陈纪纲，许晓蓉



日本北海道新干线牵引变电所特点及启示

陈纪纲，许晓蓉

分析日本北海道新干线新函馆牵引变电所的主要技术标准，从主接线、总平面布置、生产房屋布置、主要设备选型、控制和保护、防雷接地等多个方面对牵引变电所的技术路线进行研究，总结该变电所在新技术采用、环境适应性、工程技术应用等方面的主要技术特点，得出牵引变电所设计和建设方面的启示。

新干线；牵引变电所；设备

0 引言

日本北海道新干线从东北新干线的新青森站出发，经过奥津轻今别站，利用既有的青函隧道穿过津轻海峡，到达北海道木古内站，最后到达新函馆北斗站，全长148.9 km，于2016年3月26日通车，由北海道旅客铁道（JR北海道）公司营运。

北海道新干线新函馆牵引变电所位于北海道南部函馆市东北约10 km，距离海岸线（太平洋）约2.5 km。新函馆牵引变电所采用2路187 kV外部电源进线，变压器二次侧额定电压为60 kV，接触网额定电压为50 kV。本文对该牵引变电所的一些特点进行探究。

1 主接线

新函馆牵引变电所的2路187 kV外部电源采用线路-变压器组接线，外部电源进线通过避雷器、电压互感器、隔离开关（进线侧单侧接地）、断路器（带套管电流互感器）、电流互感器、避雷器等电气设备接至牵引变压器，经牵引变压器降压至 60 kV后，通过避雷器、电流互感器、隔离开关接至60 kV母线。60 kV母线分为A、B两座，每座均采用隔离开关进行分段，A、B座之间设置联络隔离开关。馈线通过避雷器、隔离开关、电流互感器、断路器、隔离开关接至60 kV母线。同一供电方向的上、下行馈线之间采用负荷隔离开关连接，实现上、下行互为备用，供电线上网点未在线路上设置隔离开关。每回馈线上设置自耦变压器，自耦变压器通过隔离开关接入实现AT供电方式。在所内同一行（上行或下行）左右供电臂方向的2条馈线上设置自动过分相装置，将左右供电臂不同相位的电压均引接至接触网分相区的中性段T线上，通过断路器的投切实现动车组不断电过分相。

2 总平面布置

牵引变电所主要一次电气设备，除自动过分相用断路器外，均采用户外布置。

2路187 kV外部电源进线在所外共用一座终端杆塔，终端杆塔三相导线垂直排列引至牵引变电所进线H型架构。牵引变电所内从187 kV进线电源至接触网侧的纵深方向，采用6组用于连接设备和导线的格构式H型架构，在牵引变压器低压侧的变电所横向采用1组用于60 kV母线配电用的格构式H型架构。线路上的中性线N线引入所内，所内的T、F、N线均采用架空式安装。

户外的187 kV和60 kV主要电气设备除牵引变压器、自耦变压器采用落地式布置外，其余电气设备均采用格构式钢柱支撑，支持绝缘子采用圆钢管柱支撑。

变电所设置U形混凝土路面公路，并与所外公路连接，设备区及四周空闲区域均采用碎石铺设。牵引变电所户外未设置电缆沟，由一次设备到主控制室的控制电缆和电源电缆均直埋于碎石地面下方约300 mm处。牵引变电所地处平原地带，所外除供电线上网侧外均为农田，所四周采用 2.5 m高金属网格围栏，围栏上方有金属刺防止人员进入，围栏外侧设置统一的排水护坡，护坡下设置排水沟。

3 生产房屋布置

牵引变电所内分别设置4处生产房屋，分别为主控制室、自动过分相室（2处）、地震监测室。牵引变电所采用无人值班、无人值守方式。在主控制室设置有一间休息室供检修人员临时休息。

