行，断路器适用高电压，通常采用真空和六氟化硫等介质，灭弧能力强。

主断路器连接于受电弓及主变压器原边绕组之间，它是高速电动车组电源的总开关和总保护，当主断路器闭合时，高速电动车组从外部获得电源。

c.熔断器。

熔断器是最简单和最早采用的一种限流元件，和被保护的电气设备串接于电路中，在电路发生过载或短路时，利用其熔件的熔断断开电路，起到保护其他电路设备的作用。

d.高压负荷开关。

在电路正常工作或过载时开/合电路，不能开/合故障电流，负荷开关通常起控制与过载保护的作用。

③ 用于限制限制电路中的短路和防止过电压的电抗器。

④ 用于传输电能的母线、电缆等载流导体。

（3）变电所二次设备。

二次设备是用于正确反映一次系统的工作状态，监控、调度、测量、保护一次设备的设备，包括测量仪表、监视装置、信号装置、控制装置、继电保护、自动装置和远动装置等。主要由以下装置构成。

① 控制和信号系统。

a.牵引变电所控制系统：用于对开关进行分闸与合闸的控制以及直流电源调节、交流电源切换、变压器冷却风扇投入和退出、操作机构加热器投入和退出、变压器抽头调节等操作。变电所开关控制一般有当地控制、距离控制和远程控制三种方式。变电所的主控制室一般有交流电源屏、直流电源屏、蓄电池屏、计量屏、控制屏、保护屏、远动系统的RTU等二次设备。

b.中央信号系统：操作人员对设备监视的助手，系统由预告信号和事故信号两部分组成，预告信号指设备的各种异常信号，如控制回路断线、PT断线、变压器油温过高、液压操作机构油压过压或欠压等，信号来源于继电保护系统，事故或异常现象发生时能发出事故报警或预告事故，当发生保护装置跳闸时，保护装置同时发出信号到中央系统。

② 继电保护及自动化系统：我国铁路牵引供电系统的继电保护及监控装置均采用微机型综合自动化系统，为满足无人值守的要求，各所的防灾安全监控系统及交直流自用电系统的操作、监控、直流绝缘监控装置均纳入本系统。

继电保护是反映电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态并动作于断路器跳闸或发出信号或指示的自动装置。当电力系统出现过负荷、频率降低、过电压等不正常工作状态或发生短路、断路等电气故障，继电保护应迅速指示不正常状态并予以控制或迅速切除故障，使停电范围缩小。牵引网保护用于切除牵引网短路故障及超出允许范围内的过负荷电流，发生故障时，切除故障馈线。

③ 互感器。

电网中的电压很高，工作电流通常很大，互感器常用于将电路中的电压电流变小，便于检测和自动控制，同时隔离高低压电路。

图3-2-11　55 kV电压互感器

图3-2-12　55 kV电流互感器/真空断路器

（4）防雷装置和接地装置。

用于电力系统中保护设备和人员安全，牵引变电所的保护接地和工作接地采用同一个环状接地网，主变压器牵引侧接地端与接地网相连，也与钢轨、回流线相连，从而形成牵引电流的回流通路，为预防雷害，安装有避雷针、避雷器等。

① 防雷装置：各牵引变电所、分区所、AT所、开闭所设有独立的避雷针以防止直击雷对全所设备、架构及建筑物的袭击，独立避雷针与配电装置带电部分空气中距离不小于5 m，在牵引变电所220 kV进线侧、主变压器低压侧、馈线负荷侧、分区所、AT所、AT所兼开闭所2×27.5 kV进线侧、馈线侧设有相应等级的氧化锌避雷器，以限制雷电波的幅值的目的。

② 接地装置：变压器的底座和外壳、户内外配电装置的金属构架和钢筋混凝土基础以及靠近带电部分的金属围栏和金属门等应进行保护接地。牵引变电所、分区所、AT所接地网的接地电阻应不大于0.5 Ω，根据系统短路电流进行校核，当各所的接地电阻实测值达不到要求时，可采用引外接地、加降阻剂或利用挖方和填方将土壤换为所要求的土壤等方法以达到降低该所接地电阻值的目的。

图3-2-13　220 kV氧化锌避雷器

(www.xing528.com)

图3-2-14　电抗器、电容器

（5）用于调整电压和无功补偿的电力电容器、静止补偿装置等。

电力牵引供电系统的功率因数较低，需进行功率补偿，电容器保护对电力电容器及补偿电路中出现的过流、短路、涌流、谐波、过压等故障进行保护。目前常用的补偿方式有：串联电容器补偿、并联电容器补偿和串并联电容器补偿。

电力电容器作为无功功率补偿装置的主要电器件而得到广泛应用，但由于电容器长期处于运载状态，经常会受到电网中各种非正常因素引起的过电流对电容器的冲击，当系统中电压、电流超越电容器的额定电流值时，将导致电容器内部介质耗损增加，产生过热而加速绝缘老化、降低使用寿命，严重时可能使介质击穿，并发生重大事故。

