電源匱乏地區鐵路電力供電方案選擇分析

陳建華

摘要：

在完善鐵路路網結構、解決偏遠地區運輸需求建設過程中，經常需要在地處偏遠、不發達地區建設鐵路，這就給鐵路電力設計提出了如何確定電力供電方案的問題。在闡述鐵路建設過程中，對于外部電源匱乏的地區，經過對建設10kV電力貫通線方案和自備電源方案經濟技術比較，選擇合理的電力供電方案。

關鍵詞：

電源匱乏；風光互補；供電方案

中圖分類號：

TB

文獻標識碼：A

文章編號：1672-3198（2014）04-0187-02

1 引言

某新建鐵路地處內蒙古中南部草原地區，鐵路正線全長約100公里，線路兩端均與既有線接軌，主要技術標準為Ⅳ級鐵路，單線，采用內燃機車牽引。

本線沿線地方電源分布情況如下：兩端接軌站位于該地區兩個旗縣的主要城鎮，分別建有地方的35kV、110kV變電站，能夠為鐵路提供電源，鐵路沿線區間分布有少量牧區10kV農電線路，配電線路長且負荷點眾多，不適合為鐵路負荷供電，中間車站距離最近的地方變電站約30公里，故接引可靠外部電源十分不便。沿線太陽能和風能資源較為豐富，附近建有較大規模的風力發電場，且已投產發電并運行較穩定。

本線用電負荷主要集中在兩端的接軌站和中間會讓站，區間分布有約30處小負荷通信用電點，沿線地形起伏不大，無隧道，沿線各站主要的用電負荷等級為二級和三級負荷。

結合《鐵路電力設計規范》第4.2.1條“…當所在地區偏僻，遠離公共電網，設置自備電源較從外部取得電源技術經濟合理時，宜設置自備電源或在牽引變電所二次側設動力變壓器取得電源”和《Ⅲ、Ⅳ級鐵路設計規范》第10.1.2條“…當取得電源由困難時，經技術經濟比較，可采用柴油發電機組等其他獨立電源?！焙偷?0.1.8條“鐵路長度大于40km時，經過經濟技術比較可設置10kV電力貫通線”，考慮到本線的鐵路等級，有必要對本線是否設置電力貫通線和是否有必要利用自備電源源為鐵路沿線用電設備提供電源做經濟技術比較，通過比選來選擇適合本線的電力供電方案，并總結類似地區鐵路電力供電方案選擇上的側重點。

考慮到沿線各車站內站場低壓配電系統及室外照明等工程基本相同，不影響比選的結果，故比選的范圍僅限全線電力供電系統中電源線路及變配電設備部分。

2 比選方案的確定

2.1 方案一：新建電力貫通線方案

根據地方電源的分布情況，結合常規的鐵路建設電力供電方案，首先考慮的就是在鐵路兩端建設10kV鐵路配電所，沿線新建鐵路10kV電力貫通線為區間負荷和沿線匱乏電源的會讓站供電。從供電臂的長度來看，100公里雖然已經大大超過了電力設計規范中建議的常規供電臂長度40公里至60公里的范圍，但結合本線的技術標準和用電負荷的分布情況分析，區間開站少，負荷相對較輕，經過計算，常規的10kV電力貫通線仍可以滿足沿線供電需要。

建設電力貫通線的方案需要建設與其配套的10kV配電所和外電源線路，考慮到本線的標準，同時為了節約工程投資，10kV配電所按照一路外接電源考慮，從而節約外部電源和高壓配電設備的投資。

綜上，該方案主要工程內容為建設約100余公里10kV電力貫通線路、2座單電源帶調壓器10kV配電所和相應的外部電源線路。

2.2 方案二：自備電源方案

本線沿線區間用電負荷小且分散，因此可以考慮采用設置自備電源方案。常規的自備電源主要采用柴油發電機組，結合當地可再生資源分布情況還可考慮太陽能風能等資源提供自備電源，考慮到本線主要需要解決沿線區間負荷的電源問題，而柴油發電機組在無法實現人員隨時到位維護、加油等工作的情況下不適用于本線。該地區可再生能源中太陽能和風能的的分布均較為豐富，太陽能資源方面該地區年日照小時數達到了3000余小時，年輻射總量達到了130～150千卡/（cm2·年）（詳見表1），故提出不建設電力貫通線，利用太陽能和風能互補發電及風光互補發電為鐵路沿線負荷點提供電源的方案，擬通過比選確定最終方案。

該方案利用沿線豐富的太陽能和風能，在區間各個用電點建設小規模的太陽能、風能互補發電站為其供電，重點在于省去了配電所及外部電源線路的建設，在區間也不再需要建設電力貫通線，只需在各負荷點配套風光互補電源設備即可，有很強的布置靈活性。國外有類似方案成功應用的案例，如某礦石運輸鐵路，長達數百公里，標準大致相當于本線的Ⅳ級鐵路，沿線區間均采用了太陽能電源裝置為區間信號點、通信設備提供電源，供電質量能夠保證需要，運行也很可靠。

