池州至黃山高速鐵路電力設計探討

盧 鋒

(中鐵上海設計院集團有限公司,上海 200070)

近年來，國內高鐵技術快速發展，高鐵與其他運輸方式相比，具有準時、安全、舒適、運輸量大、能耗少、節能環保等特點，逐步成為陸上運輸的主力軍[1]。因高鐵速度很快，但凡一點紕漏，可能造成無法估量的損失，要保證高鐵運輸供電的安全性和可靠性，因此在工程建設的設計階段做好高鐵電力設計至關重要。

一般情況下，高鐵電力供配電系統從地方變電站接引10 kV電源,或者通過設置鐵路35/10 kV，110/10 kV變配電所主要給車站、貨場、維修段所等生產、生活配套房屋等地區負荷較大或較為集中的鐵路用戶和沿線分散布置的鐵路區間信號中繼站、無線通信基站、光纖直放站、電力牽引各所用電、隧道檢修照明等設施提供電源[2]。

本文將以池州至黃山350 km/h的高鐵(以下簡稱池黃鐵路)為例，著重介紹電力設計的各個方面，希望對高鐵電力設計、施工、審圖和建設管理單位有所裨益。

1 線路概況

池州至黃山高鐵位于安徽省南部，線路大致呈東西走向，起點接軌寧安客專池州站，通過合安九客專溝通武漢方向，經由九華山、太平湖、黃山等風景名勝區，終點接軌黃山地區黟縣東站與在建昌景黃鐵路共站；近期黟縣東至黃山北段本線與昌景黃鐵路共線，遠期結合杭黃直通線的建設時機，黟縣東至黃山北段新建三四線，并新建黃山北直通場與杭黃直通線貫通至杭州方向，形成武漢至杭州間的快速客運通道。新建正線全長121.44 km。

本線是武漢至杭州快速鐵路通道的重要組成部分，是連接九華山、黃山等風景名勝的黃金旅游線路，是一條以承擔跨線中長途客流為主、旅游觀光客流為輔、兼顧城際客流的客運專線鐵路[3]。

2 既有供電設施情況

1)既有池州10 kV配電所規模為二進十一出，裝機容量為4 688 kVA。高壓柜采用KYN28柜，設有微機保護。既有寧安城際貫通調壓器容量為630 kVA。

配電所兩路電源均從地方引接專盤專線，分別為城南變電所121線、齊山變電所135線。其中121線大部分截面為120 mm2，引入配電所段為鋁芯95 mm2電纜；135線截面為185 mm2。

2)既有池州站10/0.4 kV變電設施設置情況見表1。

表1 池州站10/0.4 kV變電設施

3)昌景黃鐵路擬建黟縣東10 kV配電所，配電所引接兩路專盤專線，調壓器為小電阻接地方式，高壓開關柜采用GIS柜，設置微機保護。昌景黃鐵路為貫通線接入設置了GIS柜。

3 電力供配電系統設計

3.1 外部電源及電源線路

3.1.1 九華山10 kV配電所外部電源

新建九華山10 kV配電所的兩路電源均從地方引接專盤專線，電源線截面為240 mm2。其中電源一由地方光華110 kV變電所引接，長約9 km；電源二由地方朱備35 kV變電所引接，長約6 km，采用架空和電纜相結合的方式敷設。

3.1.2 黃山西10 kV配電所外部電源

新建黃山西10 kV配電所的兩路電源均從地方引接專盤專線，電源線截面為240 mm2。其中電源一由地方太平110 kV變電所引接，長約9 km；電源二由地方焦村35 kV變電所引接，長約12 km。電源線采用架空和電纜相結合的方式敷設。

3.1.3 池州10 kV配電所外部電源

既有池州10 kV配電所電源一(城南變電所121線)引入配電所段為95 mm2鋁芯電纜。

3.2 電力供電系統方案

3.2.1 全線供電方案

全線新建10 kV一級負荷貫通線和10 kV綜合負荷貫通線各一回，采用全電纜線路敷設。電纜線路采用單芯非磁性金屬鎧裝電纜，一級負荷貫通線纜截面為70 mm2，綜合負荷貫通線纜截面為95 mm2。

10 kV一級負荷貫通線作為通信、信號等重要一級負荷的主用電源及沿線其他一、二級用電負荷的備用電源；10 kV綜合負荷貫通線主要為沿線其他中小負荷供電，兼作重要一級負荷的備用電源。

