滬杭高速鐵路電力供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐 悌

(中鐵第四勘測(cè)設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

1 工程概況

滬杭高速鐵路連接上海與杭州，是中國(guó)“四縱四橫”客運(yùn)專線網(wǎng)絡(luò)中滬昆客運(yùn)專線的組成部分，該工程由上海虹橋站引出，經(jīng)松江南、金山北、嘉善南、嘉興南、桐鄉(xiāng)、海寧西、余杭南引入杭州東站，并通過聯(lián)絡(luò)線與上海南站、杭州站相接，正線全長(zhǎng)153.5 km，其中87%為橋梁工程，全線設(shè)車站9座、線路所3座、動(dòng)車運(yùn)用所1座。

2 電力供電方案

2.1 電力供電系統(tǒng)組成

滬杭高速鐵路電力供電系統(tǒng)主要由從國(guó)家電網(wǎng)公司接引的高壓電源線路、(20)10 kV變配電所、沿線2路10 kV電力貫通線路、站場(chǎng)及區(qū)間高低壓電力線路、10/0.4 kV變電所、箱式變、室外照明、動(dòng)力配線、機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、消防自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、防雷接地等部分組成。全線電力遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)施納入鐵路供電調(diào)度系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度管理。

2.2 供電原則

(1)電力供電系統(tǒng)必須滿足客運(yùn)專線安全、可靠供電的要求，并滿足免維護(hù)、少維修、10 kV及以上變配電所無人值守的原則要求。

(2)為保證各用電設(shè)備的可靠安全用電，電力供電系統(tǒng)應(yīng)保證各級(jí)供配電系統(tǒng)的相互匹配，除發(fā)生大面積自然災(zāi)害(如地震、戰(zhàn)爭(zhēng)、電網(wǎng)崩潰等)或故意損壞外，其可靠性滿足每天24 h的運(yùn)輸需要(含“維修天窗”時(shí)間)。

(3)電力供電系統(tǒng)的主要設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)為模數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化、免維護(hù)、少維修。

(4)電力供電系統(tǒng)與鐵路行車和運(yùn)輸安全密切相關(guān)，所有客運(yùn)專線各個(gè)等級(jí)負(fù)荷的電源均自電力供電系統(tǒng)接引。

(5)與行車相關(guān)的一級(jí)負(fù)荷或重要負(fù)荷至少從供電網(wǎng)絡(luò)接取2路獨(dú)立電源。

3 電力設(shè)計(jì)主要內(nèi)容

3.1 20(10)kV變配電所

3.1.1 (20)10 kV配電所設(shè)置

結(jié)合各站負(fù)荷情況和供電臂距離，全線新建松江南、嘉興南、桐鄉(xiāng)新共計(jì)3座(20)10 kV變配電所，由于站房建設(shè)工期往往與四電設(shè)備調(diào)試工期相矛盾，為減少建設(shè)工期，以上各所均為獨(dú)立建設(shè)房屋的變配電所;為節(jié)約建筑面積，房屋建筑形式為平房式。

3.1.2 變配電所規(guī)模及電源情況

松江南10 kV配電所從地方變電站接取兩路獨(dú)立專屏專線的10 kV電源;嘉興南10 kV配電所從地方變電站接取2路獨(dú)立專屏專線的10 kV電源，根據(jù)地方電網(wǎng)規(guī)劃及供電公司要求，電源線采用20 kV電纜，預(yù)留20 kV條件;桐鄉(xiāng)20/10 kV變配電所從地方變電站接取2路獨(dú)立專屏專線高壓電源20 kV電源。

配電所規(guī)模及電源情況見表1。

表1 (20)10 kV變配電所規(guī)模及電源情況

3.1.3 配電所電氣主接線

(20)10 kV變配電所采用單母線分段接線方式，為了減少初期投資和方便今后增容，經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，桐鄉(xiāng)(20)10 kV變配電所主母線采用了20/10 kV變壓器降壓后供給車站綜合變壓器和貫通線，10 kV貫通線經(jīng)調(diào)壓器調(diào)壓后設(shè)置貫通母線供電;10 kV主母線采用不接地系統(tǒng)，貫通線中性點(diǎn)采用低電阻接地系統(tǒng)，接地電阻不大于10Ω。

3.1.4 10 kV變配電所設(shè)備類型

10 kV高壓開關(guān)柜采用免維護(hù)、少維修SF6氣體絕緣開關(guān)柜(GIS)，斷路器為真空斷路器;10/10 kV調(diào)壓器采用干式調(diào)壓器。直流電源設(shè)備采用智能高頻開關(guān)鉛酸免維護(hù)電池直流電源柜。

