高速鐵路電力供電系統中新技術新設備的分析與研究

楊大麗

（武漢鐵路職業技術學院，湖北 武漢430205）

高速鐵路供電系統分為兩部分：一是提供高速鐵路行車提供電源的牽引供電系統。 二是高速鐵路電力供電系統：承擔牽引供電以外所有鐵路負荷的供電任務，包括信號系統、生產、車站、供水系統以及生活等鐵路用電負荷，其供電可靠性不僅直接影響鐵路運輸系統的正常安全運行，還關系到很多鐵路職能部門的正常工作。

1 高速鐵路電力供電系統的特點及供電方案

1.1 高速鐵路電力供電系統的特點

鐵路電力供電系統由于應用的特殊性，在系統構成和功能上都有一些有別于電力系統的特點，主要體現在3 個方面：

1.1.1 電壓等級低，變（配）電所結構單一

從電力系統的角度看，鐵路負荷屬于終端負荷，直接面對最終用戶，所以鐵路供電系統中絕大多數為10kV 和35kV 變配電所，這取決于地方供電系統電源的情況和鐵路就地負荷的要求。

1.1.2 系統接線形式簡單

鐵路供電系統的接線就像鐵路一樣，是一個沿鐵路敷設的單一輻射網，各變（配）電所沿線基本均勻分布，并且互相連接，構成手拉手供電方式。 連接線有二種：一種是自閉線，還有一種是貫通線。 連接線除了實現相鄰所之間的電氣連接外，還為鐵路供電最重要的負荷（自動閉塞信號）提供電源。

1.1.3 供電可靠性要求高

鐵路供電系統雖然電壓等級低，接線方式簡單，但對供電可靠性的要求卻很高， 其負荷 （自動閉塞信號） 的供電中斷時間不能超過150ms，否則，將會導致所有供電區間的自動閉塞信號燈變為紅燈，影響鐵路的正常運輸。

1.2 提高系統供電可靠性措施

鐵路沿線分布著車站和通信基站，這些地面設施是保證鐵路運輸暢通和安全的基礎設施，上述設施需要電力可靠供應。 高速鐵路對電力供電提出了更高的可靠性要求。 全線供電安全、可靠性取決電力貫通線的運行水平，供電可靠性依賴于鐵路供電設備配置水平。 采用的可靠性措施主要有：

1）保證系統可靠備用：各配電所自國家電網接引兩路電源；各配電所采用單母線分斷接線型式；10kV 配電網絡采用雙路環網電力電纜；變配電所、箱式變電站內配電變壓器按雙臺配置。

2）提高設備可靠性：配電所選用SF6 氣體絕緣開關柜；箱式變電站選用SF6 氣體絕緣環網開關柜；變壓器選用干式變壓器；低壓開關柜采用高可靠性、模數化、組合式柜型。

3）提高系統抵抗自然災害能力：電線入地；設備進屋；備用發電機；從高壓到低壓全部采用遠動。

高速鐵路沿線設置電力變配電所， 沿全線鐵路兩側設置兩回10kV 電力貫通線，并在區間各用電點設置10kV 箱式變電站,由變配電所、貫通線和箱式變電站構成高速鐵路電力供電網絡。 其系統示意圖如圖1 所示：

圖1 高速鐵路電力供電系統示意圖

2 高速鐵路電力供電系統新技術的分析與研究

高速鐵路全線設置了兩回10kV 電力貫通線，貫通線采用不銹鋼鎧裝的單芯銅芯電纜沿路基、隧道、橋梁預留的電力電纜槽敷設。 由于高速鐵路線路較長，如此長距離的電力貫通電纜線路是我國鐵路建設史上從未有過的，必須進行技術創新。

2.1 關于長距離10kV 電力貫通電纜線路電容電流的補償的分析與研究

由于貫通線電纜線路對地存在電容，故在正常運行或單相接地時都有電容電流流過線路，又因為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， 可能造成下列危害：

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，易損壞供電設備或發展成多相短路事故。

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，主要有如下兩種方式：在配電所集中設置動態補償電抗器；在區間貫通線上分散并聯補償電抗器。 高鐵中一般采用了方式二，在全線兩回10kV 電力貫通電纜線路上每隔10km 左右分別分散設置了箱式電抗器，起到了補償接地電容電流、補償容性無功功率、降低線路容性電流、限制線路末端電壓上升的綜合作用， 是一大技術創新。

2.2 貫通線中性點接地方式的分析與選擇

長期以來，我國鐵路10kV 電力貫通線絕大多數采用架空線路為主，電纜線路少，線路電容電流不大，10kV 供電系統中一般采用中性點不接地系統。 而高速10kV 電力貫通線全部采用電纜線路， 當發生單相接地故障時， 每公里10kV 電纜故障相的電容電流約為1～1.5A， 是架空線路的30 倍左右，因此在10kV 供電系統中采用中性點不接地系統已是不可能了。

考慮到高速采用兩條10kV 電力貫通線供電， 供電可靠性較高，而且全電纜線路發生瞬間故障的概率較低等原因，10kV 電力貫通線系統采用中性點經小電阻接地運行方式，當發生單相接地故障，繼電保護裝置動作，及時切斷故障線路。 中性點接地電阻值的選擇要綜合各方面的因素統籌考慮， 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； 如電阻選得過大，則接地電流過小，繼電保護的動作可靠性降低。 由于采用了小電阻接地系統， 中性點與大地之間用很小的電阻相連， 一旦發生單相接地故障， 就會產生高達幾百安培的接地電流， 必須設置零序電流保護， 迅速可靠地將這個電流切斷。 小電阻接地系統中繼電保護的選擇性和靈敏度較好。