（二）牵引变电所综合自动化系统

牵引变电所综合自动化系统是利用先进的计算机技术、现代电力电子技术、通信技术和信号处理技术，将变电站的二次设备（包括仪表、信号系统、继电保护、自动装置和远动装置等）的功能进行组合和优化设计，它连接着不同的智能设备和主控系统，协调这些设备间的数据和命令交换，实现对全变电站的主要设备和线路的运行情况执行监视、测量、控制和协调工作，变电所综合自动化替代了变电所常规二次设备，简化了变电所二次接线。

我国对牵引变电所综合自动化的研究、开发和应用开始于20世纪80年代中、后期，90年代逐渐形成高潮，目前已发展成一个相对独立的技术领域，随着微电子技术、计算机技术和通信技术的发展，变电所综合自动化技术也得到了迅速发展。

1．牵引变电所综合自动化系统的组成与功能

综合自动化系统是将独立保护、测控单元设备，通过通信网络构成系统，实现对牵引供电设施的保护、当地监控及远程数据传输，由各种保护测控单元、当地监控单元、远程通信单元、安全（视频）监控单元等组成，采用分散化设计思想，即分层分布式结构，保护测控模块功能独立，各模块采用面向对象设计，分为间隔层设备、通信层设备和后台监控设备三类，遥视及防火、防盗等功能由视频安全监控子系统实现，远方监控、信息管理等由调度所监控系统实现，从而实现对设备的集中控制、监视、测量、数据集中管理及远程维护等功能。

图3-2-15　牵引变电所综合自动化系统

综合自动化系统既要考虑重要保护的独立性，又要建立经济灵活的网络形式，以实现资源的共享，最大限度地利用系统资源，通过网络实现辅助保护功能及自动控制功能，完善保护配置，提高系统的故障处理速度和运行的可靠性，系统适用于各种类型的牵引变电所、分区所和开闭所。

2．系统结构特点

（1）各保护测控单元完成变电所的继电保护、测量、控制功能。可分散安装，也可集中组屏。间隔层采用双环自愈光纤网络。

（2）调度中心通过通信单元与保护测控单元通信，实现四遥功能。

（3）当地监控单元可就地完成调度中心的操作，不考虑双机热备用。

（4）安全监控单元与自动灭火系统一起，组成变电所安全监控系统，实现

遥视。为保证图像传输的实时性，要求为视频提供单独的2M光纤口。在远动通道故障时，可临时征用视频通道，而视频主机置于“转发”模式，首先保证“四遥”功能。

我国铁路牵引变电所、开闭所均按无人值班设计，AT所、分区所均按无人值班、无人值守设计，各所的进线电源、牵引变压器、AT变压器设置有自投入装置，各所馈出线设置有自动重合闸装置，此外牵引变电所、分区所、AT所还设置有接触网故障测距装置，分区所、AT所的吸上电流值通过专用通道上传至同一供电臂的牵引变电所，并与其牵引变电所的馈线所测得的电流值通过接触网故障测距装置进行计算得出接触网故障点的距离。

综合自动化系统完成本所就地的运行管理，各所的保护、测量和控制功能均采用综合自动化系统，对牵引变电所的监控大多通过牵引变电所综合自动化系统来实现，此外综合自动化系统还通过远动通道与调度端设备接口实现远动功能，纳入综合调度系统中的牵引供电调度子系统。

（三）牵引供电SCADA系统

随着高速电气化铁路对供电质量的要求愈来愈高，生产管理部门依靠科技进步，采用先进技术和现代化管理手段运营管理供电系统，实现了系统综合自动化。

1．牵引供电SCADA系统组成

SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统，即数据采集与监视控制系统，SCADA系统应用领域很广，它可用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。在电力系统以及电气化铁道上，又称其为远动系统，牵引供电设备一体化监控管理由SCADA系统完成。

图3-2-16　牵引变电所综合自动化远程监控室

牵引供电远动监控系统是实现电力调度所与所辖变电所等的供电装置之间远距离实时信息传输、处理，从而实现对所辖变电所等供电装置的运行状态进行实时监测控制的计算机控制装置。具体来说牵引供电远动监控系统可以实现调度所内的调度员完成对执行端的短路器、隔离开关等设备的遥控操作，并通过执行端设备将开关的位置信息、中央信号状态信息采集返回调度所，将执行端各种电量（馈线电压、电流、电度、功率等）采集后送回调度所。调度员通过监控系统可以对整个区段的供电运行情况有一个通盘了解和判断，调整系统达到最佳供电方式。在变电所设备故障时，可及时发现短路器跳闸、故障信号预告信号的现实等，以便及时处理事故，防止故障扩大化。系统一般由调度端、被控站及信道等组成。

