高速铁路电力供电系统中新技术新设备的分析与研究

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【摘 要】本文根据高速铁路电力供电系统的特点，结合提高系统供电可靠性措施，提出了高速铁路电力供电系统中所采用的新技术和新设备，分析和研究了采用新技术和新设备的原因及改进后所带来的优势。
【关键词】高速铁路；电力供电系统；新技术；新设备
高速铁路供电系统分为两部分：一是提供高速铁路行车提供电源的牵引供电系统。二是高速铁路电力供电系统：承担牵引供电以外所有铁路负荷的供电任务，包括信号系统、生产、车站、供水系统以及生活等铁路用电负荷，其供电可靠性不仅直接影响铁路运输系统的正常安全运行，还关系到很多铁路职能部门的正常工作。
1 高速铁路电力供电系统的特点及供电方案
1.1 高速铁路电力供电系统的特点
铁路电力供电系统由于应用的特殊性，在系统构成和功能上都有一些有别于电力系统的特点，主要体现在3个方面：
1.1.1 电压等级低，变（配）电所结构单一
从电力系统的角度看，铁路负荷属于终端负荷，直接面对最终用户，所以铁路供电系统中绝大多数为10kV和35kV变配电所，这取决于地方供电系统电源的情况和铁路就地负荷的要求。
1.1.2 系统接线形式简单
铁路供电系统的接线就像铁路一样，是一个沿铁路敷设的单一辐射网，各变（配）电所沿线基本均匀分布，并且互相连接，构成手拉手供电方式。连接线有二种：一种是自闭线，还有一种是贯通线。连接线除了实现相邻所之间的电气连接外，还为铁路供电最重要的负荷（自动闭塞信号）提供电源。
1.1.3 供电可靠性要求高
铁路供电系统虽然电压等级低，接线方式简单，但对供电可靠性的要求却很高，其负荷（自动闭塞信号）的供电中断时间不能超过150ms，否则，将会导致所有供电区间的自动闭塞信号灯变为红灯，影响铁路的正常运输。
1.2 提高系统供电可靠性措施
铁路沿线分布着车站和通信基站，这些地面设施是保证铁路运输畅通和安全的基础设施，上述设施需要电力可靠供应。高速铁路对电力供电提出了更高的可靠性要求。全线供电安全、可靠性取决电力贯通线的运行水平，供电可靠性依赖于铁路供电设备配置水平。采用的可靠性措施主要有：
1）保证系统可靠备用：各配电所自国家电网接引两路电源；各配电所采用单母线分断接线型式；10kV配电网络采用双路环网电力电缆；变配电所、箱式变电站内配电变压器按双台配置。
2）提高设备可靠性：配电所选用SF6气体绝缘开关柜；箱式变电站选用SF6气体绝缘环网开关柜；变压器选用干式变压器；低压开关柜采用高可靠性、模数化、组合式柜型。
3）提高系统抵抗自然灾害能力：电线入地；设备进屋；备用发电机；从高压到低压全部采用远动。
高速铁路沿线设置电力变配电所，沿全线铁路两侧设置两回10kV电力贯通线，并在区间各用电点设置10kV箱式变电站，由变配电所、贯通线和箱式变电站构成高速铁路电力供电网络。其系统示意图如图1所示：
图1 高速铁路电力供电系统示意图
2 高速铁路电力供电系统新技术的分析与研究
高速铁路全线设置了两回 10kV 电力贯通线，贯通线采用不锈钢铠装的单芯铜芯电缆沿路基、隧道、桥梁预留的电力电缆槽敷设。 由于高速铁路线路较长，如此长距离的电力贯通电缆线路是我国铁路建设史上从未有过的，必须进行技术创新。
2.1 关于长距离10kV 电力贯通电缆线路电容电流的补偿的分析与研究
由于贯通线电缆线路对地存在电容，故在正常运行或单相接地时都有电容电流流过线路，又因为电缆线路相间及对地电容远大于架空线路，电缆线路的电容电流亦远大于架空线路的电容电流， 可能造成下列危害：
