《高速鐵路設(shè)計規(guī)范（電力牽引供電部分）》的主要技術(shù)創(chuàng)新

朱飛雄

（鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院 提待高工，北京 100038）

《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》電力牽引供電部分的編制以科學(xué)發(fā)展觀為指導(dǎo)，貫徹鐵路建設(shè)新理念，瞄準(zhǔn)世界一流水平，堅(jiān)持原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新，廣泛收集了與高速鐵路（客運(yùn)專線）設(shè)計有關(guān)的技術(shù)文件資料，系統(tǒng)總結(jié)了京津、合寧、合武、石太等高速鐵路的經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)真吸取了武廣、鄭西等高速鐵路的建設(shè)、施工、設(shè)計、國際咨詢等成果，大力開展了有針對性的科研攻關(guān)和試驗(yàn)測試，結(jié)合京津、武廣、合武等線的聯(lián)調(diào)聯(lián)試工作，對規(guī)范的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場驗(yàn)證，為我國高速鐵路建設(shè)和中國鐵路“走出去”提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障和支撐。

1 電力牽引供電系統(tǒng)設(shè)計更加安全可靠

電力牽引供電系統(tǒng)包括牽引變電、供電調(diào)度、接觸網(wǎng)等子系統(tǒng)。根據(jù)高速鐵路高速度、高密度、高可靠的特點(diǎn)，引入了高速鐵路電力牽引供電系統(tǒng)的可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性（RAMS）的理念，給出了相關(guān)的參考指標(biāo)要求，指導(dǎo)電力牽引供電系統(tǒng)的設(shè)備和裝置的選型，通過高質(zhì)量的技術(shù)裝備構(gòu)成高水平的電力牽引供電網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)（變電所值班）無人化、（設(shè)備）免維護(hù)和少維修、（運(yùn)行）高可靠；明確了高速鐵路應(yīng)滿足可靠穩(wěn)定的供電質(zhì)量、受流良好的弓網(wǎng)關(guān)系、動車組自動過分相等要求，并通過供電調(diào)度系統(tǒng)的全方位監(jiān)控與信息化管理，實(shí)現(xiàn)了電力牽引供電系統(tǒng)監(jiān)控自動化、遠(yuǎn)動化和運(yùn)行管理智能化。

1.1 牽引變電子系統(tǒng)滿足可靠穩(wěn)定的供電質(zhì)量要求

與普通的客貨共線鐵路相比，我國高速鐵路具有高密度、長編組等特點(diǎn)，高速鐵路的電力牽引負(fù)荷明顯增大。16輛編組動車組以時速350 km、間隔3 min運(yùn)行時，牽引變電所負(fù)荷瞬時可達(dá)170 MVA，高峰小時可達(dá)130 MVA，牽引供電專業(yè)開發(fā)應(yīng)用了牽引供電計算仿真軟件，計算各種運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)（如接觸網(wǎng)電壓及電流分布、軌道電位等）與列車運(yùn)行速度的關(guān)系，合理確定供電能力，滿足高速鐵路供電要求。

1.1.1 采用220 kV及以上電源，有利于節(jié)能和省地

鐵路供電電壓需要從牽引負(fù)荷大小、負(fù)荷特性、供電可靠性及電力系統(tǒng)供電條件和對電力系統(tǒng)的影響等方面綜合考慮決定。除德國高速鐵路采用鐵路專用電網(wǎng)110 kV外，日本和法國高速鐵路分別采用275 kV，西班牙高速鐵路采用225 kV或400 kV。針對我國公共電網(wǎng)近年來已把220 kV電壓等級向用戶開放的新情況，提出了牽引變電所采用220 kV或330 kV供電。因220 kV比110 kV電壓等級供電系統(tǒng)具有較強(qiáng)的負(fù)序和諧波承受能力，有利于牽引變壓器采用容量利用率較高、設(shè)備較簡單的單相結(jié)線，從而減少土地占用、節(jié)約電能。

1.1.2 采用2×25 kV供電方式，有利于高電能的傳輸

正線牽引網(wǎng)采用2×25 kV供電方式，有利于高電能的傳輸、接觸懸掛的輕型化及系統(tǒng)匹配設(shè)計，有利于減少牽引變電所的數(shù)量，從而有利于減少外部電源的投資和減少電分相。因此，除德國高速鐵路采用帶加強(qiáng)線的直供加回流供電方式外，日本、法國和西班牙高速鐵路均采用2×25 kV供電方式，我國目前已經(jīng)實(shí)施的武廣、鄭西、合武、合寧客運(yùn)專線和京津城際等時速250 km及以上鐵路工程中正線均采用2×25 kV供電方式。

