城际铁路枢纽合建变电所优化设计研究与实施.pdf

年 月第 期（总）铁 道 工 程 学 报 （）收稿日期：基金项目：中铁第一勘察设计院集团有限公司科研项目（）作者简介：陈乃海，年出生，男，高级工程师，注册咨询工程师，注册电气工程师。文章编号：（）城际铁路枢纽合建变电所优化设计研究与实施陈乃海（轨道交通工程信息化国家重点实验室（中铁一院），西安）摘要：研究目的：城际铁路枢纽车站是多条线路客流的交汇处，枢纽变电所位于枢纽车站附近，联系多个电源，出线回路较多，停电将造成较大影响。枢纽变电所对城际铁路供电的稳定性和可靠性起到重要作用。本文结合广佛环线屏山变电所的特点，阐述屏山变电所的主要设计方案，对城际铁路枢纽合建变电所的优化设计进行分析和讨论。研究结论：（）综合考虑变电所外部电网的接入条件，进行多方案比选，选择最优的外部电源接入方案；（）枢纽变电所通常采用牵引变电所、电力变电所合建的方式，以减少外部电源投资；（）枢纽合建变电所一般采用全室内布置形式，以节约用地及减少变电所对周围地块商业价值的影响；（）本研究成果可应用于用地紧张、外部条件复杂的城际铁路枢纽变电所的设计与施工。关键词：城际铁路；枢纽变电所；外部电源；优化设计；创新设计中图分类号：文献标识码：（），）：，：（），（）（）（）：；最近几年，国家有关部委相继下发了“交通强国建设纲要”、“国家综合立体交通网规划纲要”、“国家发展改革委关于培育发展现代化都市圈的指导意见”、“粤港澳大湾区发展规划纲要”等，旨在培育和发展一批现代化都市圈，进而建设世界级城市群 。广佛环线城际铁路串联广佛、联通深港，是珠三角地区城际轨道交通网络“三环八射”中核心一环广佛环线的重要组成部分，并连接珠江三角洲城际轨道交通网的东部线网和西部线网。在大型客站附近设置牵引变电所能同时向多条铁路干线和车场供电，同时还能够兼顾联络线和机务设施的供电，供电能力利用充分，在工程中通常优先考虑 。同时，为了节约用地及外部电源投资，牵引变电所、电力变电所通常采用合建的方式，从而形成了“枢纽合建变电所”。项目概况广佛环线城际铁路位于珠三角地区的广州市和佛山市境内，线路全长 ，全线新设车站 处，其中地下站 处，高架站 处，平均站间距 ，设综合检修基地 处。广佛环线牵引供电系统采用带回流线的直接供电方式，根据供电方案，在广州南站附近新建屏山变电所 座，在东平新城站新建分区所 座，利用佛山西牵引变电所承担佛山西至东平新城区段的供电。屏山变电所是珠三角城际线网规划中规模最大的枢纽变电所，承担着广佛南环、广佛东环、佛莞城际三条城际铁路的供电任务，在珠三角城际线网中发挥着重要作用。主要优化设计 外部电源方案优化铁路电力牵引供电设计规范（）要求：“铁路电力牵引供电系统为一级负荷，牵引变电所应有两路电源供电，当任一路故障时，另一路仍应正常供电。”由于对外部电源的要求较高，且屏山变电所牵引变压器采用单相接线方式，对接入电网的电能质量带来的影响也需要评估。广佛环线屏山变电所外部电源接入广州电网，所址周边分布有 站点 座，分别为 聚龙站和 富山站，其中 聚龙站位于屏山变电所所址北边，直线距离约 ；富山站位于屏山变电所所址东南面，直线距离约 。根据广州“十三五”电网规划，年期间屏山变电所周边无距离较近的规划站。屏山变电所外部电源供电方案示意如图 所示。至220 kV芳村站上潡（24）南浦（25）洛浦（26.3）飘峰（24+5）新客（36.3）聚龙（324）富山（324）屏山三枝（25）礼村（25+6.3）祈福（24+5）桥兴（25）汀根（26.3）至沙湾市桥（44）图 屏山变电所外部电源供电方案示意图综合考虑变电所周边电网的接入条件、广州电网对用户专用变电站接入系统的相关规定，屏山变电所接入系统有如下两个可行方案：方案一：屏山变电所新建 回 进线，接至 聚龙站 不同母线段。方案二：屏山变电所新建 回 进线，回接至 聚龙站 母线，回接至 富山站 母线。两个方案的技术经济对比如表 所示。