10 kV一級負荷貫通線及10 kV綜合負荷貫通線區間分散設置箱式電抗器，補償貫通線電纜容性電流[4]。

3.2.2 區間負荷供電

1)區間負荷分布及負荷等級:

區間負荷主要為通信基站、直放站、中繼站、電氣化所亭、警務區、隧道、崗亭等處照明及設備用電。其中與行車密切相關的通信、信號、災害監測、隧道應急照明、消防用電設備、隧道防災救援設備等負荷為一級負荷，為通信、信號等主要設備配置的專用空調、區間視頻監控設備、立交泵站等負荷為二級負荷；其他為三級負荷。

2)區間負荷供電方案:

通信基站、直放站：設置環網遠動箱變，取10 kV一級負荷貫通線電源降壓后作為通信、災害監測設備主用電源，取10 kV綜合負荷貫通線電源降壓后作為通信、災害監測設備備用電源。

信號中繼站：設環網遠動箱變，取10 kV一級負荷貫通線電源降壓后作為通信、信號、災害監測設備主用電源，取10 kV綜合負荷貫通線電源降壓后作為通信、信號、災害監測設備備用電源。

區間警務區：電源從就近區間箱變綜合負荷貫通低壓側引接。

公安崗亭：優先考慮從地方引接一路低壓電源或鐵路箱變(崗亭距鐵路箱變300 m以內時)引接低壓電源，當以上電源引接困難時考慮采用太陽能供電。

隧道內負荷：長度5 km以下的隧道照明電源從就近區間箱變綜合負荷貫通低壓側引接；長度5 km以上的隧道照明電源從就近區間箱變一級負荷貫通低壓側、綜合負荷貫通低壓側分別引接，并經雙電源切換后供電；隧道內插座箱電源從就近區間箱變綜合貫通低壓側引接；射流風機主、備用電源從就近區間箱變綜合負荷貫通低壓側、一級負荷貫通低壓側分別引接，并經雙電源切換后供電。

牽引所亭：新建牽引變電所、分區所、開閉所等所用變的主、備用電源分別從10 kV一級負荷貫通和10 kV綜合負荷貫通線引接。

3.2.3 車站負荷供電

1)池州站：改造車站既有高速場信號變電設施，將既有2×100 kVA箱變更換為2×160 kVA箱變，以滿足增容的通信及信號設備用電需求。通信、信號設備主用電源引自信號箱變一級負荷貫通低壓側，備用電源引自信號箱變綜合負荷貫通低壓側。

在綜合維修工區內新增1×630 kVA箱式變電站一座，為新增綜合維修相關負荷供電。箱變電源引自既有綜合維修工區2號箱變環出柜。

2)九華山站：在車站新建一座室內10/0.4 kV綜合變電所，變壓器容量為2×400 kVA，為車站新增生產及生活設施設備供電。變電所兩路電源分別引自九華山10 kV配電所站饋一、站饋二。

在車站新建一座室內10/0.4 kV信號變電所，變壓器容量為2×100 kVA，為車站通信及信號設備供電。變電所兩路電源分別引自10 kV一級負荷貫通、綜合負荷貫通線。另從車站室內10/0.4 kV綜合變電所低壓側引接一路電源作為信號設備的第三路電源。

3)黃山西站：在車站新建一座室內10/0.4 kV綜合變電所，變壓器容量為2×400 kVA，為車站新增生產及生活設施設備供電。變電所兩路電源分別引自黃山西10 kV配電所站饋一、站饋二。

在車站新建一座室內10/0.4 kV信號變電所，變壓器容量為2×100 kVA，為車站通信及信號設備供電。變電所兩路電源分別引自10 kV一級負荷貫通、綜合負荷貫通線。另從車站室內10/0.4 kV綜合變電所低壓側引接一路電源作為信號設備的第三路電源。

在綜合維修工區內新建一座室內10/0.4 kV綜合變電所，變壓器容量為2×500 kVA，為綜合維修工區內負荷及車站咽喉區照明供電。變電所兩路電源分別引自黃山西10 kV配電所站饋一、站饋二。

3.3 配電所設置

3.3.1 配電所分布及主接線

新建九華山10 kV配電所、黃山西10 kV配電所，改造既有池州10 kV配電所，接入在建昌景黃鐵路黟縣東10 kV配電所。

對既有池州10 kV配電所進行改造，將既有一級負荷貫通和綜合負荷貫通調壓器容量由630 kVA增容至800 kVA；增設池黃一級負荷貫通、綜合負荷貫通饋出回路；增設1面微保屏和1面電度表屏；室外增設池黃一級負荷貫通和綜合負荷貫通饋出隔離開關箱；其余均利用既有。