1.1.3 牽引變壓器采用單相結(jié)線，有利于動車組高速運(yùn)行

牽引變壓器采用單相結(jié)線與采用三相結(jié)線相比，一是接觸網(wǎng)上的電分相數(shù)量較少，有利于動車組高速運(yùn)行；二是單相結(jié)線時的兩極設(shè)備較之三相結(jié)線時的三極設(shè)備，電氣施工安裝及運(yùn)營維護(hù)明顯簡化。但單相變壓器容量較大，初、近期一般在40～80 MVA，能否采用單相變壓器接入公共電力系統(tǒng)，取決于各地公共電網(wǎng)的具體情況，否則可采用三相V，v接線。牽引變壓器除日本采用特殊結(jié)線外，歐洲高速鐵路均采用單相結(jié)線。我國目前實(shí)施的武廣、廣深港客運(yùn)專線廣東境內(nèi)牽引變電所均采用單相變壓器結(jié)線。

1.1.4 采用高質(zhì)量的技術(shù)裝備，提高牽引供電系統(tǒng)的可靠性

研發(fā)應(yīng)用了無維修和少維修的220 kV六氟化硫（GIS）組合電器和27.5 kV六氟化硫（GIS）開關(guān)柜等成套配電裝置，使?fàn)恳╇娫O(shè)備由工地現(xiàn)場組裝變?yōu)楣S化裝配，明顯提高了變電工程的質(zhì)量和牽引供電系統(tǒng)的可靠性。

確定了牽引變電二次保護(hù)要求，牽引變電所采用了兩種故障測距和數(shù)據(jù)同步采集方法，提高了故障點(diǎn)測距的可靠性和準(zhǔn)確性。

1.2 供電調(diào)度子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電力牽引供電系統(tǒng)的全方位監(jiān)控與信息化管理

提出了“鐵路供電調(diào)度系統(tǒng)”的新模式，即將原分別設(shè)置的牽引供電調(diào)度、電力調(diào)度兩個子系統(tǒng)有機(jī)融合在一起，統(tǒng)一了技術(shù)平臺。具有遙控、遙信、遙測等功能的鐵路供電調(diào)度系統(tǒng)與變電所綜合自動化系統(tǒng)對接觸網(wǎng)自動檢測、自動識別和自動報警，使電力牽引供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化和變電所（開閉所、分區(qū)所、AT所）無人值班。

牽引變電所的通信通道采用光纖，解決了實(shí)回電纜進(jìn)所方式的遠(yuǎn)動系統(tǒng)通信質(zhì)量不好、嚴(yán)重限制遠(yuǎn)動系統(tǒng)功能發(fā)揮的問題。實(shí)際應(yīng)用證明提高了通信的可靠性，從而提高了遠(yuǎn)動系統(tǒng)的可用性。

明確供電段應(yīng)設(shè)置供電復(fù)示系統(tǒng)，使供電段生產(chǎn)調(diào)度實(shí)時掌握現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，為制定檢修管理計劃提供科學(xué)依據(jù)。目前供電復(fù)示系統(tǒng)已成為生產(chǎn)調(diào)度的重要輔助管理工具。

1.3 接觸網(wǎng)子系統(tǒng)滿足受流良好的弓網(wǎng)關(guān)系要求

1.3.1 攻克了高速列車重聯(lián)運(yùn)行接觸網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)難題

雙受電弓與上方的接觸線密切接觸并順暢滑行是接觸網(wǎng)系統(tǒng)的核心技術(shù)。從動車組受電弓和接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)入手，以空氣動力學(xué)、電工學(xué)等為理論基礎(chǔ)，分析受電弓和接觸網(wǎng)的動態(tài)特性和受流技術(shù)，應(yīng)用我國《高速鐵路隧道空氣動力學(xué)效應(yīng)對隧道內(nèi)附屬物有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究》成果，引入接觸網(wǎng)-受電弓系統(tǒng)波動傳播理論，規(guī)定采用接觸網(wǎng)-受電弓動態(tài)仿真軟件預(yù)評估高速受流，確定了我國高速鐵路接觸網(wǎng)-受電弓動態(tài)性能仿真評價指標(biāo)參數(shù)，有效解決各種不同的接觸懸掛類型、受電弓類型以及對應(yīng)的弓網(wǎng)配合特性參數(shù)，在世界上首次實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)與時速350 km動車組聯(lián)掛、雙弓運(yùn)行，高6.45 m（國外不大于5.3 m）的接觸線適應(yīng)時速250 km動車組運(yùn)行。

1.3.2 奠定了接觸網(wǎng)“簡統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化”的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)

總結(jié)吸收我國高速鐵路的建設(shè)運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，在我國《接觸網(wǎng)“簡統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化”》科研成果的基礎(chǔ)上，給出了我國高速鐵路時速250 km、300 km、350 km接觸網(wǎng)系統(tǒng)雙弓或多弓取流時，各種接觸懸掛方式的導(dǎo)線選型和張力標(biāo)準(zhǔn)等主要技術(shù)參數(shù)，為接觸網(wǎng)實(shí)現(xiàn)“簡統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化”，簡化工程設(shè)計、施工安裝、加工制造和運(yùn)營管理，開展高速鐵路接觸網(wǎng)通用參考圖編制和形成擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的接觸網(wǎng)通用圖奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1.3.3 實(shí)現(xiàn)了接觸網(wǎng)—受電弓系統(tǒng)的安全運(yùn)行