3.1.5 10 kV變配電所繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置

配電所采用數(shù)字繼電器及通信裝置，實(shí)現(xiàn)全所電氣設(shè)備的測(cè)量、控制、保護(hù)等功能，并提供電力遠(yuǎn)動(dòng)接口;數(shù)字繼電器布置在高壓柜儀表單元上、通信裝置布置在控制室內(nèi)。變配電所內(nèi)設(shè)置視頻監(jiān)控終端，并將攝像機(jī)分別布置在高壓室、調(diào)壓器等主要設(shè)備間，視頻信息通過綜合監(jiān)控系統(tǒng)上傳到綜合調(diào)度中心。

3.2 10/0.4 kV變電所

3.2.1 變電所的設(shè)置

各車站、動(dòng)車運(yùn)用所、綜合維修工區(qū)負(fù)荷集中的地方設(shè)10/0.4 kV變電所，車站綜合變電所設(shè)在站房?jī)?nèi)，綜合維修工區(qū)變電所獨(dú)立設(shè)置。10/0.4 kV變電所容量及分布見表2。

表2 10 kV變電所容量及分布 kVA

3.2.2 主接線型式

10/0.4 kV變電所均為2臺(tái)變壓器各一段低壓母線，兩段低壓母線分別運(yùn)行，母聯(lián)斷路器斷開;當(dāng)一路電源失電或一臺(tái)變壓器因故退出運(yùn)行時(shí)，母聯(lián)斷路器自動(dòng)合閘，由一路電源帶全所重要負(fù)荷。

10/0.4 kV變電所10 kV側(cè)設(shè)高壓環(huán)網(wǎng)開關(guān)柜，變壓器通過SF6負(fù)荷開關(guān)或配電所斷路器進(jìn)行保護(hù)。

3.2.3 10/0.4 kV變電所設(shè)備類型及布置

高壓環(huán)網(wǎng)開關(guān)柜采用SF6負(fù)荷開關(guān)，變壓器采用帶防護(hù)罩的干式變壓器，低壓開關(guān)柜采用組合式柜型并配置數(shù)字化儀表。10/0.4 kV變電所低壓開關(guān)柜內(nèi)設(shè)電力運(yùn)動(dòng)終端，所有低壓回路均納入電力遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)。

3.3 電力線路

3.3.1 10 kV電力貫通線路

全線設(shè)置10 kV一級(jí)負(fù)荷貫通線和10 kV綜合負(fù)荷貫通線各1回，全部采用電纜敷設(shè)。由京滬高速鐵路工程建設(shè)的虹橋220 kV變配電所引出，經(jīng)松江南10 kV配電所、嘉興南10 kV配電所、桐鄉(xiāng)20/10 kV變配電所，引至杭州樞紐工程建設(shè)的杭州東站35/10 kV變配電所。全部采用交聯(lián)聚乙烯絕緣非磁鎧裝的單芯銅芯電纜，分別沿鐵路兩側(cè)預(yù)制電纜槽敷設(shè)。

3.3.2 20(10)kV變配電所電源線路

根據(jù)城市規(guī)劃、地形等環(huán)境因素采用電力電纜或架空線路。電力電纜采用交聯(lián)聚乙烯絕緣鋼帶鎧裝的三芯銅芯電纜，架空線路采用鋼筋混凝土電桿、鋼芯鋁絞線、鐵橫擔(dān)。

3.3.3 站場(chǎng)、段所電力線路

車站站場(chǎng)、動(dòng)車運(yùn)用所、綜合維修工區(qū)內(nèi)高低壓電力線路全部采用電力電纜，一般沿溝敷設(shè)，局部地段直埋敷設(shè)，過路、過軌時(shí)穿管保護(hù)敷設(shè)。

3.4 10/0.4 kV箱式變電站

3.4.1 接線型式

10/0.4 kV箱式變電站10 kV側(cè)進(jìn)出線及變壓器設(shè)高壓負(fù)荷開關(guān)，采用環(huán)網(wǎng)接線方式，箱式變電站內(nèi)負(fù)荷開關(guān)均采用電動(dòng)操作機(jī)構(gòu);在全線2回10 kV電力貫通電纜線路上每隔10～15 km左右分別分散設(shè)置箱式電抗器進(jìn)行無功補(bǔ)償，補(bǔ)償貫通線電纜電容電流。

3.4.2 設(shè)備類型及布置

箱式變電站采用中壓預(yù)裝箱式變電站，氣體絕緣高壓環(huán)網(wǎng)開關(guān)，其操作電源采用交流并配置UPS電源作為備用。

沿線區(qū)間供電的箱式變電站采用基本統(tǒng)一模式。通信、信號(hào)雙電源專用箱變與通信基站、信號(hào)中繼站機(jī)房相鄰設(shè)置，其他箱變獨(dú)立設(shè)置。箱式電抗器與箱式變電站相鄰布置。

