提高鐵路客運專線牽引供電系統(tǒng)可靠性的探討

鐘永發(fā)

0 引言

鐵路客運專線牽引供電系統(tǒng)主要由牽引變電所、饋電線、接觸網(wǎng)、回流線等組成，是鐵路客運專線的重要組成部分，一旦牽引供電系統(tǒng)發(fā)生故障，將給鐵路客運專線運輸造成嚴重影響。因此，有必要采取措施提高牽引供電系統(tǒng)的可靠性，確保鐵路客運專線安全可靠運營。

1 牽引供電系統(tǒng)主要存在問題及分析

根據(jù)近年來已建成運營的武廣線、京滬線、福廈線等客運專線運行狀況的調查統(tǒng)計，牽引供電系統(tǒng)主要存在4類常見問題：高壓電纜故障、雷擊故障、電氣絕緣故障和供電系統(tǒng)靈活性較差。

1.1 高壓電纜故障分析

鐵路客運專線的牽引變電所、AT所、分區(qū)所的27.5 kV饋出線大部分采用高壓電纜架設，牽引變電所進出高壓室開關柜的線路也大都采用高壓電纜敷設。在實際施工和運營管理中，由于存在高壓電纜材質不良，電纜敷設不規(guī)范，電纜頭制作質量不高，電纜金屬護套接地方式選取不當，以及對電纜的監(jiān)測和維護不到位等原因，導致高壓電纜故障頻繁發(fā)生，影響供電安全。

1.2 雷擊故障分析

鐵路客運專線大部分采用高架橋建設方式，接觸網(wǎng)通常處在距地面較高的位置，在線路經(jīng)過平原或地域空曠地帶，由于避雷措施設置不合理，防雷接地不良等原因，接觸網(wǎng)極易遭受雷電侵襲，引發(fā)供電故障。

1.3 電氣絕緣故障分析

鐵路客運專線主要采用AT牽引供電方式，牽引網(wǎng)結構相對復雜，導線數(shù)量較多，在接觸網(wǎng)支柱上既懸掛有承力索、接觸線，又懸掛有正饋線、保護線、設備引線等附加導線，因此，導線之間的空氣絕緣間隙，以及導線對跨線建筑物、隧道及地面的凈空要求較高。但由于工程設計和實施中對導線的絕緣間隙設置不合理，控制不到位，日常運營管理中對絕緣部件清掃不及時，對導線附近的建筑物、樹木、鳥窩、覆冰等物體防護處置不當，容易造成電氣絕緣不良而引發(fā)供電故障。

1.4 供電系統(tǒng)靈活性較差分析

鐵路客運專線牽引供電系統(tǒng)由于設計上存在缺陷，如牽引變電所一次側未設置內跨條，牽引變電所27.5 kV饋出線未設置備用斷路器，接觸網(wǎng)供電單元設置不合理，變電所饋線隔離開關未采用單極隔離開關等原因，導致牽引供電設備發(fā)生故障時，供電系統(tǒng)顯得靈活性不夠，不能通過系統(tǒng)倒閘，及時切除故障，迅速恢復正常設備運行，往往造成故障影響范圍較大。

2 提高牽引供電系統(tǒng)可靠性的措施

根據(jù)當前鐵路客運專線牽引供電系統(tǒng)存在的主要問題，結合客運專線設計、施工及運營實際，提出如下建議和措施，以提高鐵路客運專線牽引供電系統(tǒng)的可靠性。

2.1 減少高壓電纜故障的措施

（1）確保高壓電纜材料質量。鐵路客運專線牽引供電系統(tǒng)使用的高壓電纜應選用交流、單芯、銅導體，保護層為非磁性金屬鎧裝層的電氣化鐵道27.5 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜，不得采用35 kV普通電力電纜代替。電纜進場時，應嚴格按規(guī)定核對電纜規(guī)格型號，檢查電纜外觀質量，并對電纜的耐壓試驗、泄漏電流和絕緣電阻等技術指標進行抽檢，嚴禁不合格電纜進場使用。

（2）嚴格控制電纜頭制作質量。電纜頭是高壓電纜中絕緣最為薄弱的部位，施工中必須高度重視電纜頭的制作質量，應由具有高壓電纜頭制作資質的專業(yè)人員，嚴格按照技術標準和操作規(guī)范要求制作，并對電纜頭制作過程留存影像，建立檔案資料，做到專人制作，責任到人，確保高壓電纜頭的制作質量。電纜頭的固定應選用不損傷電纜外皮的專用卡具，并選擇適當?shù)奈恢霉潭ǎ瑖澜崩陀才ざ鴵p傷電纜頭。