表 屏山变电所接入系统方案技术经济比较表对比内容方案一（回至聚龙站不同 母线段）方案二（回至聚龙站，回至富山站）结论供电可靠性屏山变电所两路电源线路都为直接引自 变电站 母线的专供电源，供电可靠性较高屏山变电所两路电源线路都为直接引自 变电站 母线的专供电源，且来自两个不同的 变电站，供电可靠性高方案二较优工程可实施性新建 回 电缆线路由 聚龙站向北引出，沿钟韦路、石都北路、石洲东路、石洲中路、规划路敷设至规划广佛环线 屏山变电所，新建电缆线路长度约为 ，沿线需穿越屏山涌和规划地铁 号线，需与水务局和地铁部门协调，方案具备可实施性 富山站目前已有 回出线，西北出线十分困难，各方向均已无出线可行性，且富山站距离屏山变电所距离较远，沿线公里较多，路况复杂，去屏山站线路长度约为 ，沿线需多方协调，实施十分困难方案一较优远期适应性变电所采用该接入方案与周边电网远期发展不相冲突，不会影响其他规划变电站的接入，符合远景电网规划接线，远期适应性较好同方案一，远期适应性较好两方案相当工程经济性 万元（仅考虑一次设备投资）万元（仅考虑一次设备投资）方案一较优第 期陈乃海：城际铁路枢纽合建变电所优化设计研究与实施 根据技术经济对比情况：方案一供电可靠性略低于方案二，但是工程可实施性和经济性均优于方案二，远期适应性两个方案相当，因此综合考虑推荐方案一，即新建 出线 回，接至 聚龙站 不同母线段。系统接入设计完成后，委托相关单位进行了接入系统电能质量评估，报告显示，屏山变电所接入电网后，其谐波、电压波动、三相电压不平衡度等电能质量干扰均在限值范围内，满足接入要求。屏山变电所外部电源所接入的广州电网隶属于南方电网公司，目前南方电网公司未与铁路部门就牵引变电所信息“直采直送”相关内容达成协议 ，双方依据原铁道部、国家电网公司电气化铁路供电协调领导小组办公室第三次会议纪要开展工作。根据初步设计批复意见，屏山变电所内设置 套信息“直采直送”设备，在系统接入设计时，广州供电局要求“直采直送”设备按双套冗余设置，以提高系统的可靠性。按照广州供电局的要求，对信息传输通道、工程界面的划分及变电所内的设备数量作了调整，通过变更程序解决了量差的问题，并且按照对方提出的设备品牌、型号购置了变电所内的相关设备，施工完成后，通过了广州供电局的验收，达到了送电要求。主接线及运行方式优化合建枢纽变电所通常共用外部电源，常见的主接线方式有单母线分段接线、线路分支接线、线路变压器组接线。各接线方式的主要特点如下：单母线分段接线该接线方式在两路 进线、两段 母线之间以及各变压器前均设置高压断路器，采用断路器对各种运行方式进行切换。优点是扩展性较好，可靠性较高，可根据地方电力部门的要求设置线路光差保护以及 母线差动保护，运行方式切换时间较短，可以迅速切断故障回路。缺点是接线复杂，投资较高。线路分支接线该接线方式在两路 进线以及两路进线间的跨条设置电动隔离开关，在各变压器前均设置高压断路器。相比于单母线分段接线，优点是接线简单，投资较少。缺点是运行方式切换时间较长，倒闸操作复杂，故障切除时间较长。线路变压器组接线该接线方式接线简单，两路 进线之间不设跨条，仅在各变压器前设置高压断路器。线路变压器组接线方式接线最简单，设备投资最少，继电保护整定简单。缺点是运行方式不够灵活，扩展性较差，一般在终端变电所采用，不适合枢纽变电所。通过以上方案比选，单母线分段接线能更好地满足城际铁路合建枢纽变电所的要求，在工程实施中，屏山变电所采用该接线方式，从地方电网引入两路独立可靠的 电源，两路进线同时供电，变电所设置两台 单相牵引变压器，设置两台 电力变压器。屏山变电所设置备用电源自投及主变自投装置，计量装置设在 电源进线侧。侧及 侧均采用单母线分段接线，馈线断路器采用固定备用方式。屏山变电所高压侧主接线如图 所示。