高速鐵路電力供電系統(tǒng)中新技術(shù)新設(shè)備的分析與研究

楊大麗

（武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430205）

高速鐵路供電系統(tǒng)分為兩部分：一是提供高速鐵路行車提供電源的牽引供電系統(tǒng)。 二是高速鐵路電力供電系統(tǒng)：承擔(dān)牽引供電以外所有鐵路負(fù)荷的供電任務(wù)，包括信號(hào)系統(tǒng)、生產(chǎn)、車站、供水系統(tǒng)以及生活等鐵路用電負(fù)荷，其供電可靠性不僅直接影響鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的正常安全運(yùn)行，還關(guān)系到很多鐵路職能部門的正常工作。

1 高速鐵路電力供電系統(tǒng)的特點(diǎn)及供電方案

1.1 高速鐵路電力供電系統(tǒng)的特點(diǎn)

鐵路電力供電系統(tǒng)由于應(yīng)用的特殊性，在系統(tǒng)構(gòu)成和功能上都有一些有別于電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在3 個(gè)方面：

1.1.1 電壓等級(jí)低，變（配）電所結(jié)構(gòu)單一

從電力系統(tǒng)的角度看，鐵路負(fù)荷屬于終端負(fù)荷，直接面對(duì)最終用戶，所以鐵路供電系統(tǒng)中絕大多數(shù)為10kV 和35kV 變配電所，這取決于地方供電系統(tǒng)電源的情況和鐵路就地負(fù)荷的要求。

1.1.2 系統(tǒng)接線形式簡(jiǎn)單

鐵路供電系統(tǒng)的接線就像鐵路一樣，是一個(gè)沿鐵路敷設(shè)的單一輻射網(wǎng)，各變（配）電所沿線基本均勻分布，并且互相連接，構(gòu)成手拉手供電方式。 連接線有二種：一種是自閉線，還有一種是貫通線。 連接線除了實(shí)現(xiàn)相鄰所之間的電氣連接外，還為鐵路供電最重要的負(fù)荷（自動(dòng)閉塞信號(hào)）提供電源。

1.1.3 供電可靠性要求高

鐵路供電系統(tǒng)雖然電壓等級(jí)低，接線方式簡(jiǎn)單，但對(duì)供電可靠性的要求卻很高， 其負(fù)荷 （自動(dòng)閉塞信號(hào)） 的供電中斷時(shí)間不能超過150ms，否則，將會(huì)導(dǎo)致所有供電區(qū)間的自動(dòng)閉塞信號(hào)燈變?yōu)榧t燈，影響鐵路的正常運(yùn)輸。

1.2 提高系統(tǒng)供電可靠性措施

鐵路沿線分布著車站和通信基站，這些地面設(shè)施是保證鐵路運(yùn)輸暢通和安全的基礎(chǔ)設(shè)施，上述設(shè)施需要電力可靠供應(yīng)。 高速鐵路對(duì)電力供電提出了更高的可靠性要求。 全線供電安全、可靠性取決電力貫通線的運(yùn)行水平，供電可靠性依賴于鐵路供電設(shè)備配置水平。 采用的可靠性措施主要有：

1）保證系統(tǒng)可靠備用：各配電所自國家電網(wǎng)接引兩路電源；各配電所采用單母線分?jǐn)嘟泳€型式；10kV 配電網(wǎng)絡(luò)采用雙路環(huán)網(wǎng)電力電纜；變配電所、箱式變電站內(nèi)配電變壓器按雙臺(tái)配置。

2）提高設(shè)備可靠性：配電所選用SF6 氣體絕緣開關(guān)柜；箱式變電站選用SF6 氣體絕緣環(huán)網(wǎng)開關(guān)柜；變壓器選用干式變壓器；低壓開關(guān)柜采用高可靠性、模數(shù)化、組合式柜型。

3）提高系統(tǒng)抵抗自然災(zāi)害能力：電線入地；設(shè)備進(jìn)屋；備用發(fā)電機(jī)；從高壓到低壓全部采用遠(yuǎn)動(dòng)。

