客運專線牽引供電系統對電力電纜的影響分析

楊建興

0 引言

自2008年京津城際鐵路開通后，國內鐵路客運專線已陸續開通了石太、甬臺溫、溫福、武廣、鄭西、合寧等線。隨著新技術、新設備的采用，客運專線各系統之間的相互兼容性要求越來越高。

在客運專線電力供電系統設計和實施中，考慮到客運專線多采用高架結構的特點，為保證電力供電可靠性及提高系統抗自然災害能力，電力貫通線一般采用全電纜方式沿高架橋兩側電纜槽敷設，同時電纜金屬護層（屏蔽層和鎧裝層）的接地方式采用與綜合地線相連接方式，間接通過綜合地線構成牽引供電系統的一部分，考慮到客運專線牽引負荷大、行車密度高的特點，有必要研究牽引供電系統在正常運行和故障情況下對電纜金屬護層的影響。本文以京津城際鐵路武清—天津供電臂為模型，利用運行圖模擬仿真計算軟件，將綜合地線、電力貫通線的金屬護層納入牽引供電網絡模型，建立供電網絡模型，計算分析金屬護層單端接地時感應電壓和雙端接地時感應電流，從而對金屬護層的接地方式和截面提出相關建議。

1 電力供電系統設計

1.1 系統概況

在京津城際軌道交通工程電力供電系統中，沿京津城際鐵路設置2回獨立的10 kV電力線路（1回為一級負荷電力貫通線，另1回為綜合電力貫通線），向沿線電力設備供電，電源取自北京南站、亦莊站、永樂站、武清站、天津站設置的10 kV配電所。

電力供電系統主要為通信、信號的低壓設備供電，一般全線每隔0.5～3.0 km設置箱式變電站，每個變電站分別從一級負荷電力貫通線和綜合電力貫通線各引入1回10 kV電源，降壓為0.4 kV后，向低壓負荷供電。10 kV電力貫通線全部采用單芯銅鎧銅芯電纜，電纜截面為70 mm2。

1.2 金屬護層接地要求

1.2.1 內部感應電壓

京津城際電力貫通線電纜負荷電流一般為10～20 A，電纜短路電流一般為100～600 A。

按單回貫通電力電纜最長3 km、電纜成品字形布置、金屬護層單端接地，經計算，電纜負荷電流產生的最大感應電壓為3.6 V，短路電流產生的最大感應電壓為104 V（0.1 s）。

1.2.2 金屬護層接地方式選擇

對于電力供電系統本身，若金屬護層采用單端接地，雖然感應電壓滿足標準值要求，但是系統短路、雷擊等故障時，系統保護可靠性、保護靈敏性降低，因此建議金屬護層采用雙端接地方式。

