城際鐵路20kV供電線路技術(shù)經(jīng)濟性分析

趙宗益

【摘要】將城際鐵路20kV與10kV供電線路從電纜截面及絕緣選擇、供電能力和供電距離、導線截面積、配電變壓器功率損耗進行了技術(shù)經(jīng)濟對比，分析了20kV供電線路在城際鐵路中應用的優(yōu)越性。

【關(guān)鍵詞】城際鐵路；20kV；供電線路；技術(shù)經(jīng)濟性；

1引言

城際鐵路電力供電系統(tǒng)主要是為除牽引供電系統(tǒng)以外的所有鐵路設施提供電能，承擔鐵路沿線的車站以及信號設施的供電。20kV配電系統(tǒng)在國內(nèi)有成功應用的先例，但目前我國鐵路主要采用10kV電力供電系統(tǒng)，隨著地方中壓配電網(wǎng)20kV電壓等級的發(fā)展，特別在東部城市密集區(qū)，城際鐵路系統(tǒng)電力供電系統(tǒng)采用20kV電壓等級也有了發(fā)展的條件、成為研究的熱點，并在與10kV電壓等級相比中表現(xiàn)出了很大的優(yōu)越性。本文將從以下幾個方面進行論述。

2 技術(shù)經(jīng)濟性分析

2.1 電纜截面積選擇

導線截面原則上根據(jù)實際工況選擇滿足技術(shù)與經(jīng)濟條件的電線或電纜截面。銅導電性能好，抗腐蝕能力強，容易焊接，但銅線的價格高；鋁線的最大缺點是機械強度低，允許應力小，為了加強鋁線的機械強度，往往采用絞線，有時用抗張強度為1200N/mm2的鋼作為芯線，鋁線絞在鋼芯外面，作導電主體，這種線即為鋼芯鋁絞線。

為了保證導線在運行中有足夠的機械過載能力，要求電纜導線的截面積不能太小，因為導線截面積越小，其機械負載能力也越小。在GY326-1998《架空線路的導線架設工藝標準》對不同電壓等級的配電線路和不同材料的導線分別規(guī)定了最小的允許截面積，如表2-1所示

表2-1 配電線路允許的導線最小截面積（mm2）

導線種類 10kV 1kV以下

居民區(qū) 非居民區(qū)

鋁絞線 35 25 16～25

鋼芯鋁絞線 25 16～25 16～25

銅絞線 16 16 直徑3.2～4.0mm

導線選擇的內(nèi)容可概括為兩方面：

1.確定供電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，導線型號、使用環(huán)境和敷設方式；

2.選擇確定導線截面實際截面大小。

從導線安全運行的角度出發(fā)，至少應考慮滿足兩個基本的要求：架空線路承受機械強度的能力和導線發(fā)熱最高允許工作溫度。承受機械強度能力決定了導線的最小允許截面，參見表2-1。電纜芯線截面的選擇還要按輸送容量、經(jīng)濟電流密度、熱穩(wěn)定性、允許電壓損失、敷設方式等一般條件校核。此外，主干線電纜截面應力求一致，預留容量，一次埋入。同一地區(qū)電纜截面不宜多余2～3種，必要時經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟論證選取。

絕緣電力電纜的品種規(guī)范很多，交聯(lián)聚乙烯電纜（XLPE）是上世紀60年代以后技術(shù)發(fā)展最快的電纜品種，目前中壓配電網(wǎng)實用的幾乎全部都是交聯(lián)聚乙烯電纜。10kV電纜與20kV電纜在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和制造工藝方面沒有什么差別，所不同的只是耐壓強度，或者說是絕緣厚度有所不同，電纜附件（電纜終端等）則還要考慮爬電距離。

2.2 電纜絕緣選擇

根據(jù)Q/CSG 11061-2007《20kV配電設備技術(shù)標準（試行）》，當采用電力電纜時，20kV宜采用交聯(lián)聚乙烯絕緣；電纜截面較大時，宜選用單芯、銅芯電纜。電纜纜芯與絕緣屏蔽或金屬套之間額定電壓應符合下列規(guī)定及表2-2：

1） 經(jīng)低電阻接地的系統(tǒng)，接地保護動作不超過1min切除故障時，應符合100%的使用回路工作相電壓的要求，即采用12/20kV電壓的電纜；

2）低電阻接地以外的接地系統(tǒng)，應符合133%的使用回路工作相電壓的要求，即采用18/20kV電壓的電纜。

B類-單相接地故障時間<8h，

C類-A類、B類以外的條件

架空絕緣電纜 20（24）

2.3 供電能力和供電距離對比

對比20kV和10kV的配電系統(tǒng)，在供電容量，導線截面積、供電半徑等方面的不同限制條件下，可作如下分析。

（2-1）

其中： S ——供電視在功率（配電容量）；

——額定電壓等級；

——線路導線在環(huán)境條件下的持續(xù)載流量。

當保持線路導線截面和供電半徑不變的情況下，用20kV電壓等級取代10kV電壓等級時有：

（2-2）

即當電壓等級從10kV上升到20kV時，電網(wǎng)的配電容量將增大一倍，配電網(wǎng)容載比也會相應的提高一倍。

除此之外，供電距離不但受到輸送功率大小的限值，同時它的大小將會受到允許電壓降大小的制約。在國家標準GB/T12325-2008《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》中對各電壓等級電壓降作出了規(guī)定：20kV及以下三相供電電壓偏差為標稱電壓的±7%。