控制保护屏、通信屏、交直流屏均安装于主控制室同一房间内，房间内采用防静电地板。控制电缆和电源电缆从室外进入主控制室后未设置分层支架，而是直接叠放在室内防静电地板夹层中，由控制屏后方直接连接屏内二次设备。室内采用荧光灯照明，并配有壁挂式空调。

2处自动过分相室分别设置在牵引变电所馈线方向的两侧，室内自动过分相用断路器布置在网栅间隔内，高压导线进出户内外采用穿墙套管架空布置方式。

地震监测室设置在牵引变电所大门一侧，远离其他生产房屋。当地震发生时，地震监测设备发出信号至主控制室，切断断路器，停止向接触网供电。

4 主要设备选型

牵引变压器容量为120 MV·A（低压侧A、B座均为60 MV·A），采用油浸自冷方式，变比为187/60 kV，短路阻抗为11.45%，噪音不大于55 dB。牵引变压器设置9级分接开关（牵引变压器高压侧高于额定电压正向为6级，额定电压187 kV为1级，低于额定电压反向为2级，每级分接头电压差为4.25 kV），用于高压侧电压调整。牵引变压器本体与散热片分开布置，2台主变压器共用1套排油注氮灭火装置。

自耦变压器容量为7.5 MV·A，采用油浸自冷方式，变比为60/30 kV，配置套管式电流互感器。自耦变压器额定抗短路电流能力为额定电流的25倍。自耦变压器顶部设置斜置钢板，以防止变压器本体积雪。牵引变压器和自耦变压器见图1。

187和60 kV断路器均采用罐式结构（图2），罐体内的主绝缘介质分别为SF6气体和干燥空气，均采用真空灭弧，额定电流均为1 200 A，额定短路开断电流均为25 kA。

图1 牵引变压器和自耦变压器

图2 187 kV和60 kV断路器

187和60 kV隔离开关均采用柱式布置，额定电流为1 200 A，额定短路耐受电流为20 kA。

187、60、30 kV避雷器标称放电电流为10 kA，残压值分别为182、84和42 kV。

（2）分布式部署。平台支持多系统、分布式部署，启动迅速，性能较好，各个子系统分治，相互影响小。提高了性能与可管理性，提高横向伸缩能力，并将应用中的业务服务化，支持更容易的基于现有业务组装成新的业务［2］。

5 控制和保护

牵引变电所二次系统设备采用集中组屏，控制、保护、远动分开设置。主控制室设置控制台，台上设置4部电话和1台打印机。4部电话分别为电力指令直通电话（与铁路电力调度联系用）、信号通信指令直通电话（与信号通信调度联系用）、电力内线电话（各所亭安装，用于牵引所亭之间的通信）、铁路公司内部电话。

牵引变电所187 kV电源进线侧设置三相低电压保护、过电流保护、阻抗保护；牵引变压器设置高压过流保护、分相差动保护、低压过流保护，本体设置油位保护、压力释放保护、温度过热保护；自耦变压器本体设置油位保护、压力释放保护、温度过热保护；所用电变压器设置分相碰壳保护、分相低电压保护、过电压保护、过电流保护；馈线断路器设置距离保护、过电流保护、低电压保护，并设置自动重合闸和故障点标定装置；自动过分相装置设置过电流保护和操作顺序不全保护，当设备动作顺序未按预定计划执行时，操作顺序不全保护将设备恢复至原状态或断开位置，并加以闭锁。

6 防雷和接地

牵引变电所在高压进线侧、主变高压侧、主变低压侧、馈线侧4处设置相应等级氧化锌避雷器。

牵引变电所设置避雷线，所内避雷线安装在高压侧至低压侧的所有H型架构顶部，采用非绝缘安装方式。外部电源的避雷线及接触网供电线的避雷线分别引至所内进线及馈线侧H型架构，采用一片绝缘子的绝缘安装方式，通过H型架构穿管引下接地，如图3所示。

