高速鐵路電力系統(tǒng)的探討

閻德志

【摘 要】 當(dāng)前，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活質(zhì)量的改善，高速鐵路在人們旅程中占據(jù)著越來越重要的地位。其運(yùn)行速度快、安全服務(wù)好的特點(diǎn)，受到廣大民眾的青睞。在高速鐵路各系統(tǒng)中，鐵路電力系統(tǒng)是保障運(yùn)輸安全高效不可或缺的專業(yè)之一。本文簡(jiǎn)要闡述了高速鐵路電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，分析了電力貫通線路存在的問題，探討了解決問題的辦法，為高速鐵路安全運(yùn)輸提供安全可靠的電力保障。

【關(guān)鍵詞】 高速鐵路 電力 系統(tǒng) 探討

高速鐵路電力系統(tǒng)是由地方供電公司管理的公共電網(wǎng)供電、鐵路專業(yè)部門和單位自行管理的電力網(wǎng)絡(luò)。主要由鐵路沿線變、配電所及綜合貫通和一級(jí)貫通線路、站房變電所及高低壓輸配系統(tǒng)、站區(qū)電力設(shè)施組成。承擔(dān)著為高速鐵路沿線行車運(yùn)輸、鐵路生產(chǎn)及生活供電任務(wù)。安全可靠不間斷供電是高速鐵路電力系統(tǒng)的基本屬性，為此，對(duì)高速鐵路電力系統(tǒng)相關(guān)問題進(jìn)行探討，具有十分的現(xiàn)實(shí)意義。

1 高速鐵路電力系統(tǒng)的特點(diǎn)

1.1 高速鐵路對(duì)電力系統(tǒng)的要求

高速鐵路各專業(yè)設(shè)備點(diǎn)多分散。按其用電設(shè)備負(fù)荷又可分為區(qū)間負(fù)荷和車站負(fù)荷，區(qū)間負(fù)荷主要包括通信、光纖直放站、信號(hào)中繼站、隧道照明及應(yīng)急設(shè)施、牽引變電所操作電源、沿線監(jiān)控設(shè)施等；車站負(fù)荷主要包括信號(hào)、通信、客服、消防設(shè)施、防災(zāi)系統(tǒng)、自動(dòng)電梯、站房照明及應(yīng)急照明、售票系統(tǒng)等。一批技術(shù)密集、自動(dòng)化程度高的諸如車站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖、調(diào)度集中、車機(jī)聯(lián)控、G網(wǎng)通信、工業(yè)監(jiān)控、信號(hào)自動(dòng)閉塞等設(shè)備投運(yùn)，對(duì)鐵路電力系統(tǒng)提出了更高的要求，電力系統(tǒng)自身自動(dòng)化水平也在不斷提高，高速鐵路車、機(jī)、工、電、輛等運(yùn)輸系統(tǒng)中任何一個(gè)環(huán)節(jié)如果突然停電或供電質(zhì)量超標(biāo)，都可能導(dǎo)致運(yùn)輸阻塞、甚至引起列車顛覆、造成旅客傷亡等事故。因此，除不可抗拒的原因外，高速鐵路電力系統(tǒng)的可靠性應(yīng)符合每日24小時(shí)的鐵路運(yùn)輸需求和不同負(fù)荷等級(jí)的供電要求，一級(jí)負(fù)荷必須可靠供電，其可靠性體現(xiàn)在，當(dāng)電力系統(tǒng)中的一路外部電源停電時(shí)或一條線路停電時(shí)或一個(gè)元器件停電時(shí)，不能中斷向一級(jí)負(fù)荷供電；一級(jí)負(fù)荷規(guī)定由兩路獨(dú)立且分別供電至負(fù)荷末端處，重點(diǎn)是一路電源故障或事故時(shí)，另一路電源不同時(shí)遭到損壞使兩路電源同時(shí)癱瘓而中斷供電。二級(jí)負(fù)荷在條件許可時(shí)提供兩路高壓電源，如不能滿足時(shí)可提供一路高壓電源。三級(jí)負(fù)荷無論高低壓?jiǎn)坞娫垂╇姡钦Ｇ闆r下許可做停電處理。