高速鐵路沿線設(shè)置電力變配電所， 沿全線鐵路兩側(cè)設(shè)置兩回10kV 電力貫通線，并在區(qū)間各用電點(diǎn)設(shè)置10kV 箱式變電站,由變配電所、貫通線和箱式變電站構(gòu)成高速鐵路電力供電網(wǎng)絡(luò)。 其系統(tǒng)示意圖如圖1 所示：

圖1 高速鐵路電力供電系統(tǒng)示意圖

2 高速鐵路電力供電系統(tǒng)新技術(shù)的分析與研究

高速鐵路全線設(shè)置了兩回10kV 電力貫通線，貫通線采用不銹鋼鎧裝的單芯銅芯電纜沿路基、隧道、橋梁預(yù)留的電力電纜槽敷設(shè)。 由于高速鐵路線路較長(zhǎng)，如此長(zhǎng)距離的電力貫通電纜線路是我國鐵路建設(shè)史上從未有過的，必須進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。

2.1 關(guān)于長(zhǎng)距離10kV 電力貫通電纜線路電容電流的補(bǔ)償?shù)姆治雠c研究

由于貫通線電纜線路對(duì)地存在電容，故在正常運(yùn)行或單相接地時(shí)都有電容電流流過線路，又因?yàn)殡娎|線路相間及對(duì)地電容遠(yuǎn)大于架空線路，電纜線路的電容電流亦遠(yuǎn)大于架空線路的電容電流， 可能造成下列危害：

1）引起主變壓器或調(diào)壓器過載。

2）單相接地時(shí)易造成電弧重燃，引起3 倍以上的過電壓，易損壞供電設(shè)備或發(fā)展成多相短路事故。

3）貫通線電纜的分布電容產(chǎn)生的容性無功，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)容性無功過剩，線路末端電壓上升。

因此，必須對(duì)線路電容電流進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償電纜電容電流較好的辦法是設(shè)置專用的并聯(lián)補(bǔ)償電抗器，主要有如下兩種方式：在配電所集中設(shè)置動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電抗器；在區(qū)間貫通線上分散并聯(lián)補(bǔ)償電抗器。 高鐵中一般采用了方式二，在全線兩回10kV 電力貫通電纜線路上每隔10km 左右分別分散設(shè)置了箱式電抗器，起到了補(bǔ)償接地電容電流、補(bǔ)償容性無功功率、降低線路容性電流、限制線路末端電壓上升的綜合作用， 是一大技術(shù)創(chuàng)新。

2.2 貫通線中性點(diǎn)接地方式的分析與選擇

長(zhǎng)期以來，我國鐵路10kV 電力貫通線絕大多數(shù)采用架空線路為主，電纜線路少，線路電容電流不大，10kV 供電系統(tǒng)中一般采用中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)。 而高速10kV 電力貫通線全部采用電纜線路， 當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)， 每公里10kV 電纜故障相的電容電流約為1～1.5A， 是架空線路的30 倍左右，因此在10kV 供電系統(tǒng)中采用中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)已是不可能了。

考慮到高速采用兩條10kV 電力貫通線供電， 供電可靠性較高，而且全電纜線路發(fā)生瞬間故障的概率較低等原因，10kV 電力貫通線系統(tǒng)采用中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地運(yùn)行方式，當(dāng)發(fā)生單相接地故障，繼電保護(hù)裝置動(dòng)作，及時(shí)切斷故障線路。 中性點(diǎn)接地電阻值的選擇要綜合各方面的因素統(tǒng)籌考慮， 如電阻值選得過小， 則接地電流過大， 對(duì)附近的通信線路干擾較大； 如電阻選得過大，則接地電流過小，繼電保護(hù)的動(dòng)作可靠性降低。 由于采用了小電阻接地系統(tǒng)， 中性點(diǎn)與大地之間用很小的電阻相連， 一旦發(fā)生單相接地故障， 就會(huì)產(chǎn)生高達(dá)幾百安培的接地電流， 必須設(shè)置零序電流保護(hù)， 迅速可靠地將這個(gè)電流切斷。 小電阻接地系統(tǒng)中繼電保護(hù)的選擇性和靈敏度較好。