由以上標準和規(guī)程的要求便可以計算出中壓配電網(wǎng)受電壓降約束下的最大供電距離。

線路電壓降的百分比計算公式如下：

（2-3）

其中：R、X為配電線路的阻抗值和電抗值；

r、x為單位長度配電線路的電阻值和電抗值，L為線路長度；

P、Q為線路輸送的有功功率和無功功率。

由上可得兩電壓等級電壓損失比為：

（2-4）

當負荷相同時，則 ；如果20kV輸送功率增加一倍，也有 。

由式（2-3）可得，最大供電距離的公式如下：

（2-5）

即根據(jù)線路的在某一電壓等級下的最大電壓降落百分數(shù) 和每條線路上的額定輸送容量即可計算得出相應的最大供電距離L。

由以上公式可以得出，對于20kV和10kV來說，如果最大電壓降落百分數(shù)相同且輸送容量大小相等，則20kV的最大供電距離是10kV的4倍；如果最大電壓降落百分數(shù)相同的情況下，考慮20kV輸送容量提高到10kV 的2倍，則20kV的最大供電距離也會是10kV最大供電距離的2倍。

2.4 導線截面積對比

當供電容量和供電距離不變時，取相同的最大電壓降落百分數(shù)，則根據(jù)式（2-3）有

（2-6）

將單位長度導線電阻 ， 、 代入上式有

（2-7）

根據(jù)式2-7可以看出，若供電容量和距離不變時，相對于10kV，20kV電壓可以較大的減小線路電纜的截面積（具體數(shù)值要因線路電抗而異），進而減少了線路建設投資。

以長株潭和廣珠城際鐵路供電系統(tǒng)設計方案中的電纜導線型號為例，設線路負載率為50%，功率因數(shù)為0.95，計算單回中壓線路的輸送容量如表2-3。

表2-3 中壓配電線路輸送容量

電纜導線型號 安全電流（A） 線路負載率 功率因數(shù) 電壓等級（kV） 線路有功（kW）

YJV22-300 630 50% 0.95 10 5183

20 10366

YJV22-120 375 50% 0.95 10 3085

20 6170

YJV22-35 190 50% 0.95 10 1563

20 3126

由表2-3可以看出，如果適當?shù)奶岣吲潆婋妷旱燃壉隳軌蛴行岣叩木€路中的傳送功率并且能夠減少變電站出線間隔的需求數(shù)量。在城際鐵路就近取用地方配電電源時，選用20kV電源受到容量限制的可能性就比10kV電源小。

2.5 功率損耗對比

配電電壓升壓后，極大地降低了線路損耗，但亦可能增加配電變壓器的損耗。線路功率損耗為：

（2-8）

在輸送功率與線路截面積相同的條件下，線路損耗與運行電壓的平方成反比。電壓由10kV升至20kV后，輸送相同功率，線路電流減少50%，線路電能損耗可降低75%。

對于相同容量的配電變壓器，負載損耗和空載損耗隨著電壓的升高而增加。20kV和10kV配電變壓器的空載及短路損耗相差不多，而電壓升高至35kV時，配變的負載損耗要比10kV高25%左右，空載損耗高10%左右。以S9系列配變?yōu)槔鋼p耗參數(shù)如表2-4所示。

表2-4 S9系列配變的損耗參數(shù)

配變?nèi)萘?/p>

（kVA） 變比（kV） 空載損耗P0（kW）

（比例） 短路損耗PK（kW）

（比例）

500～800 35/0.4 0.761.05（1.12～1.07） 6.55～9.35（1.28～1.25）

20/0.4 0.68～0.98（1～1） 5.66～8.25（1.11～1.10）

10/0.4 0.68～0.98（1～1） 5.1～7.5（1～1）

由上述分析可以，20kV電壓不僅相對于原來的10kV電壓大大降低了線路損耗，而且配電變壓器的損耗也并未明顯增加。綜合考慮，20kV有著明顯的節(jié)能降耗優(yōu)勢。

3.結(jié)束語

綜上所述，對于20kV和10kV來說，如果最大電壓降落百分數(shù)相同且輸送容量大小相等，則20kV的最大供電距離是10kV的4倍；若供電容量和距離不變時，相對于10kV，20kV電壓可以較大地減小線路電纜的截面，減少了線路建設投資，且配電變壓器的損耗也并未明顯增加，因此，在城際鐵路中應用具有一定的優(yōu)勢。

參考文獻：

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