高速鐵路全電纜電力貫通線相關研究

孫汝楊

0 引言

在目前運行的鐵路線路中，普速鐵路沿線電力貫通線路普遍采用以架空線為主、電纜為輔的混架型式，通過長期的運行，已經形成了一套成熟穩定的電力系統方案，主要采取經調壓器中性點不接地、貫通母線段不做補償、長距離電纜就地補償的方式。近年高速鐵路建設大規模開展，其橋隧占比較大，沿線電力貫通線路采用了全單芯電纜方式，在線路兩側綜合電纜槽內敷設。

與架空線路相比，電纜線路對地電容電流是架空線路的30～100 倍。全線電纜線路的運用顯著增加了沿線電力線路電容電流，使得末端電網電壓提高，同時也增加了線路上的無功損耗。

高速鐵路沿線電力貫通線采用全電纜方式，參照《高速鐵路設計規范》[1]12.2.10.3 條“全電纜線路宜采用低電阻接地方式”和12.2.10.4 條“低電阻接地方式的接地電阻宜按單相接地電流200 A～400 A、接地故障瞬時跳閘方式選擇”的設計原則，高速鐵路在接地型式、無功補償方式方面與普速鐵路存在較大差異，因此高速鐵路在供電可靠性、設備絕緣配合、綜自保護、人身安全及對沿線弱電線路的干擾等方面均與普速鐵路不同。

本文結合目前高速鐵路電力系統的設計方案，提出一種沿線電力貫通線路的簡化模型，在此基礎上，對沿線無功補償方式、小電阻接地方式及感應電壓等進行分析，以期為高速鐵路沿線電力系統設計提供參考。

1 高速鐵路電力系統模型

國內鐵路工程主要采用10 kV 作為配電網絡電壓標準。高速鐵路用電負荷主要分為車站負荷與區間負荷。目前，高速鐵路相鄰車站間距一般為40～70 km，鐵路10 kV 配電所結合車站的分布情況，一般按照40～60 km 的間距進行設置。區間用電負荷主要包括信號通信中繼站（50～80 kW/處/10～20 km），通信基站（直放站）（10～30 kW/處/3～5 km），視頻點（3～5 kW/處/按需），牽引變電所（50～80 kW/處/50～70 km）以及分區所、開閉所（20～40 kW/處/20 km），隧道、區間警務崗亭、橋梁動力照明負荷和一些接觸網開關站等小容量負荷。

高速鐵路沿線10 kV配電系統饋線由各個10 kV配電所內經過10 kV調壓器后饋出。電力貫通線又分為一級負荷電力貫通線路與綜合負荷電力貫通線路，分別采用10 kV YJV63-8.7/15kV單芯電纜，截面一般為70 和95 mm2。

本文按照上述一般用電負荷設計一種標準化模型，10 kV 配電所按照60 km 間距設置，調壓器電源引入側按照無限大容量系統考慮。設備設置詳見圖1。

圖1 區間電力貫通線路標準模型示意圖

2 高速鐵路電力系統無功補償

在正常運行情況下，長距離單芯電纜會產生對地電容，將在配電網絡中產生容性無功電流，可能會降低功率因數、升高線路末端電壓、增加單相接地時瞬時弧光過電壓，因此，在高鐵沿線設置一定數量的固定電抗器補償裝置，以減少電容電流。

根據《高速鐵路設計規范》[1]12.2.9.2 條“以電纜為主的高壓電力貫通線路，宜采用貫通線上分散設置固定電抗器就地補償為主、在配電所集中設置無功自動補償為輔的補償方式”的設計原則，以及文獻[2]的研究，結合目前高速鐵路的設計情況，本模型在區間信號通信中繼站里程處，結合箱式變電站設置固定電抗器補償裝置，容量為114 kVar，詳見圖1。在配電所內一般設置磁控電抗器進行無功調節，容量一般為400 和315 kVar。

3 高速鐵路電力貫通線模型相關計算

3.1 正常運行情況下電容電流

根據《鐵路工程設計技術手冊 電力》[3]中相關計算方法，在正常運行情況下，單芯電纜電容電流計算式為

其中：Ic為線對地的電容電流，A；ω為角速度，ω= 2πf = 314；C為單芯電纜對地的電容，F/km；l為電纜線路長度，km；Uφ為相電壓，V。

95 mm2和70 mm2單芯電纜對地工作電容分別為0.240 μF/km和0.217 μF/km，考慮到沿線變電所等設備增加的接地電容情況，其附加值增加16%[4]。高速鐵路10 kV配電所內每個調壓器所帶電力貫通母線段共同為上行與下行2 個供電臂提供高壓電源；區間每15 km設置1 座114 kVar的固定電抗器補償裝置，其無功補償電流值為6.58 A（感性電流IL），每公里補償電流約為0.438 8 A。