新建10 kV配電所采用斷路器分段的單母線接線，并設貫通母線段。一級負荷貫通、綜合負荷貫通線分別經調壓器調壓后供電。配電所進出回路在配電所院內設置戶外隔離開關箱。電源進線按當地供電部門要求設置計量裝置，各饋出線設置電能計量裝置。

3.3.2 保護配置

配電所的控制保護采用具有遙信、遙測、遙控、遙調、時鐘等多功能的微機綜合自動化系統，并提供遠動接口。配電所繼電保護及自動裝置配置見表2[5]。

表2 配電所繼電保護及自動裝置配置表

3.3.3 設備標準及形式

10 kV高壓開關柜采用GIS柜；10/0.4 kV變壓器采用新型節能干式變壓器，滿足一級能效要求；10/10 kV調壓器采用有載調壓干式電力變壓器；直流電源設備采用智能高頻開關鉛酸免維護電池直流電源柜；主母線上設磁控電抗器。

3.3.4 布置方式

配電所均采用兩層樓布置，中間設置電纜夾層。高壓開關設備、控制設備設置在二層；調壓器、小電阻接地、電抗器等設備設置在一層獨立房間內。

3.3.5 接地型式

主母線為不接地系統，貫通調壓器中性點采用小電阻接地系統[6]。

3.3.6 無功補償方案

無功補償按配電所集中補償和就地分散補償相結合的方案設置。在配電所內設置動態無功補償磁控電抗器，補償后10 kV配電所進線功率因數不低于0.9。

3.4 高低壓電力線路

3.4.1 10 kV一級負荷、綜合負荷貫通線

全線設置10 kV一級負荷貫通線和10 kV綜合負荷貫通線各一回，沿鐵路兩側預制電纜槽敷設，電纜導線截面分別為70 mm2和95 mm2。采用交聯聚乙烯絕緣非磁鎧裝的單芯銅芯電纜(YJV63-8.7/15 kV)，電纜過長度大于5 km的隧道時，采用阻燃型。

兩回貫通線電纜不宜敷設于同一徑路，無法避免時采取電纜管、槽等保護措施，當受條件限制同槽敷設時，應采用分隔措施。

單芯電纜金屬層采用每段電纜一端采用單點直接接地方式，另一端采用經護層保護器接地方式。

1)當高壓箱變負荷點距離大于3 km時，在高壓箱變負荷點中間增設一處10 kV電纜對接箱，電纜進入對接箱一端金屬層采用直接接地，出對接箱一端金屬層應經護層保護器接地。

2)單芯貫通線電纜終端頭的金屬護層(金屬屏蔽層和金屬外鎧)均應采取沿正常供電方向的單端直接接地方式，其中電纜的金屬屏蔽層和金屬外鎧均應直接接地。兩負荷點之間的單芯貫通線電纜應盡量避免出現中間接頭，當無法避免時，應采用冷縮式直通接頭，對于不超過3 km的貫通線單芯電纜中間接頭金屬外鎧和電纜金屬屏蔽應做好電氣連接和相應的絕緣，對于超過3 km的貫通線單芯電纜中間接頭的金屬護層接地應按照箱變內10 kV單芯電纜終端頭金屬護層接地方式進行接地[7]。

區間設置固定補償電抗器，電抗器采用星形接線，中性點不接地。

3.4.2 10 kV配電所電源線路

電源線一般采用YJV22-8.7/15 kV-3×240交聯鎧裝電力電纜，跨越山區時采用架空導線LGJ-3×240或架空絕緣線JKLGYJ-240混凝土電桿架設。

3.4.3 區間及車站電力線路

區間及車站高低壓電力線路均采用電力電纜敷設方式。高壓電纜選用YJV22-8.7/15 kV型銅芯交聯聚乙烯絕緣鋼帶鎧裝三芯電力電纜，低壓電纜一般選用VV22-0.6/1 kV，YJV22-0.6/1 kV或WDZBN-YJY22-0.6/1 kV型銅芯鎧裝電力電纜。

3.5 電力遠動系統

全線設置電力遠動監控系統，在10 kV配電所、室內10/0.4 kV變電所、箱式變電站等處設電力遠動終端。電力遠動監控系統納入綜合SCADA系統，由牽引變電專業統一考慮[8]。

