武廣高速鐵路電力工程設計

■ 陶力軍

陶力軍：中鐵第四勘察設計院集團有限公司，高級工程師，副所長，湖北 武漢，430063

攝影 徐云華

1 10 kV電力貫通電纜線路電容電流的補償

貫通線電纜線路對地存在電容，正常送電運行或單相接地時都有電容電流流過線路，而且電纜線路相間及對地電容遠大于架空線路，電纜線路的電容電流亦遠大于架空線路的電容電流，可能造成以下幾點危害[1]。

（1）引起主變壓器或調壓器過載；

（2）單相接地時易造成電弧重燃，引起3倍以上的過電壓，易損壞供電設備或造成多相短路事故；

（3）貫通線電纜的分布電容產生的容性無功，會導致系統容性無功過剩，線路末端電壓上升。

因此，必須對線路電容電流進行補償，補償電纜電容電流較好的辦法是設置專用的并聯補償電抗器，主要有兩種方式。

方式一：在配電所集中設置動態(tài)補償電抗器。這種方式維護方便；貫通線故障隔離時，動態(tài)補償電抗器可自動調整，不會產生過補償；補償電抗器對降低線路容性電流沒有作用，僅補償容性無功功率；投資相對較大，需設置專用房屋，噪聲較大。

方式二：在區(qū)間貫通線上分散并聯補償電抗器，按貫通線分段長度比例分散補償電抗器。這種方式維護較方便，可與區(qū)間箱式變壓器同時進行；貫通線故障隔離時，剩余段補償仍然均勻；能有效降低線路容性電流；投資相對較小，不需設置專用房屋，可采用箱式電抗器與區(qū)間箱式變電站相鄰布置。

武廣高速鐵路電力工程設計中采用方式二，在全線兩回10 kV電力貫通電纜線路上每隔10 km左右分別分散設置箱式電抗器，起到補償接地電容電流、補償容性無功功率、限制線路末端電壓上升的綜合作用，其實際效果已在電力貫通線送電運行后得到驗證。

2 貫通線中性點接地方式的選擇

長期以來，我國鐵路10 kV電力貫通線絕大多數采用架空線路，電纜線路少，線路電容電流不大，10 kV供電系統一般采用中性點不接地系統。而武廣高速鐵路10 kV電力貫通線全部采用電纜線路，當發(fā)生單相接地故障時，每公里10 kV電纜故障相的電容電流約為1～1.5 A，是架空線路的30倍左右。武廣高速鐵路兩座相鄰10 kV配電所間距一般為40～70 km，發(fā)生單相接地時線路電容電流可達40～105 A，線路單相接地電容電流過大，電網安全運行受到威脅，因此在10 kV供電系統中采用中性點不接地系統已無法保證電纜線路安全。

以電纜線路為主的10 kV配電線路，不同國家接地方式不同，有中性點直接接地、經低電阻接地、經消弧線圈接地等方式。國內外沒有統一的規(guī)定，同一個國家不同城市接地方式也不相同，我國現有國家標準主要支持消弧線圈接地和低電阻接地兩種方式。

中性點經消弧線圈接地方式[2]。該方式運行可靠性高，發(fā)生單相接地故障時可繼續(xù)運行2 h；對瞬間故障能自動熄??；故障點對地電位低；單相接地的異常過電壓能抑制在2.8倍相電壓以下；運行管理和繼電保護比較復雜。

中性點經低電阻接地方式。該方式單相接地的異常過電壓能抑制在2.8倍相電壓以下；繼電保護簡單；運行管理比較簡單；供電可靠性較低；故障點地電位高，對人身及設備安全不利；對通信和電子設備干擾較大。

電力行業(yè)標準《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合DL/T620-1997》中規(guī)定[3]：

（1）3～10 kV不直接連接發(fā)電機系統和35 kV，66 kV系統。當單相接地故障電容電流不超過下列數值時，應采用中性點不接地方式；當超過下列數值又需在故障條件下運行時，應采用經消弧線圈接地方式。

① 3～10 kV鋼筋混凝土或金屬桿塔的架空線路構成的系統和所有35 kV，66 kV系統，為10 A。

② 3～10 kV非鋼筋混凝土或金屬桿塔的架空線路構成的系統，當電壓為3 kV，6 kV時，為30 A；10 kV時，為20 A。

③ 3～10 kV電纜線路構成的系統，為30 A。

（2）6～35 kV主要是電纜線路構成的送、配電系統。單相接地故障電容電流較大時，可采用低電阻接地方式，但應考慮供電可靠性要求、故障時瞬態(tài)電壓、瞬態(tài)電流對電氣和通信設備的影響以及繼電保護技術要求。

武廣高速鐵路采用兩條10 kV電力貫通線供電，供電可靠性高，電纜不需要帶故障運行，而且全電纜線路發(fā)生瞬間故障的概率較低。根據鐵道部運輸局“運計裝備［2009］56號”文《關于統一高速鐵路電力供電系統接地方式的通知》的要求，10 kV電力貫通線系統采用中性點經低電阻接地的運行方式。

當發(fā)生單相接地故障時，繼電保護裝置啟動，及時切斷故障線路。選擇中性點接地電阻值要統籌考慮各方面的因素，如電阻值選得過小，則接地電流過大，對附近的通信線路干擾較大；電阻值選得過大，則接地電流過小，繼電保護的動作可靠性降低。根據IEEE143標準規(guī)定，15 kV及以下系統低電阻接地運行方式的接地故障電流應限制在400 A以下。為了降低單相接地電流對信號的干擾，減少人身傷亡，保證繼電保護快速動作，采用低電阻接地系統，10 kV系統單相接地電流宜限制在300～350 A較為合適。