該方案根據負荷容量及位置設置成套風光互補發電設備，主要由室外太陽能電池板和風力發電機，室內充電控制器、直流部分、逆變器及電能存儲蓄電池組構成，根據用電負荷容量選擇相應的充電及逆變設備，根據容量及備用電源時間需求配置相應容量的蓄電池組，以備陰天、下雨、無風等發電條件不好時為負荷提供電源，蓄電池組在建設投資中占相當的比重。

3 各方案比較分析

3.1 成本分析

（1）建設成本。

建貫通線方案，主要投資包括三大塊內容，配電所外部電源線路，10kV配電所，沿線電力貫通線路。該方案投資與鐵路線長度成正比例增長，粗略估算全線配電所、電源線路及電力貫通線的投資合計在2000萬元左右。

風光互補發電方案，單處負荷點成本較高，電源點投資較高，但本方案無需建設10kV配電所及電源線路、貫通線，因此單處較高的投資并不一定帶來項目整體的高投資；根據本線區間負荷點容量及需要后備電源時間，計算相應風光互補發電裝置的裝機容量及蓄電池組容量，初步估計投資在2400萬元左右。

（2）電費支出。

新建貫通線方案自建成投運起即需持續支付電費，且電費在運營中占據較大一筆支出，而風光互補發電方案則無需支付電費，較建設貫通線方案能夠節省一大筆長期、穩定的支出。

（3）維護成本。

新建貫通線方案的維護成本主要是日常人力支出，需要雇傭相應數量的電力工人巡視、維護線路，更換破損絕緣子，定期檢修變配電設備；

風光互補發電方案，采用點式供電電源配置，大大降低了線路維護成本和人員配置成本，單套發電設備的維護成本雖然比較高，但總體維護成本不高，運營支出不高，經濟性較好。

（4）設備更新改造周期。

新建貫通線方案，根據以往的鐵路線路大修經驗，一般架空電力線路的大修周期不超過十五年；配電所高壓開關柜設備技術成熟，設備更換周期也能夠達到十五年。因此整體設備更新改造周期為十五年，壽命期接近時即需逐段開展線路大修，逐所開展設備更新改造。

風光互補發電設備中蓄電池是占較大投資比重的設備，但也是使用壽命比較短的設備，從實際使用效果來看，蓄電池的更新周期約為5至8年，大大短于架空線路和高壓配電設備的更換周期，因此，設備折舊設備成本更高。

3.2 維護人員數量和技術要求

新建貫通線方案，沿線需要建設與鐵路全長幾乎同等長度的貫通線，包括架空線路和電纜線路，還需要建設配電所和電源線路，這些線路和變配電設施均需要人員檢修維護，并需要維持一定的規模，以便形成日常巡檢力量和應急搶修隊伍，該方案是傳統鐵路建設方案，對技術維護人員要求是多但技術要求不高。

風光互補發電方案中設備數量相對較少，電力線路數量大大減少，總體維護工作量較少，但由于風光互補發電設備的技術密集度較高，電力電子設備較多，因此對于維護人員技術水平要求較高，需要經過專業技術培訓方能勝任，因此該方案對設備維護人員的要求是少而精。

3.3 方案靈活性

（1）建貫通線方案。

對于沿線新增負荷可隨時增加相應的變壓器，并校核電力貫通線導線截面和調壓器容量，不滿足要求時對相應導線或調壓器進行改造，因此引起的改造工程將可能是全線性的，改造工程量較大，改造周期較長，投資較高。

（2）自備電源方案。

對于任何新增負荷，均需增加相應的電源裝置設備，但不涉及到全線性的改造，相對而言工程改造規模小，改造方案更簡單，但僅對負荷點量變化不多情況有優勢，當負荷點很多時，單套風光互補發電裝置的成本較增加一套變電臺成本要高出數倍之多，成本壓力變大。

4 結論

綜上所述，本線仍適宜采用建設電力貫通線的常規方案，該方案在當前的經濟、技術條件下在經濟性和供電可靠性上有著比較均衡的優勢。

同時，通過對本工程電力供電方案的比選分析，我們也意識到隨著太陽能技術的進一步普及，太陽能發電及電能存儲設備成本和維護成本將逐步降低，使得太陽能、風能供電方案優勢凸顯，對于區間負荷少的線路，采用風光互補發電供電方案仍舊有重要的經濟價值。

參考文獻

[1]鐵路電力設計規范（TB10008-2006）[S].

[2]Ⅲ、Ⅳ級鐵路設計規范（GB50012-2012）[S].

[3]鐵路光伏發電系統及應急柴油發電站技術規范（TB 10039-2012）[S].