1）引起主变压器或调压器过载。
2）单相接地时易造成电弧重燃，引起 3 倍以上的过电压，易损坏供电设备或发展成多相短路事故。
3）贯通线电缆的分布电容产生的容性无功，会导致系统容性无功过剩，线路末端电压上升。
因此，必须对线路电容电流进行补偿，补偿电缆电容电流较好的办法是设置专用的并联补偿电抗器，主要有如下两种方式：在配电所集中设置动态补偿电抗器 ；在区间贯通线上分散并联补偿电抗器。高铁中一般采用了方式二，在全线两回 10kV 电力贯通电缆线路上每隔 10km 左右分别分散设置了箱式电抗器，起到了补偿接地电容电流、补偿容性无功功率、降低线路容性电流、限制线路末端电压上升的综合作用， 是一大技术创新。
2.2 贯通线中性点接地方式的分析与选择
长期以来，我国铁路 10kV 电力贯通线绝大多数采用架空线路为主，电缆线路少，线路电容电流不大，10kV 供电系统中一般采用中性点不接地系统。 而高速 10kV 电力贯通线全部采用电缆线路， 当发生单相接地故障时， 每公里10kV 电缆故障相的电容电流约为 1～1.5A， 是架空线路的 30倍左右，因此在10kV 供电系统中采用中性点不接地系统已是不可能了。
考虑到高速采用两条10kV 电力贯通线供电， 供电可靠性较高，而且全电缆线路发生瞬间故障的概率较低等原因，10kV 电力贯通线系统采用中性点经小电阻接地运行方式，当发生单相接地故障，继电保护装置动作，及时切断故障线路。中性点接地电阻值的选择要综合各方面的因素统筹考虑， 如电阻值选得过小， 则接地电流过大， 对附近的通信线路干扰较大； 如电阻选得过大，则接地电流过小，继电保护的动作可靠性降低。由于采用了小电阻接地系统， 中性点与大地之间用很小的电阻相连， 一旦发生单相接地故障， 就会产生高达几百安培的接地电流， 必须设置零序电流保护， 迅速可靠地将这个电流切断。小电阻接地系统中继电保护的选择性和灵敏度较好。
2.3 电力贯通线电缆金属护层的接地方式的分析与研究
按照《电力工程电缆设计规范》规定， 电力电缆金属护层必须直接接地。电缆金属护层的接地方式分为线路一端单点直接接地、线路中央部位单点直接接地、线路两端直接接地等方式。高速铁路采用的是线路一端单点直接接地的方式， 并且在线路另一端经电缆护层电压限制器接地。主要基于以下几点考虑：
1）高速区间箱式变电站间距最大不超过 3.5 公里，故单根电力贯通线电缆长度一般不超过 4 公里， 单芯电缆按要求应尽量避免中间接头，故不可能采用线路中央部位单点直接接地的方式。
2）按规定，未采取能有效防止人员任意接触电缆金属护层的安全措施时， 金属护层的正常感应电势不得大于 50V，采取相应措施后不得大于 300V。经计算并经相关铁路现场测量验证， 综合试验段采用的线路一端单点直接接地的方式能够满足上述要求。
3）如果采用线路两端直接接地方式，则因为电缆金属屏蔽层中在正常和故障情况下都有感应电流通过，实际上是把电力电缆金属屏蔽层作为铁路贯通地线使用，电缆金属屏蔽层就需要满足一定的载流量要求，其截面积一般不能小于16mm，从而增加了贯通线电缆投资。
3 高速铁路电力供电系统新设备、新材料的分析与研究
高速电力工程设计中采用了一系列新设备、新材料，如电力贯通线电缆采用不锈钢铠装的单芯铜芯电缆、 10kV 变配电所高压开关柜采用了全封闭 SF6 绝缘开关设备（ GIS）、低压开关柜采用智能型模数化组合柜型；变压器、调压器采用干式节能型设备、区间负荷供电均采用统一模式的箱式变电站等。