（3）規(guī)范電纜敷設。電纜敷設嚴格按照工藝標準實施，電纜的彎曲半徑不得小于電纜外徑的15～20倍，施工時注意不得損傷電纜；上下行供電線電纜應分溝敷設，避免其中一條電纜擊穿時燒毀相鄰電纜，造成上下行同時中斷；電纜穿越道路、鐵路時，應采用高強度PVC管穿管敷設，保護管的內徑不小于電纜外徑的1.5倍，保護管的彎曲半徑不小于其外徑的10倍；每條饋線至少敷設1根備用電纜；用作供電線的電纜必須敷設在電力電纜槽內時，應采取措施與電力電纜進行隔離。

（4）設置電纜溫度在線監(jiān)測裝置。為加強對高壓電纜的在線監(jiān)測，應對牽引供電系統(tǒng)所有的高壓電纜和電纜頭設置在線溫度監(jiān)測裝置，當運行中高壓電纜和電纜頭溫度異常變化時，監(jiān)測裝置能及時告警，并提醒值班人員進行處理，有效預防和減少高壓電纜故障對牽引供電系統(tǒng)的影響。

（5）選取合適的電纜護套接地方式。根據(jù)電氣化鐵道27.5 kV專用電纜的特點，電纜接地方式宜采用下列原則：電纜長度小于1 km時，采用一端直接接地，另一端保護接地方式；電纜長度為1～2 km時，采用電纜中間接地，兩端保護接地方式；電纜長度大于2 km時，采用金屬護套交叉互聯(lián)接地方式。保護層電壓限制器的選擇應符合《電力工程電纜設計規(guī)范》的要求。

（6）采用明線架空方式。由于高壓電纜投資大，而且發(fā)生故障時存在查找困難，恢復時間較長等問題，因此，有條件的地段，線路盡量采用明線架空方式，減少高壓電纜的使用。

2.2 預防雷擊故障的措施

（1）確保避雷器運行狀態(tài)良好。牽引供電系統(tǒng)的避雷器應選用帶有脫離器的氧化鋅避雷器，并加強避雷器的進場質量驗收，確保避雷器的規(guī)格、型號、質量符合設計及相關技術標準，避雷器的密封性能良好，無裂紋和破損，電氣性能符合《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》GB50150的規(guī)定。運行中，嚴格按照檢修工藝標準，加強避雷器的巡視檢查和檢修，發(fā)現(xiàn)缺陷及時更換或處理，確保避雷器處于良好的運行狀態(tài)。

（2）合理設置避雷器。接觸網(wǎng)防雷的主要措施是在接觸網(wǎng)上設置避雷器，遭受雷擊時迅速將雷電流泄入大地，從而保證接觸網(wǎng)絕緣子及導線空氣絕緣間隙不被擊穿。為提高鐵路客運專線防雷水平，宜在以下處所設置避雷器：接觸網(wǎng)分相及錨段關節(jié)處，隧道兩端，供電線和正饋線上網(wǎng)點，高壓電纜與架空線路的轉換處，架空電纜線路的兩端。在重污染和強雷區(qū)應適當增加避雷器設置數(shù)量或增設避雷線，并根據(jù)需要考慮增加絕緣子爬距。

（3）利用保護線（PW 線）兼作避雷線。鐵路客運專線接觸網(wǎng)支柱上安裝有PW線，主要作為牽引供電回流使用。由于PW線一般安裝在正饋線（AF線）和承力索下方，對接觸網(wǎng)不能起到有效防雷的作用。因此，可以考慮參照電力系統(tǒng)的做法，在高、強雷地區(qū)，將PW線設置在接觸網(wǎng)支柱頂部（圖 1），利用 PW 線既作為回流線，也作為接觸網(wǎng)的避雷線。PW線兼作避雷線的架設高度應考慮保護角的問題。

圖1 PW線兼作避雷線示意圖

（4）做好防雷接地。接觸網(wǎng)遭受雷擊后因防雷接地不良而造成避雷失效也是引起牽引供電系統(tǒng)故障的主要原因之一，因此必須重視牽引供電系統(tǒng)的防雷接地問題。避雷器應做到2點單獨接地，接地電阻不大于 10 ?，接地點不得與綜合貫通地線連通，防止雷電流通過綜合貫通地線對通信、信號等設備造成影響。

