武廣高速鐵路電力工程設(shè)計(jì)

■ 陶力軍

陶力軍：中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，高級工程師，副所長，湖北 武漢，430063

攝影 徐云華

1 10 kV電力貫通電纜線路電容電流的補(bǔ)償

貫通線電纜線路對地存在電容，正常送電運(yùn)行或單相接地時(shí)都有電容電流流過線路，而且電纜線路相間及對地電容遠(yuǎn)大于架空線路，電纜線路的電容電流亦遠(yuǎn)大于架空線路的電容電流，可能造成以下幾點(diǎn)危害[1]。

（1）引起主變壓器或調(diào)壓器過載；

（2）單相接地時(shí)易造成電弧重燃，引起3倍以上的過電壓，易損壞供電設(shè)備或造成多相短路事故；

（3）貫通線電纜的分布電容產(chǎn)生的容性無功，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)容性無功過剩，線路末端電壓上升。

因此，必須對線路電容電流進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償電纜電容電流較好的辦法是設(shè)置專用的并聯(lián)補(bǔ)償電抗器，主要有兩種方式。

方式一：在配電所集中設(shè)置動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電抗器。這種方式維護(hù)方便；貫通線故障隔離時(shí)，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電抗器可自動(dòng)調(diào)整，不會(huì)產(chǎn)生過補(bǔ)償；補(bǔ)償電抗器對降低線路容性電流沒有作用，僅補(bǔ)償容性無功功率；投資相對較大，需設(shè)置專用房屋，噪聲較大。

方式二：在區(qū)間貫通線上分散并聯(lián)補(bǔ)償電抗器，按貫通線分段長度比例分散補(bǔ)償電抗器。這種方式維護(hù)較方便，可與區(qū)間箱式變壓器同時(shí)進(jìn)行；貫通線故障隔離時(shí)，剩余段補(bǔ)償仍然均勻；能有效降低線路容性電流；投資相對較小，不需設(shè)置專用房屋，可采用箱式電抗器與區(qū)間箱式變電站相鄰布置。

武廣高速鐵路電力工程設(shè)計(jì)中采用方式二，在全線兩回10 kV電力貫通電纜線路上每隔10 km左右分別分散設(shè)置箱式電抗器，起到補(bǔ)償接地電容電流、補(bǔ)償容性無功功率、限制線路末端電壓上升的綜合作用，其實(shí)際效果已在電力貫通線送電運(yùn)行后得到驗(yàn)證。

2 貫通線中性點(diǎn)接地方式的選擇

長期以來，我國鐵路10 kV電力貫通線絕大多數(shù)采用架空線路，電纜線路少，線路電容電流不大，10 kV供電系統(tǒng)一般采用中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)。而武廣高速鐵路10 kV電力貫通線全部采用電纜線路，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，每公里10 kV電纜故障相的電容電流約為1～1.5 A，是架空線路的30倍左右。武廣高速鐵路兩座相鄰10 kV配電所間距一般為40～70 km，發(fā)生單相接地時(shí)線路電容電流可達(dá)40～105 A，線路單相接地電容電流過大，電網(wǎng)安全運(yùn)行受到威脅，因此在10 kV供電系統(tǒng)中采用中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)已無法保證電纜線路安全。

以電纜線路為主的10 kV配電線路，不同國家接地方式不同，有中性點(diǎn)直接接地、經(jīng)低電阻接地、經(jīng)消弧線圈接地等方式。國內(nèi)外沒有統(tǒng)一的規(guī)定，同一個(gè)國家不同城市接地方式也不相同，我國現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)主要支持消弧線圈接地和低電阻接地兩種方式。

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式[2]。該方式運(yùn)行可靠性高，發(fā)生單相接地故障時(shí)可繼續(xù)運(yùn)行2 h；對瞬間故障能自動(dòng)熄?。还收宵c(diǎn)對地電位低；單相接地的異常過電壓能抑制在2.8倍相電壓以下；運(yùn)行管理和繼電保護(hù)比較復(fù)雜。

中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地方式。該方式單相接地的異常過電壓能抑制在2.8倍相電壓以下；繼電保護(hù)簡單；運(yùn)行管理比較簡單；供電可靠性較低；故障點(diǎn)地電位高，對人身及設(shè)備安全不利；對通信和電子設(shè)備干擾較大。

電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合DL/T620-1997》中規(guī)定[3]：

（1）3～10 kV不直接連接發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和35 kV，66 kV系統(tǒng)。當(dāng)單相接地故障電容電流不超過下列數(shù)值時(shí)，應(yīng)采用中性點(diǎn)不接地方式；當(dāng)超過下列數(shù)值又需在故障條件下運(yùn)行時(shí)，應(yīng)采用經(jīng)消弧線圈接地方式。

