鄭西客運(yùn)專線接觸網(wǎng)供電線架空連網(wǎng)方式研究

劉長(zhǎng)利

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電氣化處,西安 710043)

1 概述

鄭西客運(yùn)專線設(shè)計(jì)時(shí)速 350km,是我國(guó)首批開工建設(shè)的高速鐵路項(xiàng)目之一。為滿足高速度、高可靠性、高安全性的運(yùn)營(yíng)要求,客運(yùn)專線在設(shè)計(jì)、制造、安裝調(diào)試等方面均與普速鐵路存在較大的差異。在接觸網(wǎng)供電線連網(wǎng)技術(shù)方面,由于我國(guó)客運(yùn)專線普遍采用 AT供電方式,平均每 15km交錯(cuò)設(shè)置牽引變電所、AT分區(qū)所、AT自耦所,饋線較多且連網(wǎng)點(diǎn)密集,存在影響高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn),一旦發(fā)生故障跳閘引起動(dòng)車組失電停車,將會(huì)造成不良社會(huì)影響。

2 鄭西客運(yùn)專線牽引供電方式及饋線選型

2.1 牽引供電方式

鄭西客運(yùn)專線高速列車采用大功率交直交動(dòng)車組,具有線路高峰期短時(shí)集中負(fù)荷較明顯、動(dòng)車組負(fù)荷大及需要滿功率運(yùn)行等特點(diǎn)。牽引供電系統(tǒng)采用了AT供電方式,牽引變電所將高壓電源(220kV或 330 kV)降壓為單相工頻 AC2×25kV向接觸網(wǎng)供電,為高速列車提供電能。AT供電方式需要采用正饋線并設(shè)置 AT自耦所,較一般帶回流線的直供方式復(fù)雜。

2.2 牽引變電所、分區(qū)所、AT所饋線選型

供電線連網(wǎng)方式涉及的饋線種類有供電線(T)、正饋線(F)及中性線(N)。牽引供電計(jì)算考慮了饋線截面及載流量滿足 350km/h動(dòng)車組高峰期負(fù)荷電流要求,鄭西客運(yùn)專線牽引變電所、AT分區(qū)所、AT自耦所饋線選型如表1所示。

表1 牽引變電所、AT分區(qū)所、AT自耦所饋線選型[1]

3 現(xiàn)有供電線連網(wǎng)方式的分析

3.1 供電線連網(wǎng)方式的分類

根據(jù)牽引變電二次側(cè)設(shè)備選型,以及路基、橋梁等工程環(huán)境的不同,供電線連網(wǎng)方式可分為架空方式與電纜方式,國(guó)內(nèi)外技術(shù)調(diào)研結(jié)果如表2所示。

3.2 架空方式與電纜方式的對(duì)比分析

我國(guó)以往普速鐵路接觸網(wǎng)用單芯電纜敷設(shè)、維護(hù)條件較差,受牽引負(fù)荷交變及諧波過電壓的影響[2],電纜終端頭、中間接頭故障較多,雷電引起的擊穿事故也較多,鐵路運(yùn)營(yíng)部門對(duì)電纜方式存在顧慮。

在近期開通的幾條客運(yùn)專線項(xiàng)目中,雖然高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求,但仍存在電纜敷設(shè)雜亂無序、上橋方式多種多樣、多種電纜同槽同溝敷設(shè)、電纜頭現(xiàn)場(chǎng)制作未按工藝實(shí)施等不盡人意的地方,施工質(zhì)量是決定成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

另外,電纜方式還需要考慮如下問題:(1)在嚴(yán)寒地區(qū),電纜需采取防凍措施以避免電纜積水部位凍裂;(2)較長(zhǎng)距離的電纜故障不易檢查發(fā)現(xiàn),搶修及恢復(fù)的用時(shí)較長(zhǎng)。資料表明,美國(guó)北卡羅來納州計(jì)劃將其架空電力線路改建成地下電纜線路,曾經(jīng)對(duì)架空電力線路和地下電纜線路進(jìn)行了可靠性指標(biāo)分析,結(jié)果如表3所示。

表2 架空方式與電纜方式的國(guó)內(nèi)外情況

表3 1998～2002年北卡羅來納州架空電力線路和地下電纜線路可靠性指標(biāo)[3]

