10kV電纜長大線路在普速鐵路供電線路中的應用

殷 茵，尤立寶

0 引言

目前，普速鐵路10 kV 電力線路以架空電力線路為主，架空電力線路的導線大部分采用裸導線進行架設，近年來樹害及其他自然災害造成的故障頻發，對沿線重要負荷的安全可靠供電造成了極大威脅。據運行統計，2006年以來發生多次倒樹及冰害、雪害停電故障，嚴重影響了通信信號等一級負荷的供電。某鐵路局2013年普速鐵路電力線路故障停電分析中，樹害占42%，地方電源波動占20%，雷電影響占18%，線路設備故障占11%，其他原因占9%。從分析中可知由樹害及雷電天氣導致的 10 kV 電力線路接地故障占鐵路電力線路故障的60%左右，因危樹及雷電引發的設備故障給安全行車秩序帶來巨大隱患。針對因環境、危樹等引起的線路故障，解決方案有增加運營維護人力、與林業部門簽訂長期修剪協議、更換絕緣導線、改變架空徑路、線路全電纜入地等5 種。

各個鐵路局目前采用第2、3、4 種方案居多，但是并不能完全消除由于環境和危樹等引起的線路故障，并且每年都需要持續投資，也并未有效減少運營維護成本。高鐵建設中，10 kV 電力線路采用全電纜敷設方式，從根本上消除了外界環境引起的線路故障。能否針對普速鐵路的特點，將高鐵技 術結合既有現狀進行適當改造，在解決運營安全問題的同時也提升設備運行品質，成為目前亟待解決的課題。下文針對全電纜敷設在普速鐵路的應用做一探討。

1 架空線路與高壓電纜線路方案的比較

架空線路的優點是結構簡單，架設方便，投資少；散熱條件好；發生故障便于查找及處理。缺點是易受環境條件，如冰、風、雨、雪、溫度、化學腐蝕、雷電等的影響，發生短路、接地故障幾率大；既有線路改造時還會產生青苗及征地等大量的糾紛，并導致投資增加等問題，不易架設。

電纜線路的優點是不易受周圍環境和污染的影響，送電可靠性高；可敷設于鐵路路基坡腳，較少產生青苗及征地問題。缺點是成本高，一次性投資費用比較大；電纜故障測尋與維修較難。

鐵路建設初期，資金和物資短缺，高壓電纜及其配件難以滿足輸配電工程所需，如今高壓電纜制造工藝趨于成熟，護層及絕緣層材料絕緣水平也大大提高，電纜頭制作工藝及材料先進，電纜頭本身故障率大大降低；各個車站均已按電力遠動功能設計，并配置了電纜線路故障探測儀，因此，普速鐵路10 kV 電力線路完全具備改造條件，改為全電纜線路后，電纜故障區段判斷時間大大縮短，電纜故障測尋與維修較難的缺點也逐步改善，全電纜方案優勢將得到充分發揮。

2 接地方式的選擇

由于高壓電纜長大線路具有很高的電容電流，危害性極大，同時結合電纜結構的特殊性，鐵路10 kV 配電系統接地方式發生很大變化，需要進行詳細計算和認真比選。

三相交流電力系統中發電機或電源變壓器（調壓器）中性點與大地間的電氣連接方式，稱為電網中性點接地方式。中性點接地方式涉及電網的安全可靠性、經濟性，同時直接影響系統設備絕緣水平的選擇、過電壓水平及繼電保護方式、通訊干擾等。

目前普速鐵路10 kV 電力系統普遍采取中性點不接地方式，屬于小電流接地系統。在小電流接地系統中發生單相接地故障時，由于中性點非有效接地，故障點不會產生大的短路電流，因此允許系統短時間帶故障運行。這對減少用戶停電時間，提高供電可靠性是非常有意義的。既有鐵路10 kV 電力線路以架空線路為主，裸露在空氣中的架空線路受自然環境影響極易發生單相接地，但相當部分接地故障屬于瞬時故障，能夠自行恢復正常供電，因此在中性點不接地方式下，允許系統短時帶故障運行，不影響區間負荷連續用電，確保了供電可靠性。

《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》（DL/T620-1997）第3.1.2 條：“3～10 kV 不直接連接發電機的系統和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，應采用不接地方式；當超過下列數值又需要在接地故障條件下運行時，應采用消弧線圈接地方式：3～10 kV 電纜線路構成的系統，30 A。”經消弧線圈接地系統，發生單相接地故障時暫時允許運行2 h，在單相接地時，其它兩相對地電壓要升高到線電壓，即升高為原對地電壓的倍。

國內110 kV 及以上電網一般采用大電流接地方式，即中性點有效接地方式，包括中性點直接接地和中性點經低電阻接地。這樣中性點電位固定為地電位，發生單相接地故障時，非故障相電壓升高不會超過1.4 倍運行相電壓；暫態過電壓水平也較低；故障電流很大，繼電保護能迅速動作于跳閘，切除故障，系統設備承受過電壓時間較短。