該模型下，沿線電力貫通線在正常工作情況下的電容電流如表1 所示。

表1 沿線電力貫通線正常運行電容電流值

在10 kV 配電所內集中設置的無功自動補償裝置主要為磁控電抗器，對沿線電力貫通線的容性電流進行調節，并進一步提高電力貫通母線段上的功率因數。

3.2 單相短路情況下電容電流

根據《鐵路工程設計技術手冊 電力》[3]中相關計算方法，在單相短路故障情況下，電力貫通線接地相的電容電流計算式為

其正常相的電容電流計算式為

可見，區間固定電抗器在單相短路情況下，由線間電壓產生的補償電流為正常情況下的倍流經接地點的補償電流為正常情況下的3 倍（3IL）[4]。

沿線最遠處出現一處單相接地故障情況下，得出數據如表2 所示。

表2 沿線電力貫通線單相接地電容電流值

從表2 中可以看出，當95 mm2全電纜線路出現一處單相短路故障時，其接地相與正常相上的電容電流均出現大于10 A的情況，要保證單相接地短路電弧不重燃，需將單相接地電容電流控制在10 A以內[2]，因此還需10 kV配電所內無功自動補償裝置進行進一步補償。

3.3 小電阻接地阻值計算

文獻[5]中接地電阻值計算方法：

其中：R為中性點接地電阻器的阻值，Ω；Un為系統標稱電壓，kV；Ic為系統單相接地的電容電流，A；K為系數，為單相對地短路時電阻電流與電容電流的比值，一般為1.1～1.5。

根據《高速鐵路設計規范》[1]中12.2.10.4 條“低電阻接地方式的接地電阻宜按單相接地電流200 A～400 A、接地故障瞬時跳閘方式選擇”的設計原則，中性點接地電阻值為9.6～26.24 Ω，考慮到沿線電容電流與綜自保護配合等多種情況，鐵路10 kV供電系統中性點接地阻值通常選取10 Ω。

3.4 正常運行情況下的感應電壓

高速鐵路大部分工程中區間信號、通信等弱電線纜與電力電纜會在路基綜合電纜槽內平行敷設，電力電纜在運行過程中，不僅對電纜自身的金屬護套產生感應電勢，也會在弱電線纜的護套上產生感應電勢。

依據《電力工程電纜設計規范》[6]附錄F中感應電勢的計算方法，單芯電纜在呈等邊三角形敷設時，感應電勢可忽略不計，平行敷設時感應電勢計算式為

其中：L為電纜金屬層的電氣通路上任一部位與其直接接地處的距離，km；I為電纜導體正常工作電流，A；Eso為單位長度每安培的正常感應電勢，V/(km·A)。

根據某廠家電纜參數計算可得 70 mm2與95mm2電纜的Eso相近，取較大值0.117 6 V/(km·A)。按照800 kV·A的調壓器滿負載運行時工作電流為36.951 5 A，感應電動勢不超過50 V計算，單芯電纜平行敷設的長度不應超過11.51 km。

高速鐵路中信號電纜主要采用屏蔽層分段單端接地方式，且沿線設置有1 Ω的貫通地線供其可靠接地連接；高速鐵路設置區間綜合電纜槽，強電槽與弱電槽之間采用50 mm 的物理間隔。依據文獻[7]中的相關研究，平行敷設的電力電纜對信號電纜芯線的縱向感應電壓（每公里所產生的感應電動勢）為3.560 V/km；電力電纜“品”字形敷設，其值為2.236 V/km。按信號電纜芯線縱向感應電壓容許值為60 V 考慮，信號電纜容許連續敷設的長度分別為16.85 km 和26.83 km。

4 全電纜線路的相關分析

本文主要從供電可靠性、絕緣配合、綜自保護、人身安全及對弱電線的干擾等方面進行分析探討。

4.1 供電可靠性及供電質量

目前，高速鐵路區間電力貫通線基本采用雙環網供電[8]的方式，如果采用全電纜型式，可很大程度避免外界不確定因素對沿線貫通線路的影響。

由于采用全電纜線路，區間及配電所內均需采取感性無功補償措施，當沿線電力負荷較輕時，貫通母線段上會有較大比重的無功功率，嚴重時功率因數會出現負值。相反，當無功補償率過高或出現過補償的情況時，不僅會使單相短路電流殘留值過高，只能靠小電阻接地系統抑制短路電流峰值，而且還會在正常情況下得到較低的功率因數，加大電網產生不明諧振的概率。

從表1 和表2 中可以看出，在選取合適的無功補償方案確保單相故障接地電容電流控制在10 A以下，使得電弧不重燃，再結合小電阻接地系統的阻尼作用和調壓器容量或區間實際運行負荷容量，可以為沿線負荷提供一個安全可靠的供電系統，并提升貫通母線段上的功率因數。同時，通過配電所內調壓器與無功補償裝置的設置，可以很好地控制線路末端電壓[4]。