9LH104312BL4B2B4BL10 kV母线接地27.5 kV母线104210221021044LH2LH10232YH100210710017LH6LH106110610212BL外部电源进线C A B2号110 kV3外部电源进线C A B1号110 kV310115LH10510511BL1013101210321YH1LH3LH1031011B3B8LH103311BL3BL10 kV母线27.5 kV母线接地图 屏山变电所高压侧主接线图铁 道 工 程 学 报 年 月 正常运行时，侧两路进线同时供电，母线分段断路器 断开，牵引变压器一台投入运行，另一台备用，电力变压器两台同时投入运行。当一路进线故障时，切除该线路，合上 母线分段断路器，由一路进线给一台牵引变压器及两台电力变压器供电，同时切除电力变压器所带的三级负荷，母线分段断路器 的设置可以在最短时间内完成倒闸操作，将故障的影响降到最低。总平面及房屋优化铁路变电所常用的布置形式有室外敞开式布置和全室内布置。室外敞开式变电所占地面积较大，变电所一般为 ，室外架构会对周围环境造成一定影响。全室内布置形式变电所占地面积较少，宽度一般为，长度根据主变的数量为 至 不等，且对周围环境的影响较小。城际铁路枢纽变电所一般位于市区，土地资源紧缺，周边居民环保意识普遍较强，变电所应采用全室内布置形式。在工程实施中，屏山变电所选址工作开始于 年 月。选址范围位于武广高铁广州南站东侧，从线路里程 至线路末端里程 ，长约。根据广州国土规划部门控制性详细规划，该片区规划为商务、商贸为主导功能的现代服务业集聚区，以文化中心与体育中心为主的生活发展区。因地块商业价值比较高，用地非常紧张，致使屏山变电所选址方案不断调整，最终在 年得到广州市国土规划部门复函，同意在线路末端的选址方案。为了尽量减少变电所对所在地块商业价值的影响，最大限度地节省用地，屏山变电所采用全室内布置，室外无任何架构。变电所长 ，宽 ，设置宽 的环形消防车道，直接与外部公路衔接。进线、馈线及 馈线均采用电缆引入、引出。屏山变电所总平面布置如图 所示。电力变压器室牵引变压器室牵引变压器室电力变压器室10 kV电力补偿室检修室 工具室值守室 值守室110 kV电缆沟10 kV高压设备室通信室控制室厨房盥洗室27.5 kV高压设备室10 kV电缆沟预留110 kV电缆沟27.5 kV电缆沟4 0002 0004 0002 00040 00014 3505 0009 0004 9004 8505 8202 4001 2001 2001 2009009009001 2004 0002 0004 0002 000900100 000集油井图 屏山变电所总平面布置图（单位：）生产房屋和辅助房屋合建，按两层楼房布置，一层设置牵引变压器室、电力变压器室、高压室、高压室、主控室、通信室、防灾室、检修室、值守人员休息室、盥洗室等生产及辅助生产房屋，一层下方设有电缆夹层。二层设置 高压室、带电工具室、消防控制室等房间，沿二层房屋外墙装设避雷带。实施中的创新设计 变电所馈线采用顶管方式铁路变电所馈线方式通常有架空方式、高压电缆电缆沟或直埋方式。馈线条件较好的变电所一般采用架空出线方式，在城际铁路枢纽变电所中，通常受环境因素影响，一般采用电缆出线方式。本工程原设计采用电缆出线，但在具体实施中遇到了问题，通过创新设计解决了相关问题。在屏山变电所施工的同时，紧邻的广佛东环城际铁路也在施工，两个项目共用施工通道，施工相互干扰。屏山变电所电缆通道需穿越广佛东环城际铁路门式起重机走行轨，走行轨宽约 ，原设计采用常规的电缆沟方案，对门式起重机走行轨进行开挖。在与该项目施工单位结合后，得知其工期非常紧张，电缆沟施工期间会造成该项目停工，严重影响施工进度，同时也会影响走行轨基础稳定，带来较大安全隐患。针对上述问题，通过对现场全方位的踏勘与调查，决定电缆通道改为顶管方案，由屏山变电所设计第 期陈乃海：城际铁路枢纽合建变电所优化设计研究与实施单位牵头，组织另外两条城际铁路设计单位的所有专业对电缆及光缆数量进行全面梳理，汇总后计算出所需要通道数量，经过优化设计，形成的顶管剖面图如图 所示，并为后续工程预留了条件。