1.2 電力系統(tǒng)簡(jiǎn)化的接線形式

高速鐵路電力貫通線路是獨(dú)特的區(qū)別于供電網(wǎng)絡(luò)的一種接線方式，是采用沿鐵路沿線輻射狀的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分別稱作綜合貫通線路和一級(jí)貫通線路，分別設(shè)置在鐵路兩側(cè)或同一電纜廊道不同的支架上或同一電纜溝具有彼此間防護(hù)設(shè)施內(nèi)。在高速鐵路沿線，每隔30—50km配置一座變配電所，通過貫通線路將各個(gè)變配電所之間相互連接，相鄰變配電所構(gòu)成互為供電的系統(tǒng)，車站及區(qū)間負(fù)荷采用并聯(lián)式供電模式，電源分別取自貫通線路或變配電所。這種電力系統(tǒng)的接線形式簡(jiǎn)化，易于連接和維護(hù)管理。

1.3 電力系統(tǒng)配置水平

高速鐵路運(yùn)營(yíng)具有“三高”特點(diǎn)，即高密度、高速度、高可靠性，為此對(duì)電力系統(tǒng)提出可靠性更高的要求，電力先行：在非正常或有災(zāi)害情況下，電力系統(tǒng)應(yīng)遲于行車設(shè)備損壞之后而損壞且先于行車設(shè)備恢復(fù)前而恢復(fù)；高可靠性：增強(qiáng)抵御自然災(zāi)害的能力，體現(xiàn)在設(shè)備進(jìn)屋、線路入地，基本達(dá)到電力系統(tǒng)運(yùn)行不受自然外部環(huán)境的影響。應(yīng)用SCADA系統(tǒng)，全程監(jiān)控，實(shí)行調(diào)度一體化，實(shí)現(xiàn)快速切除電力設(shè)備故障并能及時(shí)恢復(fù)非故障設(shè)備供電，強(qiáng)化了電力系統(tǒng)的可靠性；在高速鐵路電力系統(tǒng)中，采用新設(shè)備、新技術(shù)、新工藝，配置在變配電所采用少維修或免維護(hù)設(shè)備，配置在站區(qū)變配電設(shè)備中采用遠(yuǎn)動(dòng)智能箱變，配置在貫通線路上采用交聯(lián)單芯電纜等，從而有效地提高了供電安全可靠性。

2 高速鐵路電力貫通線路存在問題及解決辦法

由于高速鐵路遍布全國(guó)乃至全球的差異性，其所涉及的電力貫通線路較長(zhǎng)，且需要供電系統(tǒng)更為可靠和穩(wěn)定，這就需要實(shí)時(shí)采用全新的供電技術(shù)，對(duì)高速鐵路的運(yùn)行做出可靠性保障[3]。

2.1 長(zhǎng)大貫通電纜接頭監(jiān)控問題及解決辦法

目前，我國(guó)高速鐵路設(shè)置貫通線路有二條，分別是綜合和一級(jí)貫通線路，基本配置為全電纜模式，電纜選型為交聯(lián)聚乙烯非磁鎧裝單芯銅芯電纜，敷設(shè)在預(yù)制好的電力電纜溝槽中或廊道內(nèi)支架上。貫通電纜一般采用70或95mm2單芯銅芯電纜，按照廠方生產(chǎn)工藝可生產(chǎn)長(zhǎng)度達(dá)3km無中間接頭電纜，根據(jù)高鐵供電需求現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)每個(gè)供電區(qū)段線路可達(dá)7—9km，在其線路中設(shè)有1～2套中間接頭箱，在箱內(nèi)進(jìn)行電纜頭相連接，每個(gè)區(qū)段三相貫通電纜共有3—6套中間接頭箱。

高速鐵路電力設(shè)備實(shí)行遠(yuǎn)程監(jiān)控模式，而高鐵貫通電纜接頭目前屬于在線監(jiān)測(cè)真空地帶，又屬于故障易發(fā)區(qū)域，大多電纜中間頭敷設(shè)在橋梁或隧道內(nèi)及護(hù)網(wǎng)內(nèi)，一旦發(fā)生電纜頭故障，造成貫通線路開口運(yùn)行，在高鐵運(yùn)行條件下又不能及時(shí)排查或恢復(fù)，供電可靠性降低，對(duì)高鐵安全供電造成嚴(yán)重的影響。其解決方法是，研發(fā)一套遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 正常時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高鐵貫通線電纜中間接頭運(yùn)行工況，形成狀態(tài)監(jiān)測(cè)、歷史記錄數(shù)據(jù)庫；異常時(shí)即時(shí)告警，實(shí)時(shí)自動(dòng)區(qū)分故障區(qū)間、故障電纜，并自動(dòng)提示接頭與本體異常數(shù)據(jù)，確定電纜頭故障點(diǎn)所在里程。