報(bào)告還分析到,地下電纜線路初裝時(shí)故障較多,3～4年后幾乎無故障,但到其壽命后期(15～20年后)故障率顯著增加,難以定位及修復(fù)。另外,地下電纜線路的供電中斷率雖為架空電力線路的一半,但其停電持續(xù)時(shí)間卻比架空電力線路長(zhǎng) 58%,且建設(shè)成本是架空電力線路的 10倍。

4 “門型架構(gòu)”連網(wǎng)方式新技術(shù)

在鄭西客運(yùn)專線設(shè)計(jì)中,在提高供電線連網(wǎng)可靠性方面進(jìn)行了專題調(diào)研和技術(shù)攻關(guān),首創(chuàng)了高可靠、簡(jiǎn)潔的“門型架構(gòu)”架空連網(wǎng)方式,運(yùn)行效果良好。其技術(shù)核心是。

(1)供電線連網(wǎng)點(diǎn)采用新型的“門型架構(gòu)”,沿線路方向設(shè)置在路肩上,并且上下行線路各布置一組形成供電線跨越連網(wǎng),如圖1所示。支柱、橫梁結(jié)構(gòu)與高鐵景觀達(dá)到和諧統(tǒng)一。

圖1 新型“門型架構(gòu)”連網(wǎng)方式

(2)牽引變電所(或分區(qū)所、AT所)27.5kV側(cè)采用 GIS開關(guān)柜時(shí),在圍墻內(nèi)由電纜轉(zhuǎn)成架空線路,并在戶外電纜頭處設(shè)氧化鋅避雷器,如圖2中左圖所示。供電線徑路上遇到障礙(如建筑物、電力線路、軍事區(qū)、環(huán)境保護(hù)區(qū)等)時(shí)應(yīng)避繞,桿塔基礎(chǔ)施工存在征地拆遷、青苗賠償?shù)葐栴},如圖2中右圖所示。

圖2 架空方式的出線(左圖)及獨(dú)立架設(shè)徑路(右圖)

(3)沿鐵路架設(shè)的供電線應(yīng)注意保持與接觸網(wǎng)、跨線橋等電氣安全距離,供電線跨越接觸網(wǎng)時(shí),在最大弛度時(shí)距承力索等帶電部分垂直距離不小于 3m;供電線距跨線橋底部靜態(tài)間隙不小于 500mm,動(dòng)態(tài)間隙不小于 200mm[4～5],并裝設(shè)絕緣護(hù)套。

(4)供電線支柱和基礎(chǔ)按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2001)和 《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50111—2006)設(shè)計(jì),抗震設(shè)防烈度為 8度,基礎(chǔ)抗傾覆安全系數(shù) k＞1.5,確保基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)安全可靠,避免倒桿影響鐵路運(yùn)輸安全[6～7]。

(5)成排獨(dú)立架設(shè)的供電線路均設(shè)防雷措施,柱頂懸掛架空地線兼做避雷線[4,8],在供電線連網(wǎng)點(diǎn)設(shè)置氧化鋅避雷器[8]。

4.1 “門型架構(gòu)”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在“門型架構(gòu)”的構(gòu)造設(shè)計(jì)方面,在滿足機(jī)械強(qiáng)度和電氣絕緣距離的前提下,針對(duì)鐵道部關(guān)于客專接觸網(wǎng)支柱和硬橫跨的設(shè)計(jì)規(guī)定和指導(dǎo)意見,如接觸網(wǎng)支柱采用 H型鋼柱、硬橫梁盡量輕型化等展開研究。“門型架構(gòu)”采用了 11m高的 H型鋼柱,支柱型號(hào)為GHT240B/11。經(jīng)靜態(tài)力學(xué)計(jì)算和 ANSYS有限元結(jié)構(gòu)分析后,進(jìn)一步縮小橫梁外形尺寸,采用了 12m長(zhǎng)的輕型雙槽鋼焊接型橫梁,橫梁與支柱采用剛接形式,如圖3所示,現(xiàn)場(chǎng)安裝效果如圖4所示。