3.1 电力贯通线材料的选择
长期以来，我国铁路电力贯通线采用的都是三芯电缆，高速铁路电力贯通线采用的是三根单芯电缆， 虽然投资有所增加， 但其有很多优点：单芯电缆与柜内终端连接时，可避免交叉，使电气安全间距较宽裕，改善了安装作业条件；可避免电缆中间接头，增强运行可靠性；单芯电缆较同截面的三芯电缆载流量增加约 10%，可使电缆截面选择降低一档；一旦电缆发生接地，难以发展成为相间短路；容许弯曲半径较小，有利于电缆敷设。
3.2 新设备的分析与研究
我国铁路 10kV 变配电所高压开关柜以前都是采用空气绝缘柜、铁路区间用电负荷供电一般采用杆上变电台、电力变压器一般采用油浸变压器。高速铁路采用了全封闭 SF6 绝缘开关设备（ GIS）、统一模式的箱式变电站、 干式节能型电力变压器， 同时10kV 变配电所配置的综合自动化系统、 低压监控装置以及区间箱式变电站上设置的 RTU 均纳入 SCADA 子系统，由综合调度中心对电力设施集中监控。
1）高压侧采用全封闭GIS：高速铁路变配所10KV高压柜采用的是ABB公司生产的气体绝缘开关设备，该设备是在工厂内进行装配并经过全套出厂试验的，其所有的高压元器件均密闭在气密的不锈钢气室中。其采用单母线、模块化设计度带压力释放通道。能满足安全最大化空间需求最小化及经济性的要求。
2）10/0.4kV 箱式变电站：高速铁路电力线路由全线设置的一级负荷电力贯通线和综合电力贯通线构成。箱式变电站电源由一级负荷贯通线主供，综合电力贯通线备供，降压后供给沿线与行车有关的通信、信号、综合调度系统等。主接线如图2所示：
高速铁路电力远动箱变是依据铁路通信、信号系统对电源的要求，引进德国先进SF6充气式环网柜技术，结合低压断路器、电流电压互感器、变压器以及电源监控装置、直流电源系统、通信系统、计量及指示仪表等原件，相互密切配合，构成系统。系统在工厂内安装调试好之后装入一个可移动、密封、防潮、防尘、防锈的双层箱体内，从而实现铁路通信、信号电源一二次系统的集成化、装配模块化、建设过程工厂化、施工简单化的“四化”户外装置。缩短了建设周期，大大提高了铁路通信信号电源的可靠性。
3）沿线各铁路车站站房设备用柴油发电机组，在冰雪灾害情况下仍能基本保证铁路正常生产生活秩序。
高速铁路分别在各中间站房内、重要的10kV 变配电所各设置一台 10kV柴油发电机组，主要供站房内通信、 信号、 客运信息设备及应急照明用电等一级负荷，并给区间 10kV 电力贯通线供电，在重大灾害情况下当地方电网全部停电时，启动发电机组，保障与铁路运行、管理密切相关的负荷用电。
4 结论与展望
总之，高速铁路电力供电系统采用了一系列新技术、新设备：如电力线路采用不锈钢铠装的单芯铜芯电缆，使绝缘程度有了显著提高；10kV 开关、变压器采用无油化设备；高低压开关柜、继电保护设备少维护；配电所无人值班、实现了配电调度一体化；全线设置双贯通线，电力远动纳入 SCADA 集中监控，供电可靠性高等；电力工程设计及施工达到了电力线路入地、 电力设备进屋、 电力供电全过程监控、 主要电力设备免维护、 变配电所无人值班的要求，其技术设备装备水平达到了国际国内一流水平，体现了我国高速铁路现代化水平。
【参考文献】
[1]廖宇.高速铁路电力供电系统的研究[J].西南民族大学学报：自然科学版，2008（03）.
[2]杨景华.高速铁路牵引供电系统单芯电缆运行故障分析[J].铁路技术创新，2011（01）.
[责任编辑：程龙]