图3 架构顶部避雷线及设备支柱接地

牵引变电所内敷设由水平接地和垂直接地构成的复合接地网。牵引变电所接地电阻实测值为 0.19W，并在控制室墙外设置接地电阻值指示牌进行标示。

所内高、低压电气设备及架构均采用单接地方式引至接地网，利用格构式钢柱本体作为接地体的一部分。接地引下线采用绝缘护套钢绞线穿管，在格构式钢柱底部距地面30 cm处采用专用接地线夹与钢柱压接。

7 启示

（1）新技术及新产品应用方面。牵引变电所高压侧187 kV断路器采用真空灭弧取代常规的SF6气体灭弧，是目前世界上运行电压等级最高的真空断路器。考虑减少SF6气体对环境的影响，牵引变电所低压侧60 kV断路器采用干燥空气作为绝缘介质。

牵引变压器和自耦变压器采用低噪音产品，均为55 dB，优于我国相关标准要求。

日本北海道冬季多雪，自耦变压器顶部设置防积雪用的斜面金属板，金属板斜面下方正对自耦变压器的散热器，可使滑落到散热器上的雪快速融化，避免由于长期积雪造成自耦变压器器身承载力过大而损坏。

因临近太平洋海岸线，牵引变电所所有电气设备外绝缘的等值盐密均按0.12 mg/cm2考虑，187、60、30 kV侧的悬式绝缘子分别为13、8、5片；为了防鸟做窝，在H型架构避雷线支架上设置了比较密实的金属网隔栅。

在该牵引变电所建设过程中，充分考虑了沿海、低温和地震等外部环境特点，并进行针对性的设计、供货。

（3）工程技术方面。牵引变压器低压侧和自耦变压器前均采用隔离开关而未设置断路器，牵引变压器故障时高压侧断路器跳闸，自耦变压器故障时馈线断路器跳闸。牵引变电所内设备的导线大部分采用300 mm2硬铝线或200 mm2硬铜线，导线截面较小且为单支安装。

设计中遵循满足需要的原则，不留或少留余量，尽量做到节约工程建设成本。

（4）其他方面。牵引变电所内装修简洁实用，场坪内除道路和房屋外全部采用碎石地面，取消电缆沟；照明采用庭院路灯照明，或将灯具布置在架构中部，均为局部场坪照明；所内靠近道路设备支柱、架构、路灯等处，均在道路旁设置了黄色金属防撞钢管，防止汽车驶入设备区。

8 结语

日本北海道新干线新函馆牵引变电所的技术特点鲜明，变电所的主接线、生产房屋及平面布置、设备安装、防雷接地等方面具有统一、简洁、经济实用的特点；变电所采用了真空断路器和干燥空气绝缘断路器等新技术；结合当地地震、低温、沿海等环境特点，变电所采取针对性的具体措施，同时变电所在设计细节上充分体现了环境保护、以人为本的理念。

[1] わかりやすい鉄道技術，[鉄道概論，電氣編]，日本鐵道電氣技術協會，2011.

[2] 電力概論，電力管理システム，日本鐵道電氣技術協會，2010.

[3] 電力概論，制御と保護，日本鐵道電氣技術協會，2009.

[4] 新井浩一.高速運転に適した交流き電システムの開発，日本鐵道電氣技術協會，2010.

[5] 持永芳文.電氣鉄道工学，エ一ス出版，2003.

Through analyzing the main technical standards for Shin-Hokodate-Hokuto traction substation on Shinkansen, Hokkaido of Japan, and on the basis of the researches of technical routes of the traction substation in several terms of main wiring, general layout, production building arrangement, main equipment selection, control and protection, lightning and earthing, the main technical characteristics of the traction substation in terms of new technology application, environment adaptability and engineering technological application have been summarized, and the inspiration in terms of designing and building of the traction substation is obtained accordingly.

Shinkansen; traction substation; equipment

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.03.021

U223.5

B

1007-936X(2018)03-0067-03

2017-08-14

陈纪纲，许晓蓉.中铁二院工程集团有限责任公司，教授级高级工程师。