李进军

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉430063）

1 概述

随着中国铁路建设的快速发展以及国家对工程建设用地、环境影响评估要求的日益提高，牵引变电所作为电气化铁路的重要供电设施，其配电装置型式选择决定了牵引变电所的设计方案。

在经济发达、人口密度高、环境保护要求严的地区，采用户外全硬母线配电装置，具有占地省、构架简洁、扩建方便、视觉美观的特点，能更好地适应发达地区的需求。

2 国内外技术发展水平

国内外电气化铁路以单相交流牵引供电为主，主要采用带回流线的直接供电（TRNF）或自耦变压器供电（AT）。但是各国的牵引供电制式有所不同[1]。牵引变电所高压配电装置按设备选型主要分为户内和户外两种，户外通常采用敞开式单体设备，户内采用网栅间隔设备、空气开关柜、气体绝缘开关柜等。

目前户外设备主要采用软母线连接，国内电气化铁路少量牵引变电所的27.5 kV 侧母线以及欧洲部分国家采用了支持式管型母线布置。

3 关键技术研究

3.1 硬母线选择

常用的硬母线有硬导体和绝缘管型母线，硬导体按型式分矩型和管型等。其中矩型导体主要应用于牵引变电所户内网栅间隔配电装置中；管型绝缘母线在电力行业主要在35 kV 及以下等级应用，电气化铁路27.5 kV 侧有少量使用。

考虑到管型导体利于提高电晕的起始电压，减小构架高度和尺寸，因此110 kV 及以上电压等级采用支持式铝合金管型母线。

27.5 kV 侧电流较大，尤其是AT 供电方式，通常需要采用2 根及以上电缆或钢芯铝绞线并接。27.5 kV 侧采用绝缘管型母线，单根可满足载流需求，具有广阔的应用前景[2]。但27.5 kV 绝缘管型母线没有对应的产品制造标准，需研究其主要技术参数和工艺要求。

3.1.1 主要技术参数

对比分析35 kV 挤包绝缘电力电缆及附件、35 kV 固体绝缘管型母线以及27.5 kV 单相交流交联聚乙烯绝缘电缆及附件等标准，结合与其连接的牵引变压器、开关柜、避雷器等设备绝缘水平，总结形成适合27.5 kV 的产品参数，如表1 所示。

表1 27.5 kV 绝缘管型母线技术参数表

3.1.2 结构和制造工艺

参考35 kV 绝缘管型母线的成熟经验，27.5 kV 可采用相同的结构。绝缘管型母线主要有浇注、绕包和挤包式3 种[3]。

在35 kV 固体绝缘管型母线规范中，推荐采用浇注式或挤包式[4]。其中浇注式采用环氧树脂浸渍纸绝缘，鉴于牵引变电所内使用的环氧树脂绝缘产品运行状况不良，因此，27.5 kV 绝缘管型母线不推荐采用浇注式。挤包式与电缆结构相似，技术比较成熟。因此，27.5 kV 绝缘管型母线采用挤包式，导体屏蔽、绝缘、绝缘屏蔽三层共挤全封闭化学交联[5]。

3.2 绝缘子

牵引变电所内使用的绝缘子数量较多，其质量、构造，直接影响到牵引供电系统的运行可靠性和维护便利性。根据其运行经验和应用特点，选型原则如下：①牵引变电所内户外设备采用复合绝缘材质（主要为互感器）因老化开裂导致内绝缘受潮引起爆炸的典型事故已有数起，因此户外设备套管、穿墙套管等有工作电流和短路电流或高温绝缘油时，应采用瓷质或钢化玻璃材质。②因主要设备的大修周期在15年以上[6]，但复合绝缘子由于制造工艺、运行环境等因素，很难满足大修周期要求，因此支柱绝缘子采用瓷质或钢化玻璃。③架空线路悬式绝缘子主要是使导体与支架在电气上绝缘，且故障影响范围小，因此采用瓷质、钢化玻璃或复合材质均可。

3.3 高压电气设备选型

高压电气设备主要包括牵引变压器、断路器、隔离开关、互感器、避雷器等。高压电气设备选型的原则通常根据工程设计标准、运行环境条件以及满足正常运行、检修、短路、绝缘配合等选择。本节主要针对管型母线布置型式进行研究分析。

3.3.1 牵引变压器

同类型牵引变压器各制造厂家的产品结构区别不大，考虑到硬母线若直接安装在牵引变压器套管上，需要根据跨距、环境条件（风速、冰雪）、材质质量等对套管接线端子进行校核，因此应要求制造商在器身上设置支持绝缘子，便于安装和调整高度，降低运行故障带来的风险。

3.3.2 断路器

户外高压断路器主要有110 kV 及以上和27.5 kV 等级。27.5 kV 断路器通常采用真空灭弧介质，110 kV 及以上采用SF6灭弧介质。为减少对接线端子的拉力和方便连接，应设置独立支持绝缘子支柱。