27.5 kV高压电缆机械注浆封堵直径1 600 mm不锈钢管10 kV高压电缆预留低压电缆光缆MMP管图 顶管剖面设计图现场施工中，先在走行轨两侧做好顶管操作井，采用直径为 的不锈钢管定向成孔，下穿门式起重机走行轨基础，每当顶进一定的距离，停机由人工取出钢管中的泥土，穿孔完成后，钢管留在孔中起支撑作用，对钢管进行全面的清理后，在钢管内敷设 根 管，最后在钢管外侧以及 管之间进行机械注浆，将缝隙封堵密实，使顶管整体强度达到要求。通过该方案的实施，解决了施工安全问题，同时保证了项目的工期。电力变压器 侧馈线采用管形母线屏山变电所设置 台电力变压器，电压等级为 ，承担广佛南环、广佛东环、佛莞城际三条线路动力照明的供电任务，电力变压器的安装容量达到单台 ，是常规的铁路电力变压器容量的 倍。电力变压器与 开关柜的连接方式，需要根据电流大小、设备布置形式以及施工难易程度等情况综合考虑。电力变压器及 开关柜均采用室内布置，电力变压器容量，侧额定电流为 ，根据电力工程电缆设计标准（），导体截面为 的电缆载流量为 ，每相需要 根电缆并接使用。查阅文献，尺寸为 的管形铜母线 时长期允许截流量为 ，每相只需设置 根管形母线。电力变压器 侧母线连接方式对比如表 所示。通过表 的对比分析，全绝缘管形封闭母线具有载流量大、可靠性高、占用空间小、施工较为方便等突出优点，电力变压器 侧出线采用该方案。表 电力变压器 侧母线连接方式对比表比较内容高压电缆管形母线载流量单根电缆无法满足载流量要求，需要多根电缆并联使用较大，单根管形母线可满足要求可靠性较差，电缆连接点较多，增大了故障概率可靠性较好占用空间要求较大空间，且电缆敷设时应考虑电缆最小弯曲半径的要求结构简单、占空间小机械强度较差较好散热性较差较好施工难易程度施工过程中容易对外护套、铠装层及绝缘层造成损伤施工较为方便 结论城市群是支撑国家经济高质量发展的战略载体，轨道交通网络是城市群的空间主体骨架 ，随着粤港澳大湾区被定位为国家综合立体交通网的“极”和国际性综合交通枢纽集群，“轨道上的大湾区”正在从蓝图驶向现实。本文对城际铁路合建枢纽变电所的设计方案进行优化研究，对方案的实施进行了总结归纳，主要得出以下结论：（）综合考虑变电所外部电网的接入条件，进行多方案比选，选择最优的外部电源接入方案。（）枢纽变电所通常采用牵引变电所、电力变电所合建的方式，以节约用地及外部电源投资。（）枢纽合建变电所一般采用全室内布置形式，以尽量减少变电所对周围地块商业价值的影响。（）针对施工现场存在的问题，进行有针对性的优化设计，解决现场实际问题。参考文献：代军峰 模式在城市轨道交通项目建设运营中的应用 建筑经济，（）：，（）：楚振宇，景德炎 铁路枢纽中心牵引变电所供电布局研究 铁道工程学报，（）：，（）：，铁路电力牵引供电设计规范，铁 道 工 程 学 报 年 月 魏宏伟，李栋宝，赵大伟 电气化铁路牵引变电所与电力系统间大数据交换配置研究 第九届电能质量研讨会论文集 北京：中国标准出版社，：，电力工程电缆设计标准，中国航空工业规划设计研究院 工业与民用供配电设计手册（第四版）北京：中国电力出版社，（）：，胡必松，肖畅 城市群轨道交通网络化规划评价研究铁道工程学报，（）：，（）：（编辑 吕 洁）（上接第 页 ）李仰波 布袋加筋注浆桩在软基加固处理中的应用研究 铁道工程学报，（）：，（）：左珅，徐林荣，赵新益，等 高速铁路夹硬层软基布袋注浆桩加固技术研究 铁道建筑，（）：，（）：叶春林 布袋注浆桩在深厚层夹层软基处理中的应用 铁道工程学报，（）：，（）：胡建国 布袋注浆桩在沿海软土地基加固中的应用及控制要点 价值工程，（）：，（）：胡传家，戚承志，景彦楠 布袋注浆桩在临近既有线路基工程中运用及其承载力计算的思考 中国建材科技，（）：，（）：（编辑 梅志山）第 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