2.3 電力貫通線電纜金屬護層的接地方式的分析與研究

按照《電力工程電纜設計規范》規定， 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。 高速鐵路采用的是線路一端單點直接接地的方式， 并且在線路另一端經電纜護層電壓限制器接地。 主要基于以下幾點考慮：

1）高速區間箱式變電站間距最大不超過3.5 公里，故單根電力貫通線電纜長度一般不超過4 公里， 單芯電纜按要求應盡量避免中間接頭，故不可能采用線路中央部位單點直接接地的方式。

2）按規定，未采取能有效防止人員任意接觸電纜金屬護層的安全措施時， 金屬護層的正常感應電勢不得大于50V，采取相應措施后不得大于300V。 經計算并經相關鐵路現場測量驗證， 綜合試驗段采用的線路一端單點直接接地的方式能夠滿足上述要求。

3）如果采用線路兩端直接接地方式，則因為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，實際上是把電力電纜金屬屏蔽層作為鐵路貫通地線使用，電纜金屬屏蔽層就需要滿足一定的載流量要求，其截面積一般不能小于16mm，從而增加了貫通線電纜投資。

3 高速鐵路電力供電系統新設備、新材料的分析與研究

高速電力工程設計中采用了一系列新設備、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、 10kV 變配電所高壓開關柜采用了全封閉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、調壓器采用干式節能型設備、區間負荷供電均采用統一模式的箱式變電站等。

3.1 電力貫通線材料的選擇

長期以來，我國鐵路電力貫通線采用的都是三芯電纜，高速鐵路電力貫通線采用的是三根單芯電纜， 雖然投資有所增加， 但其有很多優點：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，改善了安裝作業條件；可避免電纜中間接頭，增強運行可靠性；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；一旦電纜發生接地，難以發展成為相間短路；容許彎曲半徑較小，有利于電纜敷設。

3.2 新設備的分析與研究

我國鐵路10kV 變配電所高壓開關柜以前都是采用空氣絕緣柜、鐵路區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。 高速鐵路采用了全封閉SF6 絕緣開關設備（ GIS）、統一模式的箱式變電站、 干式節能型電力變壓器， 同時10kV 變配電所配置的綜合自動化系統、 低壓監控裝置以及區間箱式變電站上設置的RTU 均納入SCADA 子系統，由綜合調度中心對電力設施集中監控。

1）高壓側采用全封閉GIS：高速鐵路變配所10KV 高壓柜采用的是ABB 公司生產的氣體絕緣開關設備， 該設備是在工廠內進行裝配并經過全套出廠試驗的，其所有的高壓元器件均密閉在氣密的不銹鋼氣室中。其采用單母線、模塊化設計度帶壓力釋放通道。能滿足安全最大化空間需求最小化及經濟性的要求。

2）10/0.4kV 箱式變電站：高速鐵路電力線路由全線設置的一級負荷電力貫通線和綜合電力貫通線構成。箱式變電站電源由一級負荷貫通線主供，綜合電力貫通線備供，降壓后供給沿線與行車有關的通信、信號、綜合調度系統等。 主接線如圖2 所示：

圖2 高速鐵路電力遠動箱變主接線圖

高速鐵路電力遠動箱變是依據鐵路通信、 信號系統對電源的要求，引進德國先進SF6 充氣式環網柜技術，結合低壓斷路器、電流電壓互感器、變壓器以及電源監控裝置、直流電源系統、通信系統、計量及指示儀表等原件，相互密切配合，構成系統。系統在工廠內安裝調試好之后裝入一個可移動、密封、防潮、防塵、防銹的雙層箱體內，從而實現鐵路通信、信號電源一二次系統的集成化、裝配模塊化、建設過程工廠化、施工簡單化的“四化”戶外裝置。縮短了建設周期，大大提高了鐵路通信信號電源的可靠性。

3）沿線各鐵路車站站房設備用柴油發電機組，在冰雪災害情況下仍能基本保證鐵路正常生產生活秩序。

高速鐵路分別在各中間站房內、重要的10kV 變配電所各設置一臺10kV 柴油發電機組， 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，并給區間10kV 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，啟動發電機組，保障與鐵路運行、管理密切相關的負荷用電。

4 結論與展望

總之，高速鐵路電力供電系統采用了一系列新技術、新設備：如電力線路采用不銹鋼鎧裝的單芯銅芯電纜， 使絕緣程度有了顯著提高；10kV 開關、變壓器采用無油化設備；高低壓開關柜、繼電保護設備少維護；配電所無人值班、實現了配電調度一體化；全線設置雙貫通線，電力遠動納入SCADA 集中監控，供電可靠性高等；電力工程設計及施工達到了電力線路入地、 電力設備進屋、 電力供電全過程監控、 主要電力設備免維護、 變配電所無人值班的要求，其技術設備裝備水平達到了國際國內一流水平，體現了我國高速鐵路現代化水平。

［1］廖宇.高速鐵路電力供電系統的研究[J].西南民族大學學報：自然科學版，2008（03）.

［2］楊景華.高速鐵路牽引供電系統單芯電纜運行故障分析[J].鐵路技術創新，2011（01）.