3.6 其他系統

3.6.1 動力、照明系統

動力配線采用放射式和樹干式結合的混合式配線網絡。動力設備控制按工藝要求一般采用就地控制、自動控制、遠程控制相結合的方式。大型電動機采用星-三角、軟啟動或變頻啟動的方式。

3.6.2 消防應急照明和疏散指示系統

在各單體內按GB 51309—2018消防應急照明和疏散指示系統技術標準要求，設置相應的消防應急照明和疏散指示。

3.6.3 防雷及接地系統

根據GB 50057—2010建筑物防雷設計規范、TB 10180—2016鐵路防雷及接地工程技術規范，充分考慮建筑物、構筑物的結構特點，盡量利用建筑物、構筑物的金屬導體及金屬屋面作為接閃器，非金屬屋面部分設置接閃線，以達到與建筑物的造型有機結合的效果。利用建筑物、構筑物的鋼柱或柱內主鋼筋作為防雷引下線，利用建筑物、構筑物鋼筋混凝土基礎內的鋼筋作為接地裝置[9]。

接地采用TN系統，一般建筑物電源引入處設接地裝置一處，所有正常時不帶電的電氣設備外殼均應與PE線可靠連接，接地電阻值不大于10 Ω。較大車站及獨立信號樓接地采用聯合接地裝置，利用每根樁基內的兩根主鋼筋作垂直接地極，利用結構承臺和拉梁中的水平主鋼筋作水平接地連線，由此構成接地網，接地網接地電阻值不大于1 Ω。

為防止暫態過電壓的干擾，如沿電源線來的雷電波、主開關操作、無功補償電容器等負荷的投入和切除而產生的過電壓波，通信、信號及其他智能系統設備的380/220 V供電電源根據設備的重要性，分別采取不同級別的過電壓保護等措施。

沿線車站及區間電力設施、貫通電纜線路及站內高低壓電纜線路金屬護套均納入綜合接地系統，其中貫通電纜線路金屬護套采用單點接地方式，即一端金屬護套與綜合貫通地線可靠相連，未接地的一端裝設護層保護器以限制電纜金屬護套上的過電壓。在鐵路購地界以外的架空線路獨立設置接地裝置。

3.6.4 火災自動報警系統

沿線信號中繼站、配電所、人員密集場所及設有氣體滅火的設備用房等場所按照GB 50116—2013火災自動報警系統設計規范設置火災報警系統。

3.6.5 安全監控系統

在10 kV配電所內設置安全監控系統，由設在主控站的監控設備對多個遠程現場供電設施進行監測、控制。本系統由主控站、通道、被控站三部分設備構成，10 kV配電所作為被控站設置安全監控柜一面，并設置門禁系統、火災報警系統、溫濕度傳感器、碎窗探測器、電子圍欄、纜式線型差定溫火災探測器、視頻攝像頭等終端設備。安全監控系統納入數據維護通道，由牽引變專業統一考慮。

3.6.6 隧道防災救援監控系統

在嶺上村隧道、棠棣嶺隧道、上田嶺隧道內設置防災救援監控系統。監控系統具備遠程監控功能，按監控主站、主控制器、就地控制器三級組網構架控制設計。監控系統對隧道內(含緊急出口、避難所、緊急救援站隧道內部分)應急照明、緊急救援站隧道外照明、隧道防災風機、消防泵及防護門等設備進行監控[10]。

監控主站及維護終端設置于黃山西綜合維修工區，監控終端設置于九華山、黃山西、黟縣東站的行車室，主控制器分別設置于嶺上村隧道、棠棣嶺隧道、上田嶺隧道靠近隧道口的洞室內，就地控制器設置于隧道風機、消防泵、排水泵、應急照明及防護門等附近。就地控制器具備遠動功能，采用光口傳輸、光纖組網。

在緊急救援站通道與正洞連接處設置集中監控盤，集中監控盤對救援站內的防災設備具備優先控制權。在應急救援時，可一鍵啟動防災設備，并通過主控制器將防災設備的運行工況反饋至監控主站及監控終端。

3.7 各類型設備選型及主要技術標準

3.7.1 主要設備選型

主要設備選型如表3所示。

表3 主要設備選型

3.7.2 主要技術標準

1)10 kV GIS高壓開關柜：10 kV高壓GIS開關柜設備用于戶內安裝，主要由金屬柜體、真空斷路器、三工位隔離開關；電流/電壓互感器、避雷器、諧振消除裝置、接地開關和表計等元器件構成。

