提高鐵路客運(yùn)專(zhuān)線牽引供電系統(tǒng)可靠性的探討

鐘永發(fā)

0 引言

鐵路客運(yùn)專(zhuān)線牽引供電系統(tǒng)主要由牽引變電所、饋電線、接觸網(wǎng)、回流線等組成，是鐵路客運(yùn)專(zhuān)線的重要組成部分，一旦牽引供電系統(tǒng)發(fā)生故障，將給鐵路客運(yùn)專(zhuān)線運(yùn)輸造成嚴(yán)重影響。因此，有必要采取措施提高牽引供電系統(tǒng)的可靠性，確保鐵路客運(yùn)專(zhuān)線安全可靠運(yùn)營(yíng)。

1 牽引供電系統(tǒng)主要存在問(wèn)題及分析

根據(jù)近年來(lái)已建成運(yùn)營(yíng)的武廣線、京滬線、福廈線等客運(yùn)專(zhuān)線運(yùn)行狀況的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，牽引供電系統(tǒng)主要存在4類(lèi)常見(jiàn)問(wèn)題：高壓電纜故障、雷擊故障、電氣絕緣故障和供電系統(tǒng)靈活性較差。

1.1 高壓電纜故障分析

鐵路客運(yùn)專(zhuān)線的牽引變電所、AT所、分區(qū)所的27.5 kV饋出線大部分采用高壓電纜架設(shè)，牽引變電所進(jìn)出高壓室開(kāi)關(guān)柜的線路也大都采用高壓電纜敷設(shè)。在實(shí)際施工和運(yùn)營(yíng)管理中，由于存在高壓電纜材質(zhì)不良，電纜敷設(shè)不規(guī)范，電纜頭制作質(zhì)量不高，電纜金屬護(hù)套接地方式選取不當(dāng)，以及對(duì)電纜的監(jiān)測(cè)和維護(hù)不到位等原因，導(dǎo)致高壓電纜故障頻繁發(fā)生，影響供電安全。

1.2 雷擊故障分析

鐵路客運(yùn)專(zhuān)線大部分采用高架橋建設(shè)方式，接觸網(wǎng)通常處在距地面較高的位置，在線路經(jīng)過(guò)平原或地域空曠地帶，由于避雷措施設(shè)置不合理，防雷接地不良等原因，接觸網(wǎng)極易遭受雷電侵襲，引發(fā)供電故障。

1.3 電氣絕緣故障分析

鐵路客運(yùn)專(zhuān)線主要采用AT牽引供電方式，牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，導(dǎo)線數(shù)量較多，在接觸網(wǎng)支柱上既懸掛有承力索、接觸線，又懸掛有正饋線、保護(hù)線、設(shè)備引線等附加導(dǎo)線，因此，導(dǎo)線之間的空氣絕緣間隙，以及導(dǎo)線對(duì)跨線建筑物、隧道及地面的凈空要求較高。但由于工程設(shè)計(jì)和實(shí)施中對(duì)導(dǎo)線的絕緣間隙設(shè)置不合理，控制不到位，日常運(yùn)營(yíng)管理中對(duì)絕緣部件清掃不及時(shí)，對(duì)導(dǎo)線附近的建筑物、樹(shù)木、鳥(niǎo)窩、覆冰等物體防護(hù)處置不當(dāng)，容易造成電氣絕緣不良而引發(fā)供電故障。

1.4 供電系統(tǒng)靈活性較差分析

鐵路客運(yùn)專(zhuān)線牽引供電系統(tǒng)由于設(shè)計(jì)上存在缺陷，如牽引變電所一次側(cè)未設(shè)置內(nèi)跨條，牽引變電所27.5 kV饋出線未設(shè)置備用斷路器，接觸網(wǎng)供電單元設(shè)置不合理，變電所饋線隔離開(kāi)關(guān)未采用單極隔離開(kāi)關(guān)等原因，導(dǎo)致?tīng)恳╇娫O(shè)備發(fā)生故障時(shí)，供電系統(tǒng)顯得靈活性不夠，不能通過(guò)系統(tǒng)倒閘，及時(shí)切除故障，迅速恢復(fù)正常設(shè)備運(yùn)行，往往造成故障影響范圍較大。