H型鋼柱頂部露頭 750mm,用于安裝雙極電動(dòng)隔離開關(guān),供電線連網(wǎng)通過隔離開關(guān)跳線與接觸網(wǎng)連接。氧化鋅避雷器安裝在隔離開關(guān)底座上并與開關(guān)接線端子連接,如圖5所示,由于避雷器不設(shè)與接觸網(wǎng)或正饋線的電連接跳線,當(dāng)雷電擊穿時(shí)不會(huì)脫落至接觸網(wǎng),確保運(yùn)行安全。

圖3 “門型架構(gòu)”的構(gòu)造(單位:mm)

圖4 “門型架構(gòu)”安裝效果圖

圖5 柱頂隔離開關(guān)和避雷器安裝(左圖為俯視圖)

“門型架構(gòu)”的 H型鋼柱側(cè)面限界 3.0m,為避免影響路基穩(wěn)定性和破壞路肩電纜槽,支柱基礎(chǔ)采用了φ700mm鉆孔灌注樁,由站前土建施工單位在路基碾壓完成和電纜槽開挖前預(yù)留[4]。

我國(guó)高速鐵路的橋梁比例較大,對(duì)于供電線連網(wǎng)點(diǎn)的梁面至地面高差不大于 24m時(shí),均有條件采用“門型架構(gòu)”連網(wǎng)方式。設(shè)計(jì)要點(diǎn)為:(1)橋梁不用預(yù)留電纜上橋的爬架槽道及孔洞;(2)饋線出所、獨(dú)立架設(shè)線路、“門型架構(gòu)”等設(shè)計(jì)內(nèi)容不變,H型鋼柱基礎(chǔ)改由箱梁預(yù)留[4];(3)橋下地面鐵塔最高 35m,供電線跨越橋梁上正饋線時(shí)應(yīng)保持電氣絕緣間隙。

4.2 “門型架構(gòu)”連網(wǎng)方式的特點(diǎn)

“門型架構(gòu)”連網(wǎng)方式具有如下特點(diǎn)。

(1)采用 H型鋼柱和輕型雙槽鋼焊接梁,景觀上與高速接觸網(wǎng)協(xié)調(diào)一致。

(2)上下行饋線集中連網(wǎng),F/AF/N線布局同變電所饋線一致。

(3)雙極電動(dòng)隔離開關(guān)動(dòng)作時(shí)架構(gòu)較穩(wěn)定、無晃動(dòng)現(xiàn)象。

(4)支柱基礎(chǔ)由路基、橋梁預(yù)留,避免對(duì)土建工程及附屬結(jié)構(gòu)的破壞。

(5)工程投資僅為全電纜連網(wǎng)方式的十分之一。

5 結(jié)論和建議

鄭西客運(yùn)專線是我國(guó)第一條高速鐵路技術(shù)消化、吸收并實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化的項(xiàng)目,在充分調(diào)研、分析基礎(chǔ)上研發(fā)的“門型架構(gòu)”連網(wǎng)方式,兼顧了高可靠和景觀性,工程易實(shí)施,節(jié)省投資,成功投入運(yùn)行后狀況良好。

我國(guó)“十二五”發(fā)展規(guī)劃中的京滬高鐵、城際鐵路和多條客運(yùn)專線進(jìn)入建設(shè)高潮期,隨著采用 AT供電方式的電氣化鐵路項(xiàng)目增多,供電線連網(wǎng)的可靠性問題逐步得到重視。建議根據(jù)工程環(huán)境及氣候條件確定供電線連網(wǎng)方式,對(duì)于路基地段和軌面地面高差≤24m橋梁區(qū)段,宜采用“門型架構(gòu)”連網(wǎng)新技術(shù)。

[1] 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.鄭西客運(yùn)專線通信、信號(hào)、電力、電氣化工程補(bǔ)充初步設(shè)計(jì) 電氣化分篇[R].西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2008.

[2] 焦劍揚(yáng),劉明光,成輝海.牽引供電電纜線路事故分析與對(duì)策[J].大眾用電,2006(7).

[3] 李新捷.架空線路與地下電纜線路的利弊比較[J].國(guó)際電力,2005(9).

[4] TB10020— 2009,高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)[S].

[5] TB10009—2005,鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6] GB50011— 2001,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[7] GB50111—2006,鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[8] 羅國(guó)輝.輸電線路的防雷措施與技術(shù)應(yīng)用分析[J].廣東科技,2008(8):72-73.