采用低電阻接地系統，中性點與大地之間用很小的電阻相連，一旦發(fā)生單相接地故障，將產生高達幾百安的接地電流，因此必須設置零序電流保護，迅速可靠地將此電流切斷。低電阻接地系統中繼電保護的選擇性和靈敏度較好。

3 電力貫通線電纜金屬護層的接地方式

按照《電力工程電纜設計規(guī)范》（GB 50217-2007）規(guī)定[4]，電力電纜金屬護層必須直接接地。電纜金屬護層的接地方式分為線路一端單點直接接地、線路中央部位單點直接接地、線路兩端直接接地等方式。武廣高速鐵路采用線路一端單點直接接地方式，并且在線路另一端經電纜護層電壓限制器接地，主要基于以下考慮。

（1）武廣高速鐵路區(qū)間箱式變電站間距最大不超過3.0 km，故單根電力貫通線電纜長度一般不超過3.5 km，單芯電纜按要求應盡量避免中間接頭，因此不可能采用線路中央部位單點直接接地方式。

（2）按GB 50217-2007第4.1.10條規(guī)定，未采取能有效防止人員任意接觸電纜金屬護層安全措施時，金屬護層的正常感應電勢不得大于50 V，采取相應措施后不得大于300 V。經計算及相關鐵路現場測量驗證，武廣高速鐵路采用的線路一端單點直接接地方式能夠滿足上述要求。

（3）電纜金屬屏蔽層中在正常和故障情況下都有感應電流通過，如果采用線路兩端直接接地方式，實際上是把電力電纜金屬屏蔽層作為鐵路貫通地線使用，此時電纜金屬屏蔽層需要滿足一定的載流量要求，其截面積一般不能小于16 mm2。從而增加了貫通線電纜投資，每公里電纜需增加約1.5萬元，武廣高速鐵路全線需增加投資約1億多元。

4 電力工程設計應用的新設備新材料

武廣高速鐵路電力工程設計中采用一系列新設備新材料，如電力貫通線電纜采用不銹鋼鎧裝的單芯銅芯電纜，10 kV變配電所高壓開關柜采用全封閉SF6絕緣開關設備（GIS），低壓開關柜采用智能型模數化組合柜型；變壓器、調壓器采用干式節(jié)能型設備，區(qū)間負荷供電均采用統一模式的箱式變電站，各站房設置高壓備用柴油發(fā)電機組等。

4.1 電力貫通線采用單芯電纜

長期以來，我國鐵路電力貫通線采用三芯電纜，武廣高速鐵路電力貫通線采用三根單芯電纜，雖然投資有所增加，但具有以下優(yōu)點[5]：

（1）單芯電纜與柜內終端連接時，可避免交叉，使電氣安全間距較寬裕，改善安裝作業(yè)條件；

（2）可避免電纜中間接頭，增強運行可靠性；

（3）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；

（4）一旦電纜發(fā)生接地，難以形成相間短路；

（5）容許彎曲半徑較小，有利于電纜敷設。

4.2 高壓開關柜采用全封閉SF6絕緣開關設備（GIS）

過去我國鐵路10 kV變配電所高壓開關柜采用空氣絕緣柜，鐵路區(qū)間用電負荷供電一般采用桿上變電臺，電力變壓器一般采用油浸變壓器。武廣高速鐵路采用全封閉SF6絕緣開關設備（GIS）、統一模式的箱式變電站、干式節(jié)能型電力變壓器，同時10 kV變配電所配置綜合自動化系統、低壓監(jiān)控裝置、區(qū)間箱式變電站上設置的遠程控制單元（RTU）均納入數據采集與監(jiān)控子系統（SCADA），并由綜合調度中心對電力設施集中監(jiān)控。以上措施大大提高供電可靠性，使主要電氣設備免維護少維修。

4.3 沿線設高壓備用柴油發(fā)電機組

沿線各鐵路車站站房設高壓備用柴油發(fā)電機組，在百年一遇的冰雪災害情況下，仍能基本保證鐵路正常生產生活秩序。在各車站站房內設置一臺10 kV柴油發(fā)電機組，主要供站房內通信、信號、客運信息設備及應急照明用電等一級負荷，并給區(qū)間10 kV電力貫通線供電。在重大災害情況下當地方電網全部停電時，啟動發(fā)電機組，保障與鐵路運行、管理密切相關的重要用電負荷不間斷供電。

總之，武廣高速鐵路電力工程實現電力線路入地、電力設備進屋、電力供電全過程監(jiān)控、主要電力設備免維護、變配電所無人值班，其技術設備裝備水平達到國際國內一流水平。

5 結論

（1）武廣高速鐵路10 kV電力貫通電纜線路上分散設置箱式電抗器，起到補償接地電容電流、補償容性無功功率、限制線路末端電壓上升的綜合作用。

（2）武廣高速鐵路10 kV電力貫通線系統采用中性點經低電阻接地的運行方式。

（3）武廣高速鐵路10 kV電力貫通電纜金屬護層采用線路一端單點直接接地方式，并在線路另一端經電纜護層電壓限制器接地。

（4）武廣高速鐵路電力工程設計中采用一系列新設備新材料，大大提高供電可靠性，使主要電氣設備免維護少維修。

[1]鐵道部專業(yè)設計院. 鐵路工程設計技術手冊-電力[M].北京：中國鐵道出版社，1991

[2]李潤先. 中壓電網系統接地實用技術[M]. 北京：中國電力出版社，2002

[3]中華人民共和國電力行業(yè)標準. 交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合 DT/T620-1997[S]

[4]中華人民共和國國家標準. 電力工程電纜設計規(guī)范GB50217-2007[S]

[5]中華人民共和國行業(yè)標準. 鐵路電力設計規(guī)范TB10008-2006[S]