2 提高牽引供電系統(tǒng)可靠性的措施

根據(jù)當(dāng)前鐵路客運(yùn)專(zhuān)線牽引供電系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題，結(jié)合客運(yùn)專(zhuān)線設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)實(shí)際，提出如下建議和措施，以提高鐵路客運(yùn)專(zhuān)線牽引供電系統(tǒng)的可靠性。

2.1 減少高壓電纜故障的措施

（1）確保高壓電纜材料質(zhì)量。鐵路客運(yùn)專(zhuān)線牽引供電系統(tǒng)使用的高壓電纜應(yīng)選用交流、單芯、銅導(dǎo)體，保護(hù)層為非磁性金屬鎧裝層的電氣化鐵道27.5 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜，不得采用35 kV普通電力電纜代替。電纜進(jìn)場(chǎng)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)定核對(duì)電纜規(guī)格型號(hào)，檢查電纜外觀質(zhì)量，并對(duì)電纜的耐壓試驗(yàn)、泄漏電流和絕緣電阻等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行抽檢，嚴(yán)禁不合格電纜進(jìn)場(chǎng)使用。

（2）嚴(yán)格控制電纜頭制作質(zhì)量。電纜頭是高壓電纜中絕緣最為薄弱的部位，施工中必須高度重視電纜頭的制作質(zhì)量，應(yīng)由具有高壓電纜頭制作資質(zhì)的專(zhuān)業(yè)人員，嚴(yán)格按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和操作規(guī)范要求制作，并對(duì)電纜頭制作過(guò)程留存影像，建立檔案資料，做到專(zhuān)人制作，責(zé)任到人，確保高壓電纜頭的制作質(zhì)量。電纜頭的固定應(yīng)選用不損傷電纜外皮的專(zhuān)用卡具，并選擇適當(dāng)?shù)奈恢霉潭?，?yán)禁斜拉和硬扭而損傷電纜頭。

（3）規(guī)范電纜敷設(shè)。電纜敷設(shè)嚴(yán)格按照工藝標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，電纜的彎曲半徑不得小于電纜外徑的15～20倍，施工時(shí)注意不得損傷電纜；上下行供電線電纜應(yīng)分溝敷設(shè)，避免其中一條電纜擊穿時(shí)燒毀相鄰電纜，造成上下行同時(shí)中斷；電纜穿越道路、鐵路時(shí)，應(yīng)采用高強(qiáng)度PVC管穿管敷設(shè)，保護(hù)管的內(nèi)徑不小于電纜外徑的1.5倍，保護(hù)管的彎曲半徑不小于其外徑的10倍；每條饋線至少敷設(shè)1根備用電纜；用作供電線的電纜必須敷設(shè)在電力電纜槽內(nèi)時(shí)，應(yīng)采取措施與電力電纜進(jìn)行隔離。

（4）設(shè)置電纜溫度在線監(jiān)測(cè)裝置。為加強(qiáng)對(duì)高壓電纜的在線監(jiān)測(cè)，應(yīng)對(duì)牽引供電系統(tǒng)所有的高壓電纜和電纜頭設(shè)置在線溫度監(jiān)測(cè)裝置，當(dāng)運(yùn)行中高壓電纜和電纜頭溫度異常變化時(shí)，監(jiān)測(cè)裝置能及時(shí)告警，并提醒值班人員進(jìn)行處理，有效預(yù)防和減少高壓電纜故障對(duì)牽引供電系統(tǒng)的影響。

（5）選取合適的電纜護(hù)套接地方式。根據(jù)電氣化鐵道27.5 kV專(zhuān)用電纜的特點(diǎn)，電纜接地方式宜采用下列原則：電纜長(zhǎng)度小于1 km時(shí)，采用一端直接接地，另一端保護(hù)接地方式；電纜長(zhǎng)度為1～2 km時(shí)，采用電纜中間接地，兩端保護(hù)接地方式；電纜長(zhǎng)度大于2 km時(shí)，采用金屬護(hù)套交叉互聯(lián)接地方式。保護(hù)層電壓限制器的選擇應(yīng)符合《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。

