城際鐵路20kV供電線路技術經濟性分析

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經濟對比，分析了20kV供電線路在城際鐵路中應用的優越性。

【關鍵詞】城際鐵路；20kV；供電線路；技術經濟性；

1引言

城際鐵路電力供電系統主要是為除牽引供電系統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配電系統在國內有成功應用的先例，但目前我國鐵路主要采用10kV電力供電系統，隨著地方中壓配電網20kV電壓等級的發展，特別在東部城市密集區，城際鐵路系統電力供電系統采用20kV電壓等級也有了發展的條件、成為研究的熱點，并在與10kV電壓等級相比中表現出了很大的優越性。本文將從以下幾個方面進行論述。

2 技術經濟性分析

2.1 電纜截面積選擇

導線截面原則上根據實際工況選擇滿足技術與經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 非居民區

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

導線選擇的內容可概括為兩方面：

1.確定供電網絡結構，導線型號、使用環境和敷設方式；

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，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、經濟電流密度、熱穩定性、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。同一地區電纜截面不宜多余2～3種，必要時經過技術經濟論證選取。

絕緣電力電纜的品種規范很多，交聯聚乙烯電纜（XLPE）是上世紀60年代以后技術發展最快的電纜品種，目前中壓配電網實用的幾乎全部都是交聯聚乙烯電纜。10kV電纜與20kV電纜在產品結構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Q/CSG 11061-2007《20kV配電設備技術標準（試行）》，當采用電力電纜時，20kV宜采用交聯聚乙烯絕緣；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定及表2-2：

1） 經低電阻接地的系統，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，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，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；

——線路導線在環境條件下的持續載流量。

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，電網的配電容量將增大一倍，配電網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《電能質量供電電壓允許偏差》中對各電壓等級電壓降作出了規定：20kV及以下三相供電電壓偏差為標稱電壓的±7%。

由以上標準和規程的要求便可以計算出中壓配電網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）

即根據線路的在某一電壓等級下的最大電壓降落百分數 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，則根據式（2-3）有

（2-6）

將單位長度導線電阻 ， 、 代入上式有

（2-7）

根據式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 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，如果適當的提高配電電壓等級便能夠有效提高的線路中的傳送功率并且能夠減少變電站出線間隔的需求數量。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系列配變為例，其損耗參數如表2-4所示。

表2-4 S9系列配變的損耗參數

配變容量

（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有著明顯的節能降耗優勢。

3.結束語

綜上所述，對于20kV和10kV來說，如果最大電壓降落百分數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勢。

參考文獻：

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