較之前普速鐵路采用的架空線與電纜混合的方式，采取多種措施可保證較高的供電可靠性和較好的供電質量。

4.2 絕緣配合

在小電阻接地系統下，當沿線出現單相接地故障，正常相電壓不會大于倍相電壓，且持續時間較短；同時，小電阻接地可限制弧光過電壓，使電容電流殘值通過電阻很快釋放；整個供電系統在正常運行及單相故障情況下不會產生很高的過電壓（不超過2.6 倍）。因此，小電阻接地系統降低了貫通母線段上高壓柜、高壓避雷器及沿線電力電纜、高壓設備的絕緣水平，使其與其他設備之間的絕緣配合有更好的選擇。

4.3 綜自保護

在配電所小電阻裝置接地側裝設零序互感器，至少配置饋出零序過流、饋出零序速斷保護和調壓器零序過流保護。當發生單相短路故障時，故障線路供電臂可通過電流速斷保護和零序保護進行快速選擇性跳閘。由于發生單相短路故障會有很大的短路電流通過小電阻接地設備，從而在短路電流值保護靈敏度、不同保護整定配合及故障類型判斷方面均有積極作用。

4.4 人身安全

根據《高速鐵路設計規范》[1]12.4.5 條“10 kV電力貫通線電纜金屬層宜采用在線路一端或中央部位單點直接接地、另一端經護層保護器接地方式，電纜金屬層連續長度不宜大于3 km”的設計原則，在每處高壓負荷用電點沿同一個方向單端設置護層保護器接地，從標準模型中可知，高壓負荷用電點間距一般不會超過3 km。

全電纜線路在連續敷設時，在金屬層會產生感應電壓，應盡量采取品字形敷設方式和全換位周期敷設方式；同時，采用在線路一端單點直接接地、另一端經護層保護器接地方式，以減小感應電壓值，從而避免檢修人員發生觸電等危險。按照每3 km 左右做一組護層保護器接地估算，線路上感應電壓最高可達13.04 V，遠遠小于50 V 的安全電壓。

發生單相短路故障時，故障電流較大，在故障點和小電阻裝置接地點處會形成較大的接觸電壓和跨步電壓。如斷路器很快斷開，可降低附近人員觸電風險，同時還應加強配電所或區間高壓設備處的防跨步電壓觸電、防接觸電壓觸電等措施，進一步降低觸電風險。

4.5 對弱電線纜的干擾

通過文獻[7]可知，電力電纜會對弱電線纜產生感應電壓，由于高速鐵路信號中繼站間距一般不超過15 km，滿足信號線纜連續敷設的條件。在沿線條件允許的情況下，應盡量增加電力電纜與弱電線纜之間的間距，電力電纜采用“品”字形敷設方式可有效降低其對弱電線纜的影響。

5 結論

（1）目前高速鐵路配電所內10 kV 調壓器容量基本穩定，所內無功補償裝置最大容量也基本選定，因此，區間無功補償裝置容量和間距的合理選擇對區間全電纜電力貫通線正常運行和單相故障狀態下的電容電流起到了決定作用，可保證貫通母線段上功率因數達到要求，可與調壓器共同調節末端電壓質量。區間無功補償度的選擇尤為重要，在75%最佳補償度、最佳功率因數補償、末端電壓質量、單相故障電容電流控制在電弧不重燃等不同目標的選擇上，如何達到最佳的配合效果，需根據不同工程情況進行計算選擇。

（2）對于全電纜貫通線路，在配電所內采取小電阻接地的有效接地方式，使得配電所貫通母線側過電壓水平和設備絕緣水平較低；同時，可以利用該接地方式下單相接地電流較大的特點加設零序保護，進一步提高保護靈敏度和故障判斷準確度。建議在出現短路故障的情況下，快速切斷電源，通過電調和綜自系統改變供電方案，繼續為區間負荷提供可靠電源，并對故障點進行判斷和檢修。

（3）采用小電阻接地方式，短路電流變大，在配電所接地處和故障點處防止接觸電壓、跨步電壓方面，需進一步采取措施，降低觸電風險。

（4）在沿線電力電纜敷設過程中，為降低對弱電線纜的影響及自身感應電壓，盡量采用“品”字形敷設方式，增加強弱電線纜之間的距離。同時，在弱電線纜的接地方式上，建議采取降低電力電纜對其產生感應電壓的措施。

（5）由于站區內高壓電力系統采用不接地型式，為了統一配電所內高壓設備的參數，建議仍按照不接地系統的參數配置高壓設備。

（6）由于高速鐵路與普速鐵路在供電系統上存在較大不同，運營單位需在維護檢修操作流程及方案上提出相應的應對措施。