2)10 kV高壓環網柜：10 kV高壓環網開關柜用于戶內安裝，采用緊湊型SF6氣體絕緣的充氣式環網柜(獨立氣室)，主要由高壓環網型柜體、負荷開關/負荷開關熔斷器組合；電流/電壓互感器、避雷器、護層保護器、電纜頭、帶電顯示器、接地開關等元器件和表計等元器件構成。

3)0.4 kV低壓開關柜：0.4 kV低壓開關柜采用固定分隔開關柜。電源柜設置浪涌防雷保護裝置[11]，各配電柜各回路配置電動操作機構和電力多功能儀表，各斷路器設電子脫扣器。

4)交、直流電源裝置：所用交流電源采用兩路進線，分別由兩段10 kV進線母線的所用變供電兩路電源進線應滿足同時投入(斷開母聯開關)和單電源運行兩種運行方式的要求，另外還可自動切換，同時設有電氣閉鎖和機械閉鎖，所有開關均設電動操作機構并納入電力遠動系統。

直流電源設備采用智能高頻開關鉛酸免維護電池直流電源柜[12]。交、直流電源裝置均設置浪涌防雷保護裝置。

5)綜合自動化系統設備：各種保護單元應滿足選擇性、速動性、靈敏性、可靠性的要求，實施對供電系統各種故障設備或故障區段的快速隔離，保證供電系統的可靠供電。

所有保護測控單元功能應具有獨立性，應不依賴于所內通信網絡。當通信網絡故障時，不應影響裝置本體的功能及所有通過硬線實現的安全自動控制功能。具有便攜機維護用通訊接口；每套保護測控單元負責一臺開關柜內斷路器的保護、測量與控制，自帶操作回路，不需附加設備和外加繼電器即可直接跳合斷路器。

保護測控單元應設置參數整定密碼，參數的修改應在輸入密碼后才能設置。保護配置可通過軟件完成，在設備投運時所有未用保護都應處于閉鎖狀態。

各間隔單元應具有完善的自檢功能；至少兩套以上整定值；8份以上的保護動作和對應的故障錄波數據；128份以上事件及告警報告。

6)磁控電抗器：采用動態無功補償裝置控制器、10.5 kV 300 kvar磁控電抗器及附屬設備。

7)箱式變電站：箱式變電站采用分箱式氣體絕緣環網柜，設置三工位SF6負荷開關，其操作電源采用交流并配置UPS作為備用；變壓器回路采用帶熔斷器負荷開關保護。箱式變電站的高、低壓開關均設置電動操作機構，并納入電力遠動系統。

8)調壓器：10 kV調壓器采用SCZ-NX1系列環氧樹脂澆筑有載調壓干式電力變壓器，包括干式真空有載分接開關、有載分接開關控制器等。

9)變壓器：變壓器采用環氧澆筑線繞SC-NX1干式變壓器，自冷(AN)/強迫風冷(AF)。變壓器滿足GB 20052—2020三相配電變壓器能效限定值及能效等級Ⅰ級能效標準要求。

4 結語

基于上述介紹，高鐵電力設計主要內容推薦如下：

1)10 kV一級負荷貫通線(截面為70 mm2)和10 kV綜合負荷貫通線(截面為95 mm2)各一條，采用交聯聚乙烯絕緣非磁鎧裝的單芯銅芯全電纜方案，以沿線分散設置的高壓并聯補償電抗器補償為主、配電所補償為輔，補償電纜容性電流，保證線路可靠供電。貫通線采用中性點經小電阻接地的運行方式。貫通電纜金屬護層采用線路一端單點直接接地方式，并在線路另一端經電纜護層電壓限制器接地。

2)在負荷集中處設置10 kV配電所，采用單元式微機保護和綜合自動化系統，并設置安全監控。在信號樓內合建綜合變電所和通信信號變電所。在綜合維修工區設置室內10/0.4 kV變電所。區間負荷采用箱式變電站供電，由兩回貫通線采用環網柜接引10 kV電源。

3)設置鐵路電力遠動系統能夠實現調度中心對全線電力線路及信號電源運行情況的實時監測控制，保證鐵路行車供電。

4)設置火災自動報警系統和隧道防災救援監控系統。

目前我國還在大量建設高鐵，希望本文對其他高鐵的電力供配電系統的設計具有一定的參考價值。