提出了“線岔始觸區(qū)”、“無線夾區(qū)”等新概念和站場道岔區(qū)接觸網(wǎng)平面布置新方法，明確了受電弓動態(tài)包絡(luò)線（范圍）、道岔及錨段關(guān)節(jié)處受電弓始觸區(qū)范圍，確定了雙層集裝箱電氣列車受電弓的動態(tài)包絡(luò)線，摒棄了以往設(shè)計規(guī)范中接觸網(wǎng)支柱在道岔區(qū)的“標(biāo)準(zhǔn)定位”方法，解決了以往受電弓通過道岔上方的接觸網(wǎng)可能出現(xiàn)的鉆弓、脫弓、打弓等安全問題及其他受流質(zhì)量問題。

1.3.4 提高了接觸網(wǎng)工程設(shè)計的經(jīng)濟(jì)合理性

接觸線設(shè)計張力是關(guān)系到接觸網(wǎng)工程概算的關(guān)鍵指標(biāo)之一。以往接觸線按20%磨耗規(guī)定其強(qiáng)度安全系數(shù)不小于2.0。通過接觸線強(qiáng)度安全系數(shù)的優(yōu)化，即：按接觸線的制造工藝、運(yùn)行環(huán)境、磨耗、下錨補(bǔ)償裝置和終端錨固線夾等的不同分別給出相應(yīng)（折減）系數(shù)，間接提高了接觸線允許使用張力，該方法更加接近實(shí)際，更能發(fā)揮材料本身的特性。幾年來的實(shí)踐證明既確保了運(yùn)行安全，又提高了經(jīng)濟(jì)性。

1.3.5 降低了接觸網(wǎng)工程的造價

根據(jù)高速鐵路運(yùn)營維護(hù)和橋梁檢修的特點(diǎn)，控制接觸網(wǎng)H型鋼柱高度，使不運(yùn)行雙層集裝箱的時速300 km以上鐵路的H型鋼柱高度由原8.5 m縮小為約7.4 m（橋梁地段）或約7.9 m（路基地段）；使設(shè)計運(yùn)行雙層集裝箱的時速250 km以下鐵路的H型鋼柱高度由原9.5 m縮小為約8.55 m（橋梁地段）或約9.05 m（路基地段）。按H型鋼柱（含鍍鋅費(fèi)用）9 000元/t計算，時速300～350 km高速鐵路每100雙正線公里可降低工程造價約430萬元。

1.3.6 保證了接觸網(wǎng)與鐵路整體的景觀協(xié)調(diào)

開展的《高速鐵路接觸網(wǎng)與景觀協(xié)調(diào)的工程技術(shù)研究》對國內(nèi)外典型鐵路的不同地點(diǎn)和區(qū)段的接觸網(wǎng)安裝方案、技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)研，在對鐵路用戶需求和工程實(shí)例分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用景觀設(shè)計和工業(yè)設(shè)計相結(jié)合的美學(xué)理論，對接觸網(wǎng)的景觀效果進(jìn)行了分析和研究，研究成果納入了規(guī)范條文及條文說明。

2 堅(jiān)持系統(tǒng)集成創(chuàng)新，形成了滿足我國高速鐵路系統(tǒng)集成的標(biāo)準(zhǔn)和要求

堅(jiān)持系統(tǒng)集成創(chuàng)新，通過系統(tǒng)集成的方法，使電力牽引供電工程內(nèi)部各子系統(tǒng)之間、電力牽引供電工程與其外部各系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)匹配、技術(shù)接口完整、技術(shù)裝備合理的目標(biāo)，形成了滿足我國高速鐵路系統(tǒng)集成的標(biāo)準(zhǔn)和要求。

接口設(shè)計是高速鐵路工程電力牽引供電設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，接口設(shè)計主要包括電力牽引供電與鐵路內(nèi)部的路基、橋梁、隧道、軌道、通信、信號、信息、站場、動車組、綜合接地、聲屏障、房建暖通、給水排水、動車段（所）、綜合調(diào)度、既有線運(yùn)營公司等的接口，電力牽引供電與鐵路外部的公共電網(wǎng)運(yùn)營商的接口。針對以往電力牽引供電工程與其他工程接口產(chǎn)生的漏、誤、差和相互銜接不佳，對變電工程的所址選擇、接觸網(wǎng)工程等的嚴(yán)重影響，以接口管理的形式，確定了大量的設(shè)計技術(shù)接口和工程實(shí)施接口，并得到了工程實(shí)施驗(yàn)證。

3 結(jié)束語

目前，我國是世界上高速鐵路電力牽引供電工程技術(shù)最全、集成能力最強(qiáng)、運(yùn)營里程最長、運(yùn)行速度最高、在建規(guī)模最大的國家。我國電氣化鐵路無論列車最高運(yùn)行速度、行車密度，還是供電負(fù)荷大小、技術(shù)裝備水平都達(dá)到世界一流，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高速鐵路電力牽引供電工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。京津城際、武廣及鄭西客運(yùn)專線鐵路的運(yùn)營實(shí)踐表明，我國已基本形成了高速鐵路電力牽引供電工程完整的理論體系、完整的數(shù)學(xué)模型和完整的評價標(biāo)準(zhǔn)。