2.3 防止電氣絕緣故障的措施

（1）嚴格控制導線之間及導線對地的絕緣間隙。導線之間及導線對地的絕緣間隙應考慮溫度變化，風速（包括動車高速運行引起的活塞風）和覆冰等影響因素，按最不利情況進行校核。在AT供電方式中，宜按下列原則控制導線絕緣間隙：AF線與PW線的距離不小于1 000 mm；盡量減少AF線與承力索的交叉跨越，必須交叉跨越時，應保證AF線距承力索的距離不小于1 200 mm，并在交叉點的AF線和承力索上設置絕緣護套；AF線、供電線及接觸網(wǎng)等帶電部分通過隧道或上跨建筑物時，必須確保絕緣間隙不小于700 mm，并對隧道口和進出跨線建筑物處的導線安裝絕緣護套。

（2）縮短絕緣子清掃周期。鐵路客運專線高速運行的動車組卷起的灰塵對絕緣子的污染較為嚴重，特別是隧道內及有砟軌道線路，污染更加明顯。因此，運營部門應根據(jù)線路污染情況適當縮短絕緣子的清掃周期，對于重污區(qū)段的絕緣子應增加絕緣子的爬距或采用合成絕緣子。

（3）加強供電設備的巡視檢查。鐵路客運專線上高速運行的動車組產(chǎn)生的風速，對線路附近樹木、建筑物等產(chǎn)生極大的影響，容易造成樹木侵線，建筑物上的物體散落，危及行車及供電安全。因此，必須加強日常設備巡視工作，及時清理侵線樹木、鳥窩、覆冰等危及供電安全的物體，同時對接觸網(wǎng)、供電線附近的車站雨棚、房屋、防護柵欄、廣告牌等建筑物，及時要求產(chǎn)權單位遷移或進行加固處理，并重點巡查盯防，消除隱患。

（4）重點處所設置視頻監(jiān)控。為有效預防和減少牽引供電故障的發(fā)生，應在隧道口、大型車站兩端、分相、供電線上網(wǎng)點等接觸網(wǎng)的重要處所設置視頻監(jiān)控裝置，實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)和處理設備安全隱患，提高牽引供電的可靠性。

2.4 增強牽引供電系統(tǒng)的靈活性

（1）牽引變電所高壓側設置內跨條。為提高牽引變電所的供電可靠性，應在變電所的高壓側設置內跨條（如圖2虛線所示），確保牽引變電所進線電源或主變壓器發(fā)生異常情況時，系統(tǒng)能靈活倒閘，改變運行方式，從而提高牽引變電所供電的可靠性。

圖2 變電所高壓側設置內跨條示意圖

（2）增強27.5 kV饋出線的供電靈活性。在變電所27.5 kV饋線側上下行饋線間增設1組備用斷路器，實現(xiàn)對上下行饋線斷路器的備用；變電所饋線隔離開關采用2臺單極開關設置。這樣當饋線設備發(fā)生故障時，能迅速切除故障設備，投入正常設備恢復供電。

（3）合理設置接觸網(wǎng)供電單元。鐵路客運專線動車組靠接觸網(wǎng)獲取電能工作，而接觸網(wǎng)沒有備用，一旦發(fā)生故障，將影響動車組的正常工作，因此，應通過合理設置接觸網(wǎng)供電單元，以確保在接觸網(wǎng)故障情況下，能迅速切除故障點，縮小故障范圍，盡量減少對動車組的影響。供電單元設置可參考以下原則：每個車站設置一個獨立供電單元；每條供電臂設置2個獨立供電單元，在供電臂中間或AT所供電線上網(wǎng)點處劃分設置；長大隧道設置獨立供電單元，超過6 km以上的隧道，按每3 km設置一個獨立供電單元。供電單元之間的聯(lián)絡開關實行遠動控制。

3 結語

鐵路客運專線牽引供電系統(tǒng)的可靠性涉及設計、施工、運營管理等多個環(huán)節(jié)。為提高牽引供電系統(tǒng)的可靠性，應從已經(jīng)開通運營的鐵路客運專線牽引供電系統(tǒng)發(fā)生的常見故障類型入手，深入分析原因，認真總結經(jīng)驗，并在該基礎上進一步完善系統(tǒng)設計，提高施工質量，加強運營管理，避免新建客運專線牽引供電系統(tǒng)出現(xiàn)類似問題，為鐵路客運專線運輸提供安全可靠的供電保障。

[1]TB10621-2009 中華人民共和國鐵道部.高速鐵路設計規(guī)范（試行）[S].北京：中國鐵道出版社，2010.

[2]TB10009-2005 中華人民共和國鐵道部.鐵路電力牽引供電設計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[3]TB10758-2010 中華人民共和國鐵道部.高速鐵路電力牽引供電工程施工質量驗收標準[S].北京：中國鐵道出版社，2011.

[4]南昌鐵路局.南昌鐵路局客運專線設施維修管理規(guī)定.南昌，2012.