① 3～10 kV鋼筋混凝土或金屬桿塔的架空線路構(gòu)成的系統(tǒng)和所有35 kV，66 kV系統(tǒng)，為10 A。

② 3～10 kV非鋼筋混凝土或金屬桿塔的架空線路構(gòu)成的系統(tǒng)，當(dāng)電壓為3 kV，6 kV時(shí)，為30 A；10 kV時(shí)，為20 A。

③ 3～10 kV電纜線路構(gòu)成的系統(tǒng)，為30 A。

（2）6～35 kV主要是電纜線路構(gòu)成的送、配電系統(tǒng)。單相接地故障電容電流較大時(shí)，可采用低電阻接地方式，但應(yīng)考慮供電可靠性要求、故障時(shí)瞬態(tài)電壓、瞬態(tài)電流對電氣和通信設(shè)備的影響以及繼電保護(hù)技術(shù)要求。

武廣高速鐵路采用兩條10 kV電力貫通線供電，供電可靠性高，電纜不需要帶故障運(yùn)行，而且全電纜線路發(fā)生瞬間故障的概率較低。根據(jù)鐵道部運(yùn)輸局“運(yùn)計(jì)裝備［2009］56號(hào)”文《關(guān)于統(tǒng)一高速鐵路電力供電系統(tǒng)接地方式的通知》的要求，10 kV電力貫通線系統(tǒng)采用中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地的運(yùn)行方式。

當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，繼電保護(hù)裝置啟動(dòng)，及時(shí)切斷故障線路。選擇中性點(diǎn)接地電阻值要統(tǒng)籌考慮各方面的因素，如電阻值選得過小，則接地電流過大，對附近的通信線路干擾較大；電阻值選得過大，則接地電流過小，繼電保護(hù)的動(dòng)作可靠性降低。根據(jù)IEEE143標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，15 kV及以下系統(tǒng)低電阻接地運(yùn)行方式的接地故障電流應(yīng)限制在400 A以下。為了降低單相接地電流對信號(hào)的干擾，減少人身傷亡，保證繼電保護(hù)快速動(dòng)作，采用低電阻接地系統(tǒng)，10 kV系統(tǒng)單相接地電流宜限制在300～350 A較為合適。

采用低電阻接地系統(tǒng)，中性點(diǎn)與大地之間用很小的電阻相連，一旦發(fā)生單相接地故障，將產(chǎn)生高達(dá)幾百安的接地電流，因此必須設(shè)置零序電流保護(hù)，迅速可靠地將此電流切斷。低電阻接地系統(tǒng)中繼電保護(hù)的選擇性和靈敏度較好。

3 電力貫通線電纜金屬護(hù)層的接地方式

按照《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50217-2007）規(guī)定[4]，電力電纜金屬護(hù)層必須直接接地。電纜金屬護(hù)層的接地方式分為線路一端單點(diǎn)直接接地、線路中央部位單點(diǎn)直接接地、線路兩端直接接地等方式。武廣高速鐵路采用線路一端單點(diǎn)直接接地方式，并且在線路另一端經(jīng)電纜護(hù)層電壓限制器接地，主要基于以下考慮。

（1）武廣高速鐵路區(qū)間箱式變電站間距最大不超過3.0 km，故單根電力貫通線電纜長度一般不超過3.5 km，單芯電纜按要求應(yīng)盡量避免中間接頭，因此不可能采用線路中央部位單點(diǎn)直接接地方式。

（2）按GB 50217-2007第4.1.10條規(guī)定，未采取能有效防止人員任意接觸電纜金屬護(hù)層安全措施時(shí)，金屬護(hù)層的正常感應(yīng)電勢不得大于50 V，采取相應(yīng)措施后不得大于300 V。經(jīng)計(jì)算及相關(guān)鐵路現(xiàn)場測量驗(yàn)證，武廣高速鐵路采用的線路一端單點(diǎn)直接接地方式能夠滿足上述要求。

（3）電纜金屬屏蔽層中在正常和故障情況下都有感應(yīng)電流通過，如果采用線路兩端直接接地方式，實(shí)際上是把電力電纜金屬屏蔽層作為鐵路貫通地線使用，此時(shí)電纜金屬屏蔽層需要滿足一定的載流量要求，其截面積一般不能小于16 mm2。從而增加了貫通線電纜投資，每公里電纜需增加約1.5萬元，武廣高速鐵路全線需增加投資約1億多元。