（1）调度端。

设在电力调度所内完成远动对象的监控、数据统计及管理功能等；高速铁路中主机均为网络化系统。

（2）被控站（RTU：Remote Terminal Unit）。

各牵引变电所、亭，受调度端监视的站称为被控站，被控站完成远动系统的数据采集、预处理，发送、接收及输出执行等功能。被控站内的信息和数据包括：开关的位置信号、事故信号、预告信号（何种保护动作、动作时间、自动重合闸是否动作等）以及电度表、电压、电流和故障点的测量数据等。高速铁路中被控站的远动系统由综合自动化系统完成，牵引变电所综合自动化系统除具备常规远动终端RTU的四遥和事件记录远传等全部功能外，还包括微机保护定时远方监视、修改、录波与测距数据远传以及其他数据通信功能。接收调度端远动装置发来的查询、遥控命令，经译码确认后执行，将被控站内的数据和信息编码发送给调度端。

（3）信道。

远动信息传输的介质（通路）称为信道，调度端与被控站是通过通道联系起来的。通道形式有有线、无线、光缆等多种。在高速电气化铁路中，信道均采用光缆，音频信号或电码可直接送到通信站，调制成光信号后传输到执行站附近车站，经光端机解调还原成音频或电码送往执行站。

我国高速铁路SCADA系统是集通信、信号、牵引供电、电力远程监控的一体化设计，采用分层分布式系统结构。控制中心采用独立的监控网络及设备，通过网络安全隔离措施与其他系统进行接口。

牵引供电SCADA系统通过一个或多个相互连接的通道，将牵引供电系统综合调度系统的主控中心、维修中心、被控站构成一个广域网系统。调度端通过通道与被控站连接成一个1∶N系统，对远方处于分散状态的牵引变电所、亭进行集中监测、集中控制和集中管理，以实现远程控制、远程信号、远程测量、远程调节等各项功能。

图3-2-17　SCADA系统的工作流程

牵引供电系统采用调度所远方控制、所内集中控制、设备本体控制三级控制方式，正常运行时采用调度所远方控制，当设备维修时采用所内集中控制或设备本体控制，三种控制方式相互闭锁，以达到安全控制的目的。

2．牵引供电SCADA系统主要功能

（1）数据采集与监视控制系统，主要监控牵引供电系统沿线各变电所、分区所、开闭所的设备运行状态，完成遥控、遥调、遥测、遥信、遥视及保护与调度管理，在线实时监控220 V～220 kV四电设备运行状态。

① 遥控。

遥控是从调度所发出命令以实现远方操作和切换。这种命令只取有限个离线值，通常只取两种状态指令，例如命令开关的“合”“分”指令。遥控分为单控、程控。

② 遥调。

遥调是指调度所直接对被控站某些设备的工作状态和参数的调整，如调整变电所的某些量值（如变压器等可进行分级调整）。

③ 遥测。

遥测是将被控站的某些运行参数进行远距离测量后传送给调度所。如有功和无功功率、电压、电流等电气参数及接触网故障点等非电气参数。

④ 遥信。

遥信是将被控站的设备状态信号远距离传送给调度所。如开关位置信号、报警信号等。

⑤ 遥视。

遥视是调度端对被控端进行的远程监视控制，是将被控站设备的视频信号传送给调度所，进行远方图像监视。

图3-2-18　牵引供电远动监控系统的设备构成

（2）故障定位，辅助完成设备维修，设备事故处理等功能。

（3）向其他系统提供共享数据，相关系统联动。

3．发展方向

（1）SCADA系统与其他系统的广泛集成。

（2）变电所综合自动化。

（3）专家系统、模糊决策、神经网络等新技术研究与应用。

（4）面向对象技术、中间技术。

（四）自用电系统

1．交流自用电系统

牵引变电所、分区所、AT所的通风、照明、主变压器的冷却、操作机构的加热、直流系统的充电等均来自交流自用电系统，自用电属于一级负荷，各所自用电的交流电源要求有两个来源，其中一路单相自用变压器由2×27.5 kV母线供电，另一路自用变压器由10 kV非牵引线路供电，两路电源设自动投入装置。交流自用电系统的监测单元纳入本所综合自动化系统，以实现远程监控。

2．直流自用电系统

变电所的一个重要电源是直流电源系统，以蓄电池作为直流电源系统的后备，牵引变电所、分区所、AT所采用铅酸免维护智能型直流系统，采用高频开关电源模块对蓄电池组进行强充电、均衡充电、浮充电及供给正常运行负荷。蓄直流电源电池组采用二组铅酸免维护电池，蓄电池容量应能满足全所事故停电2 h的放电容量和事故放电末期最大冲击负荷容量的要求。直流输出电压为110 V。直流自用电系统的监测单元纳入本所综合自动化系统，以实现远程监控。