綜合上述分析，民樂礦區與成礦相關的英安斑巖成巖年齡為228±56 Ma～220.79±1.02 Ma，流紋斑巖的形成年齡234.8±2.4 Ma，輝銅礦礦石的成礦年齡為220 Ma(黃震，2005)，其成礦年齡總體與礦區火山巖、英安斑巖的成巖年齡一致，指示英安斑巖的成巖時代和礦床成礦時代屬于同一時期。

《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》 （DL/T620-1997）第3.1.4 條：“6～35 kV 主要由電纜線路構成的送、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、故障時瞬態電壓、瞬態電流對電氣設備的影響、對通信的影響和繼電保護技術要求以及本地的運行經驗等。”《高速鐵路設計規范（試行）》TB10621-2009：經調壓器供電的10 kV 電力貫通線路，全電纜線路宜采用低電阻接地方式，接地故障按瞬時跳閘方式選擇。

普速鐵路既有10 kV 電力線路，一個供電臂長度為60～80 km，電纜單相接地電容電流為

Ic= (95 + 1.44S)×Ur×l / (2 200 + 0.23S)

式中，S 為電纜截面，mm2；Ur為線路額定線電壓，kV；l 為線路長度，km；Ic為接地電容電流，A。

以60 km 的供電臂為例，若采用截面為70 mm2的電纜線路，經計算單相接地電容電流約為53 A。

（1）方案一：中性點經低電阻接地方式。該方案能對接地故障迅速做出反應，不會引起事故范圍擴大。

存在問題：由于配電所需具備跨所供電和反向供電能力，全電纜改造區段終端配電所一段自閉為全電纜線路，另一段自閉仍以架空線路為主，架空線路受自然環境因素影響較大，一旦發生線路單相接地，即使是瞬時故障，線路能自行恢復正常運行，配電所保護裝置也立即動作跳閘，不能在發生單相接地故障后運行2 h 以供查找故障的運行模式。

存在問題：電力電纜區段發生單相接地故障時，故障電流小，繼電保護不能迅速動作于跳閘，切除故障，系統設備承受過電壓時間較長。

（3）方案三：中性點不接地方式。該方案可帶故障運行2 h，不中斷供電。

由于接地方式主要取決于單相接地電容電流，單相接地電容電流又取決于電纜截面和電纜線路長度，以供電臂為單位進行改造時，經計算單相接地電容電流約為53 A，超過30 A 的規定范圍，按照有關規范要求，不能采用中性點不接地方式。若僅對危樹區段進行電纜改造，如長度小于35 km，可實現供電臂短的區段故障電容電流小于30 A，從而采用中性點不接地方式，實現配電所自閉線路與貫通線路統一接地方式。

存在問題：受線路長度影響較大，若該供電臂其他部分再發生局部改造，故障電容電流很容易大于30 A，該方案只在短期內可行。

綜上分析，得出結論：方案三只能短期內適應局部改造的情況，從長遠來看，并不可取。而方案一和方案二理論上皆可行，所不同的是，發生線路單相接地后，是瞬時切斷還是延時2 h 內查找故障點再切斷的保護方式，可具體結合運營單位實際運營情況選擇。由于高壓電纜一旦接地幾乎即為永久接地，高壓電纜不易散熱，接地后電纜溫度升高，處理不及時容易發展為更嚴重的事故，從而中斷供電，且供電臂較長，單相接地電容電流較大，因此建議選擇經小電阻接地方式，發生電纜接地故障后立即切斷，利用電力遠動系統及配電所微機保護裝置，在電纜線路發生單相接地故障后，迅速進行手動隔離故障線路段，恢復非故障線路段的供電。

3 保護設置

由于全電纜線路故障電容電流較大，需設置電抗補償，本段采用集中與分散相結合的補償方式，即在配電所設電抗器集中補償，區間各車站設置箱式電抗器分散補償，以各車站分散式電抗器補償為主，配電所集中補償為輔。

在普速鐵路線路中，如10 kV 供電線路全部采用電力電纜線路，需要加強和完善配電所微機保護和電力遠動系統，使故障線路的檢測，各種物理量的采集、處理更有效和完備，增加電力電纜在線監測功能并結合先進的測試儀器，使電力線路發生單相接地故障后，能夠迅速確定故障點并予以排除，縮短非故障區段恢復供電時間，提高供電可靠性。

4 結語

綜上所述，在長大普速鐵路改造中，一般涉及電力線路里程較長，一條線路往往由2～3 個鐵路局分段管理，且改造費用較高，除非是整條線路全線改造，否則無論是選擇以上3 種接地方式中的哪一種，均會存在改造區段終端配電所在進行反向或跨所供電時接地方式不合理的情況。因此，建議改造時終端配電所自閉（貫通）母線按上下行進行分段，分別設置調壓器，架空電力線路為主的供電側調壓器采用中性點不接地方式，全電纜（或以電纜為主）電力線路的供電側調壓器采用中性點經小電阻的接地方式，并分別設置補償裝置。