4 電力工程設(shè)計(jì)應(yīng)用的新設(shè)備新材料

武廣高速鐵路電力工程設(shè)計(jì)中采用一系列新設(shè)備新材料，如電力貫通線電纜采用不銹鋼鎧裝的單芯銅芯電纜，10 kV變配電所高壓開關(guān)柜采用全封閉SF6絕緣開關(guān)設(shè)備（GIS），低壓開關(guān)柜采用智能型模數(shù)化組合柜型；變壓器、調(diào)壓器采用干式節(jié)能型設(shè)備，區(qū)間負(fù)荷供電均采用統(tǒng)一模式的箱式變電站，各站房設(shè)置高壓備用柴油發(fā)電機(jī)組等。

4.1 電力貫通線采用單芯電纜

長期以來，我國鐵路電力貫通線采用三芯電纜，武廣高速鐵路電力貫通線采用三根單芯電纜，雖然投資有所增加，但具有以下優(yōu)點(diǎn)[5]：

（1）單芯電纜與柜內(nèi)終端連接時(shí)，可避免交叉，使電氣安全間距較寬裕，改善安裝作業(yè)條件；

（2）可避免電纜中間接頭，增強(qiáng)運(yùn)行可靠性；

（3）單芯電纜較同截面的三芯電纜載流量增加約10%，可使電纜截面選擇降低一檔；

（4）一旦電纜發(fā)生接地，難以形成相間短路；

（5）容許彎曲半徑較小，有利于電纜敷設(shè)。

4.2 高壓開關(guān)柜采用全封閉SF6絕緣開關(guān)設(shè)備（GIS）

過去我國鐵路10 kV變配電所高壓開關(guān)柜采用空氣絕緣柜，鐵路區(qū)間用電負(fù)荷供電一般采用桿上變電臺(tái)，電力變壓器一般采用油浸變壓器。武廣高速鐵路采用全封閉SF6絕緣開關(guān)設(shè)備（GIS）、統(tǒng)一模式的箱式變電站、干式節(jié)能型電力變壓器，同時(shí)10 kV變配電所配置綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、低壓監(jiān)控裝置、區(qū)間箱式變電站上設(shè)置的遠(yuǎn)程控制單元（RTU）均納入數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)（SCADA），并由綜合調(diào)度中心對電力設(shè)施集中監(jiān)控。以上措施大大提高供電可靠性，使主要電氣設(shè)備免維護(hù)少維修。

4.3 沿線設(shè)高壓備用柴油發(fā)電機(jī)組

沿線各鐵路車站站房設(shè)高壓備用柴油發(fā)電機(jī)組，在百年一遇的冰雪災(zāi)害情況下，仍能基本保證鐵路正常生產(chǎn)生活秩序。在各車站站房內(nèi)設(shè)置一臺(tái)10 kV柴油發(fā)電機(jī)組，主要供站房內(nèi)通信、信號(hào)、客運(yùn)信息設(shè)備及應(yīng)急照明用電等一級負(fù)荷，并給區(qū)間10 kV電力貫通線供電。在重大災(zāi)害情況下當(dāng)?shù)胤诫娋W(wǎng)全部停電時(shí)，啟動(dòng)發(fā)電機(jī)組，保障與鐵路運(yùn)行、管理密切相關(guān)的重要用電負(fù)荷不間斷供電。

總之，武廣高速鐵路電力工程實(shí)現(xiàn)電力線路入地、電力設(shè)備進(jìn)屋、電力供電全過程監(jiān)控、主要電力設(shè)備免維護(hù)、變配電所無人值班，其技術(shù)設(shè)備裝備水平達(dá)到國際國內(nèi)一流水平。

5 結(jié)論

（1）武廣高速鐵路10 kV電力貫通電纜線路上分散設(shè)置箱式電抗器，起到補(bǔ)償接地電容電流、補(bǔ)償容性無功功率、限制線路末端電壓上升的綜合作用。

（2）武廣高速鐵路10 kV電力貫通線系統(tǒng)采用中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地的運(yùn)行方式。

（3）武廣高速鐵路10 kV電力貫通電纜金屬護(hù)層采用線路一端單點(diǎn)直接接地方式，并在線路另一端經(jīng)電纜護(hù)層電壓限制器接地。

（4）武廣高速鐵路電力工程設(shè)計(jì)中采用一系列新設(shè)備新材料，大大提高供電可靠性，使主要電氣設(shè)備免維護(hù)少維修。

[1]鐵道部專業(yè)設(shè)計(jì)院. 鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊-電力[M].北京：中國鐵道出版社，1991

[2]李潤先. 中壓電網(wǎng)系統(tǒng)接地實(shí)用技術(shù)[M]. 北京：中國電力出版社，2002

[3]中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn). 交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合 DT/T620-1997[S]

[4]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn). 電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范GB50217-2007[S]

[5]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn). 鐵路電力設(shè)計(jì)規(guī)范TB10008-2006[S]