箱式變電站設(shè)氣體絕緣高壓環(huán)網(wǎng)開關(guān)間隔和變壓器、低壓開關(guān)、電力遠(yuǎn)動(dòng)終端間隔。所有高低壓回路均納入電力遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)。

3.5 電力遠(yuǎn)動(dòng)

(1)全線10 kV配電所配置的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、車站站房電力遠(yuǎn)動(dòng)室10/0.4 kV變電所配置的監(jiān)控裝置、區(qū)間接于貫通線上的箱變內(nèi)高低壓回路均納入電力遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)。

(2)由電力遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)在全線2條10 kV貫通線供電的箱變處設(shè)置電力遠(yuǎn)動(dòng)終端，負(fù)責(zé)對(duì)2條10 kV貫通線及其供電的低壓回路的電流電壓數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)控;當(dāng)貫通線出現(xiàn)相間短路、單相接地、斷相的情況下，迅速完成對(duì)其故障區(qū)段的定位、隔離及非故障區(qū)段的恢復(fù)供電工作。

(3)電力遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)電力被控設(shè)備處采集的模擬量數(shù)據(jù)(電流、電壓)可在調(diào)度端以圖形方式顯示，圖形中相鄰點(diǎn)間時(shí)間間隔最小為20 ms。

(4)由綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)在全線各站的10 kV配電所統(tǒng)一配置視頻監(jiān)視系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對(duì)變配電所運(yùn)行相關(guān)的場(chǎng)所進(jìn)行監(jiān)視。

4 新技術(shù)應(yīng)用

(1)無功補(bǔ)償采用了在10 kV電力貫通電纜線路上分散設(shè)置電抗器補(bǔ)償為主、配電所集中設(shè)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償為輔的方式，起到了補(bǔ)償容性無功功率、降低線路容性電流、限制線路末端電壓上升的綜合作用，具有如下優(yōu)點(diǎn):電抗器維護(hù)較方便，可與區(qū)間箱式變壓器同時(shí)進(jìn)行;分散補(bǔ)償能最大限度地降低線路容性電流，起到節(jié)能減排作用;投資相對(duì)較小，可采用箱式電抗器與區(qū)間箱式變電站相鄰布置;配電所集中設(shè)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)置可以滿足電源進(jìn)線功率因素要求，避免無功超標(biāo)罰款。

(2)考慮到滬杭高速鐵路采用2條10 kV電力貫通線供電，供電可靠性較高，而且全電纜線路發(fā)生瞬間故障的概率較低等原因，10 kV電力貫通線系統(tǒng)采用中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地運(yùn)行方式，當(dāng)發(fā)生單相接地故障，繼電保護(hù)裝置動(dòng)作，及時(shí)切斷故障線路。由于采用了低電阻接地系統(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，就會(huì)產(chǎn)生高達(dá)幾百安培的接地電流，必須設(shè)置零序電流保護(hù)，迅速可靠地將這個(gè)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)由于綜合地線中有牽引供電系統(tǒng)回流通過，綜合地線中電流可達(dá)幾十安培甚至上百安培電流通過，如果電纜金屬層采用兩端接地，則電纜金屬層成為綜合地線的并聯(lián)回路，電纜金屬層長(zhǎng)期有電流通過勢(shì)必會(huì)造成電纜發(fā)熱，甚至有電纜燒毀的危險(xiǎn)，因此，滬杭線電力貫通線電纜金屬層的接地方式采用的是線路一端單點(diǎn)直接接地的方式，在線路另一端經(jīng)電纜金屬護(hù)層電壓限制器接地。此種方式比采用線路兩端直接接地方式既保證了供電安全性又節(jié)省了投資。

(4)滬杭高速鐵路電力工程設(shè)計(jì)中采用了一系列新設(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)柜采用了全封閉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等。

(5)電力遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全線變配電所無人值班，可在調(diào)度臺(tái)上對(duì)全線的電力設(shè)施進(jìn)行遙測(cè)、遙信、遙控。

5 結(jié)語

電力供電系統(tǒng)是確保調(diào)度指揮、信號(hào)、通信、旅客服務(wù)等系統(tǒng)重要負(fù)荷安全、可靠、不間斷運(yùn)行的基礎(chǔ)設(shè)施，由于滬杭高速鐵路電力供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了新技術(shù)、新材料，保證了供電的可靠性、安全性，也減少了運(yùn)營(yíng)單位的維修工作量。滬杭高速鐵路在試驗(yàn)階段運(yùn)行最高時(shí)速達(dá)到416.6 km，刷新世界鐵路運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)的最高時(shí)速。目前我國(guó)正在大量建設(shè)鐵路客運(yùn)專線，希望本文對(duì)其他客運(yùn)專線電力供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的參考和借鑒作用。

［1］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10621—2009 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2009.

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

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

［4］中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì).GB50217—2007 電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2007.

［5］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10008—2006 鐵路電力設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2006.