3.3.3 隔离开关

户外高压隔离开关为便于与管型母线连接，推荐采用GW7 型垂直开断式，充分占用上部空间，缩短线间距离。

4 工程应用分析

除枢纽地区外，牵引变电所规模均较小，布置型式简单，管型母线可设计为简支、单跨。

4.1 计算条件

最大风速35 m/s，过电压风速15 m/s，最高温度45 ℃，最低温度-10 ℃。短路电流25 kA。

跨距L=10 m，计算跨距Ljs=9.5 m，相间距a=2 m。

地震烈度7 度。

管型母线选用φ100/90 铝锰合金管，最大允许应力8820 N/cm2；27.5 kV 绝缘管型母线选用∅60×9，额定载流量2500 A。

4.2 机械校验

根据电力工程设计手册和本文计算条件，对各类工况下的弯矩和应力进行计算如下。

4.2.1 正常时最大弯矩Mmax和应力σmax

Mmax=1111.6 N·m，σmax=3288.8 N/cm2，小于允许应力8820/1.6=5512.5 N/cm2，满足要求。

可得正常时母线应力-跨距的关系如图1 所示。

图1 正常时母线应力-跨距的关系

4.2.2 短路时最大弯矩Md和应力σd

短路状态时母线所受的最大弯矩由导体自重、短路电动力及对应于过电压情况下的风速所产生的最大弯矩组成[7]。Md=703.5 N·m，σd=2080.5 N/cm2，小于允许应力8820/1.4=6300 N/cm2，满足要求。

短路状态时母线应力-跨距的关系如图2 所示。

图2 短路时母线应力-跨距的关系

4.2.3 地震时最大弯矩Md和应力σd

地震时母线所受的最大弯矩由导体自重、地震力及地震时的计算风速所产生的最大弯矩组成[7]。Md=850.6 N·m，σd=2517.5 N/cm2，小于允许应力8820 N/cm2，满足要求。

地震时母线应力-跨距的关系如图3 所示。

4.2.4 挠度计算

中国110 kV 及以上铝管母线挠度都按0.5D～1.0D（D为管母外径）设计，通过多年的运行，未发现绝缘子断裂和挠度加大等不良现象[8]。

图3 地震时母线应力-跨距的关系

母线自重产生的挠度y1=3.60 cm，集中荷载挠度y2=2.23 cm。

合成挠度y=y1+y2=5.83 cm＜D=10 cm，满足要求。

母线挠度-跨距的关系如图4 所示。

图4 母线挠度-跨距的关系

4.2.5 微风振动

管型母线微风共振频率等于其各阶固有自振频率，微风振动的频率与风速成正比，与柱体迎风面的高度成反比[7]。vc=0.8 m/s，可得各阶自振频率及风速如表2 所示。

表2 自振频率及风速

为降低微风振动对牵引供电系统的运行安全影响，可采取在管内加装阻尼线、长托架支持等措施[9]。

4.3 电气检验

4.3.1 电晕电压

根据电力工程设计手册，选取的管型母线外径大于20 mm 即可不进行计算校核。

4.3.2 短路热稳定校验

铝合金管型母线（∅100/90）：S=310 mm2≤1491 mm2。27.5 kV 绝缘管型母线（∅60×9）：S=172.94 mm2≤2826 mm2。

4.3.3 短路动稳定校验

应力σx-x=3162 N/cm2，绝缘子的最大允许跨距lmax=40.45 m。

4.3.4 大电流母线附近热效应

当母线工作电流大于1500 A 时就要考虑钢构发热。对于牵引变电所主变低压侧，尤其是高速铁路和重载铁路，母线工作电流都会大于1500 A。牵引变电所27.5 kV 侧母线典型设计支撑构架为1700 mm×2000 mm 矩形框。

经计算矩形闭合回路感应环流Ig=46 A，p=0.57 kW，由环流引起的温升τmax=0.67 ℃。

可知，对于常规牵引变电所，主变低压侧母线对钢构的损耗和温升效应不明显，但在枢纽地区，母线的工作电流、托架的尺寸均变化较大，此时需要重新计算钢构损耗和温升，并采取对应措施。

5 结论

主变高压侧管型母线，通常都是单跨布置，根据本文的计算条件和结果，跨距大于11 m 时需要加大外径或采取多跨设计。为消除端部效应，应延长端部1 m 左右，装设封端球；便于调整安装高度和提高端部放电水平，支持绝缘子的额定电压提高一级。

主变高压侧管型母线电气性能已不是截面选取的关键因素，只需满足机械计算校验即可；27.5 kV 绝缘管型母线，基本不受机械特性（弯矩、应力、挠度）控制，需根据负荷需求选取相适应载流量的截面，计算短路电动力，校核支持绝缘子的允许应力值。

户外全硬母线布置配电装置，各类导体对架构的尺寸和高度要求已有很大不同，满足运营、维护及检修需求后，尽量减少占地面积和有色金属消耗。

完善技术标准体系，支撑工程建设，编制27.5 kV 绝缘管型母线的产品制造及工程设计和施工质量控制系列标准。