1.3 金屬護層截面要求

1.3.1 單相短路電流

電力電纜發生單相接地時，故障電流需以電纜的金屬護層為回流通路。

根據計算，電力貫通線近端短路電流不大于600 A，遠端短路電流約為200 A，持續時間一般不大于1 s。

1.3.2 金屬護層截面選擇

為滿足供電安全可靠性，對于電力供電系統本身要求，金屬護層的短時載流能力應能滿足單相短路電流要求，并以此作為校核和選擇金屬護層截面的依據。

2 牽引供電系統影響仿真計算

2.1 牽引供電系統計算基礎資料

2.1.1 行車組織條件

仿真計算的行車組織條件按16輛編組，運行速度350 km/h，緊密運行追蹤間隔3 min考慮。

2.1.2 牽引供電系統主要相關參數

牽引供電系統主要相關參數見表1所示，牽引網導線型號見表2所示。

表1 牽引供電系統主要相關參數表

表2 牽引網導線型號一覽表

2.1.3 接觸網各導線空間幾何位置

接觸網各導線空間幾何布置按高架橋區段考慮，高架橋區段各導線的空間相對位置見圖1。

圖1 高架橋區段接觸網安裝示意圖

2.2 電力供電系統基礎資料

2.2.1 電力箱式變電站位置

武清—天津供電臂內相關電力箱式變電站的位置見表3。

表3 電力箱式變電站位置一覽表

2.2.2 金屬護層相關技術參數

單芯銅鎧銅芯電纜70 mm2金屬護層（不同截面屏蔽層和外鎧組合）相關電氣參數見表4。

表4 金屬護層電氣參數一覽表

2.3 牽引供電網絡模型

2.3.1 設定條件

（1）牽引變壓器接線型式為單相外V接線，牽引變電所內不設AT變壓器。

（2）在牽引供電網絡模型中，每隔 600 m，上下行鋼軌各與綜合接地線相連接，每隔1 200 m，上下行鋼軌相連接，并與綜合接地線相連接。

（3）在牽引變電所、AT所、分區所處，鋼軌、保護線、綜合接線與電纜屏蔽層及金屬外鎧相連接。

（4）在高架橋段區段，電力電纜槽與鋼軌中心距離為2 500 mm，綜合地線與電纜槽相鄰。

（5）電纜敷設方式為品字形布置，在牽引供電網絡模型中，3根電纜的屏蔽層及金屬外鎧可按等效為1根導體考慮。

2.3.2 模型建立

根據電力貫通線金屬護層的2種接地方式，建立2個網絡模型。其中圖2為兩箱式站間電纜金屬護層雙端接地；圖3為兩箱式站間電纜金屬護層單端接地。

2.4 模擬計算結果

2.4.1 牽引供電系統引起的感應電壓

當電力貫通線金屬護層采用單端接地方式時，金屬護層未接地端的感應電壓與電纜的長度、在供電臂中的位置、牽引負荷電流有較大關系，與金屬護層截面大小沒有關系。

根據計算，正常運行時，牽引負荷引起感應電壓為45～243 V；短路情況下，牽引網短路電流引起感應電壓為1 944 V（0.1 s）。

圖2 武清—天津供電臂網絡模型（雙端接地）圖

圖3 武清—天津供電臂網絡模型（單端接地）圖

2.4.2 牽引供電系統引起的感應電流

當電力貫通線金屬護層采用雙端接地方式時，金屬護層感應電流與牽引負荷電流大小、電纜截面、在供電臂中位置有較大關系。根據計算，系統正常運行時，在變電所出口處，金屬護層（不同截面屏蔽層和外鎧組合）的感應電流大小（有效值）見表5。

表5 金屬護層感應電流一覽表

3 牽引供電系統影響分析

3.1 金屬護層接地方式

當電纜金屬護層采用單端接地時，牽引供電系統引起的感應電壓超過標準允許值。為減小感應電壓，可采用減小電纜單段長度，但勢必引起中間接頭過多，影響供電可靠性和維護運營。因此，建議電纜金屬護層采用雙端接地方式。

3.2 金屬護層截面選擇

對于電纜金屬護層（屏蔽層及外鎧）的載流能力（持續載流量）與其截面大小可看成線性正比關系，暫按每mm2載流2 A的能力進行考慮，繪制載流曲線（實際的載流能力曲線應由廠家對所生產的電纜的各種屏蔽層及外鎧截面進行實驗測試所得）。

不同電纜屏蔽層及外鎧截面的載流能力及感應電流曲線如圖4所示。

圖4 屏蔽層及外鎧截面其載流能力及感應電流曲線圖

由圖4可以看得，隨著電纜屏蔽層和外鎧截面的不斷加大，其牽引回流增加趨于平穩；在電纜屏蔽層及外鎧估算的載流量曲線下，與感應回流曲線的交叉點的截面應為電纜屏蔽層和外鎧最經濟、最合理的選擇，其截面大小為（16+8）mm2。

結合各種情況，對于金屬護層的屏蔽層和外鎧，其載流能力建議為48 A和24 A。

4 結束語

客運專線是一個整體系統工程，內部各子系統之間相互獨立又相互影響，電力貫通線的電纜金屬護層作為客運專線綜合接地系統的重要組成部分，其接地方式及截面大小的選擇，不僅關系到電力供電系統的可靠運行，而且也關系到牽引供電系統及其他系統的可靠運行，因此，在電力供電系統設計中，電纜金屬護層的接地方式和截面選擇應統籌考慮，確保鐵路客運專線行車安全。

[1]電氣化鐵道設計手冊-牽引供電系統 鐵道部電氣化工程局電氣化勘測設計院[S].北京：中國鐵道出版社，1988.

[2]Kie?ling, Puschmann, Schmieder.電氣化鐵道接觸網[M].中鐵電氣化局集團譯.北京：中國電力出版社，2004.

[3]楊照輝，楊建興，吳炳章.京津城際客運專線鐵路電力供電系統[D].2008年鐵路電氣化新技術學術年會論文集，2008.

[4]牛金平，李晉.鐵路客運專線單芯電力電纜金屬護套接地方式研究[D].2008年鐵路電氣化新技術學術年會論文集，2008.