2.3 電力貫通線電纜金屬護(hù)層的接地方式的分析與研究

按照《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定， 電力電纜金屬護(hù)層必須直接接地。 電纜金屬護(hù)層的接地方式分為線路一端單點(diǎn)直接接地、線路中央部位單點(diǎn)直接接地、線路兩端直接接地等方式。 高速鐵路采用的是線路一端單點(diǎn)直接接地的方式， 并且在線路另一端經(jīng)電纜護(hù)層電壓限制器接地。 主要基于以下幾點(diǎn)考慮：

1）高速區(qū)間箱式變電站間距最大不超過3.5 公里，故單根電力貫通線電纜長(zhǎng)度一般不超過4 公里， 單芯電纜按要求應(yīng)盡量避免中間接頭，故不可能采用線路中央部位單點(diǎn)直接接地的方式。

2）按規(guī)定，未采取能有效防止人員任意接觸電纜金屬護(hù)層的安全措施時(shí)， 金屬護(hù)層的正常感應(yīng)電勢(shì)不得大于50V，采取相應(yīng)措施后不得大于300V。 經(jīng)計(jì)算并經(jīng)相關(guān)鐵路現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量驗(yàn)證， 綜合試驗(yàn)段采用的線路一端單點(diǎn)直接接地的方式能夠滿足上述要求。

3）如果采用線路兩端直接接地方式，則因?yàn)殡娎|金屬屏蔽層中在正常和故障情況下都有感應(yīng)電流通過，實(shí)際上是把電力電纜金屬屏蔽層作為鐵路貫通地線使用，電纜金屬屏蔽層就需要滿足一定的載流量要求，其截面積一般不能小于16mm，從而增加了貫通線電纜投資。

3 高速鐵路電力供電系統(tǒng)新設(shè)備、新材料的分析與研究

高速電力工程設(shè)計(jì)中采用了一系列新設(shè)備、新材料，如電力貫通線電纜采用不銹鋼鎧裝的單芯銅芯電纜、 10kV 變配電所高壓開關(guān)柜采用了全封閉SF6 絕緣開關(guān)設(shè)備（ GIS）、低壓開關(guān)柜采用智能型模數(shù)化組合柜型；變壓器、調(diào)壓器采用干式節(jié)能型設(shè)備、區(qū)間負(fù)荷供電均采用統(tǒng)一模式的箱式變電站等。

3.1 電力貫通線材料的選擇

長(zhǎng)期以來，我國鐵路電力貫通線采用的都是三芯電纜，高速鐵路電力貫通線采用的是三根單芯電纜， 雖然投資有所增加， 但其有很多優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)涡倦娎|與柜內(nèi)終端連接時(shí)，可避免交叉，使電氣安全間距較寬裕，改善了安裝作業(yè)條件；可避免電纜中間接頭，增強(qiáng)運(yùn)行可靠性；單芯電纜較同截面的三芯電纜載流量增加約10%， 可使電纜截面選擇降低一檔；一旦電纜發(fā)生接地，難以發(fā)展成為相間短路；容許彎曲半徑較小，有利于電纜敷設(shè)。

3.2 新設(shè)備的分析與研究

我國鐵路10kV 變配電所高壓開關(guān)柜以前都是采用空氣絕緣柜、鐵路區(qū)間用電負(fù)荷供電一般采用桿上變電臺(tái)、電力變壓器一般采用油浸變壓器。 高速鐵路采用了全封閉SF6 絕緣開關(guān)設(shè)備（ GIS）、統(tǒng)一模式的箱式變電站、 干式節(jié)能型電力變壓器， 同時(shí)10kV 變配電所配置的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、 低壓監(jiān)控裝置以及區(qū)間箱式變電站上設(shè)置的RTU 均納入SCADA 子系統(tǒng)，由綜合調(diào)度中心對(duì)電力設(shè)施集中監(jiān)控。