2.2 貫通線電容電流補(bǔ)償問題及解決辦法

當(dāng)電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由于貫通電纜線路具有相對(duì)地及相間電容，在單相接地和正常供電時(shí)，均有電容電流流過。全電纜貫通線路與架空線路相比，電容量提高了幾十倍，導(dǎo)致高速鐵路電力貫通線路無功功率增大幾十倍。為使電力貫通線路及整個(gè)電力系統(tǒng)平衡無功功率，在貫通線路上或分散補(bǔ)償或集中補(bǔ)償，配置了并聯(lián)電抗器，以此來抵消這部分容性無功功率。并聯(lián)電抗器按照全貫通線路滿載運(yùn)行配置容量，由于高速鐵路電力負(fù)荷率較小，可達(dá)20—30%，在這樣輕載或空載情況下，電抗器投入多，造成過補(bǔ)償，電抗器投入少，造成欠補(bǔ)償，電抗器投入多少，才能滿載無功功率的平衡，即功率因數(shù)達(dá)到90%及以上呢？在這樣輕載或空載情況下，不考慮電抗器投切的暫態(tài)過程，還存在由于電容電流還將引起電纜線路末端電壓的抬升的問題。綜合上述運(yùn)行情況存在的問題，解決的方法是，利用貫通線路的“天窗”時(shí)間，對(duì)貫通供電臂采取逐個(gè)或間隔電抗器投切試驗(yàn)，在配電所監(jiān)控器上檢測(cè)供電臂功率因數(shù)值和末端電壓值，直至達(dá)標(biāo)滿足運(yùn)行條件。

2.3 貫通單芯電纜護(hù)層接地問題及解決辦法

貫通單芯電纜金屬護(hù)層單端接地時(shí)，感應(yīng)環(huán)流的影響小，其優(yōu)點(diǎn)是損耗小發(fā)熱小，其缺點(diǎn)是感應(yīng)電壓有可能超限。降低感應(yīng)電壓的方法是雙端接地或縮短單端長(zhǎng)度。而雙端接地時(shí)，因其可靠接地的外露可導(dǎo)電部分，其感應(yīng)電壓不會(huì)導(dǎo)致人身傷害，而產(chǎn)生的環(huán)流導(dǎo)致電纜本體發(fā)熱，長(zhǎng)期運(yùn)行將導(dǎo)致絕緣損壞加速絕緣老化；縮短單端長(zhǎng)度，增加中間接頭，影響供電可靠性。目前從設(shè)計(jì)的角度采用金屬護(hù)層連續(xù)長(zhǎng)度不大于3km考慮，在一端護(hù)層接地，另一端加裝護(hù)層電壓限制器，這樣既保證了金屬護(hù)層適當(dāng)長(zhǎng)度，又考慮了金屬護(hù)層感應(yīng)電壓最大值不超標(biāo)。問題是護(hù)層電壓限制器安裝在電纜接頭箱內(nèi)，損壞不良不易發(fā)現(xiàn)，擊穿時(shí)造成雙端接地方式運(yùn)行，久而久之絕緣損壞，感應(yīng)電壓增大，危及人身安全。解決辦法是，周期檢測(cè)護(hù)層電壓限制器，發(fā)現(xiàn)不良及時(shí)更換。

3 結(jié)語

綜上所述，隨著我國(guó)社會(huì)的發(fā)展與科技的進(jìn)步，使得高速鐵路得以快速發(fā)展，作為高速鐵路電力系統(tǒng)發(fā)展尤為迅速，電力新技術(shù)新設(shè)備推廣應(yīng)用，使得高速鐵路所消耗的能源及所使用的資源逐漸減小，同時(shí)保障高速鐵路運(yùn)輸更加的快速和安全，為我國(guó)高速鐵路相關(guān)技術(shù)填補(bǔ)空白，更為高速鐵路提高運(yùn)行維護(hù)管理水平提供參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李勇，王江峰，何正友，黃立敏.高速鐵路牽引供電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014，09（12）13：123-128.

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