1）高壓側(cè)采用全封閉GIS：高速鐵路變配所10KV 高壓柜采用的是ABB 公司生產(chǎn)的氣體絕緣開關(guān)設(shè)備， 該設(shè)備是在工廠內(nèi)進(jìn)行裝配并經(jīng)過全套出廠試驗(yàn)的，其所有的高壓元器件均密閉在氣密的不銹鋼氣室中。其采用單母線、模塊化設(shè)計(jì)度帶壓力釋放通道。能滿足安全最大化空間需求最小化及經(jīng)濟(jì)性的要求。

2）10/0.4kV 箱式變電站：高速鐵路電力線路由全線設(shè)置的一級(jí)負(fù)荷電力貫通線和綜合電力貫通線構(gòu)成。箱式變電站電源由一級(jí)負(fù)荷貫通線主供，綜合電力貫通線備供，降壓后供給沿線與行車有關(guān)的通信、信號(hào)、綜合調(diào)度系統(tǒng)等。 主接線如圖2 所示：

圖2 高速鐵路電力遠(yuǎn)動(dòng)箱變主接線圖

高速鐵路電力遠(yuǎn)動(dòng)箱變是依據(jù)鐵路通信、 信號(hào)系統(tǒng)對(duì)電源的要求，引進(jìn)德國先進(jìn)SF6 充氣式環(huán)網(wǎng)柜技術(shù)，結(jié)合低壓斷路器、電流電壓互感器、變壓器以及電源監(jiān)控裝置、直流電源系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計(jì)量及指示儀表等原件，相互密切配合，構(gòu)成系統(tǒng)。系統(tǒng)在工廠內(nèi)安裝調(diào)試好之后裝入一個(gè)可移動(dòng)、密封、防潮、防塵、防銹的雙層箱體內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)鐵路通信、信號(hào)電源一二次系統(tǒng)的集成化、裝配模塊化、建設(shè)過程工廠化、施工簡(jiǎn)單化的“四化”戶外裝置。縮短了建設(shè)周期，大大提高了鐵路通信信號(hào)電源的可靠性。

3）沿線各鐵路車站站房設(shè)備用柴油發(fā)電機(jī)組，在冰雪災(zāi)害情況下仍能基本保證鐵路正常生產(chǎn)生活秩序。

高速鐵路分別在各中間站房?jī)?nèi)、重要的10kV 變配電所各設(shè)置一臺(tái)10kV 柴油發(fā)電機(jī)組， 主要供站房?jī)?nèi)通信、 信號(hào)、 客運(yùn)信息設(shè)備及應(yīng)急照明用電等一級(jí)負(fù)荷，并給區(qū)間10kV 電力貫通線供電，在重大災(zāi)害情況下當(dāng)?shù)胤诫娋W(wǎng)全部停電時(shí)，啟動(dòng)發(fā)電機(jī)組，保障與鐵路運(yùn)行、管理密切相關(guān)的負(fù)荷用電。

4 結(jié)論與展望

總之，高速鐵路電力供電系統(tǒng)采用了一系列新技術(shù)、新設(shè)備：如電力線路采用不銹鋼鎧裝的單芯銅芯電纜， 使絕緣程度有了顯著提高；10kV 開關(guān)、變壓器采用無油化設(shè)備；高低壓開關(guān)柜、繼電保護(hù)設(shè)備少維護(hù)；配電所無人值班、實(shí)現(xiàn)了配電調(diào)度一體化；全線設(shè)置雙貫通線，電力遠(yuǎn)動(dòng)納入SCADA 集中監(jiān)控，供電可靠性高等；電力工程設(shè)計(jì)及施工達(dá)到了電力線路入地、 電力設(shè)備進(jìn)屋、 電力供電全過程監(jiān)控、 主要電力設(shè)備免維護(hù)、 變配電所無人值班的要求，其技術(shù)設(shè)備裝備水平達(dá)到了國際國內(nèi)一流水平，體現(xiàn)了我國高速鐵路現(xiàn)代化水平。

［1］廖宇.高速鐵路電力供電系統(tǒng)的研究[J].西南民族大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008（03）.

［2］楊景華.高速鐵路牽引供電系統(tǒng)單芯電纜運(yùn)行故障分析[J].鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2011（01）.