（6）采用明線架空方式。由于高壓電纜投資大，而且發(fā)生故障時(shí)存在查找困難，恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)等問(wèn)題，因此，有條件的地段，線路盡量采用明線架空方式，減少高壓電纜的使用。

2.2 預(yù)防雷擊故障的措施

（1）確保避雷器運(yùn)行狀態(tài)良好。牽引供電系統(tǒng)的避雷器應(yīng)選用帶有脫離器的氧化鋅避雷器，并加強(qiáng)避雷器的進(jìn)場(chǎng)質(zhì)量驗(yàn)收，確保避雷器的規(guī)格、型號(hào)、質(zhì)量符合設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，避雷器的密封性能良好，無(wú)裂紋和破損，電氣性能符合《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》GB50150的規(guī)定。運(yùn)行中，嚴(yán)格按照檢修工藝標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)避雷器的巡視檢查和檢修，發(fā)現(xiàn)缺陷及時(shí)更換或處理，確保避雷器處于良好的運(yùn)行狀態(tài)。

（2）合理設(shè)置避雷器。接觸網(wǎng)防雷的主要措施是在接觸網(wǎng)上設(shè)置避雷器，遭受雷擊時(shí)迅速將雷電流泄入大地，從而保證接觸網(wǎng)絕緣子及導(dǎo)線空氣絕緣間隙不被擊穿。為提高鐵路客運(yùn)專(zhuān)線防雷水平，宜在以下處所設(shè)置避雷器：接觸網(wǎng)分相及錨段關(guān)節(jié)處，隧道兩端，供電線和正饋線上網(wǎng)點(diǎn)，高壓電纜與架空線路的轉(zhuǎn)換處，架空電纜線路的兩端。在重污染和強(qiáng)雷區(qū)應(yīng)適當(dāng)增加避雷器設(shè)置數(shù)量或增設(shè)避雷線，并根據(jù)需要考慮增加絕緣子爬距。

（3）利用保護(hù)線（PW 線）兼作避雷線。鐵路客運(yùn)專(zhuān)線接觸網(wǎng)支柱上安裝有PW線，主要作為牽引供電回流使用。由于PW線一般安裝在正饋線（AF線）和承力索下方，對(duì)接觸網(wǎng)不能起到有效防雷的作用。因此，可以考慮參照電力系統(tǒng)的做法，在高、強(qiáng)雷地區(qū)，將PW線設(shè)置在接觸網(wǎng)支柱頂部（圖 1），利用 PW 線既作為回流線，也作為接觸網(wǎng)的避雷線。PW線兼作避雷線的架設(shè)高度應(yīng)考慮保護(hù)角的問(wèn)題。

圖1 PW線兼作避雷線示意圖

（4）做好防雷接地。接觸網(wǎng)遭受雷擊后因防雷接地不良而造成避雷失效也是引起牽引供電系統(tǒng)故障的主要原因之一，因此必須重視牽引供電系統(tǒng)的防雷接地問(wèn)題。避雷器應(yīng)做到2點(diǎn)單獨(dú)接地，接地電阻不大于 10 ?，接地點(diǎn)不得與綜合貫通地線連通，防止雷電流通過(guò)綜合貫通地線對(duì)通信、信號(hào)等設(shè)備造成影響。

2.3 防止電氣絕緣故障的措施

（1）嚴(yán)格控制導(dǎo)線之間及導(dǎo)線對(duì)地的絕緣間隙。導(dǎo)線之間及導(dǎo)線對(duì)地的絕緣間隙應(yīng)考慮溫度變化，風(fēng)速（包括動(dòng)車(chē)高速運(yùn)行引起的活塞風(fēng)）和覆冰等影響因素，按最不利情況進(jìn)行校核。在AT供電方式中，宜按下列原則控制導(dǎo)線絕緣間隙：AF線與PW線的距離不小于1 000 mm；盡量減少AF線與承力索的交叉跨越，必須交叉跨越時(shí)，應(yīng)保證AF線距承力索的距離不小于1 200 mm，并在交叉點(diǎn)的AF線和承力索上設(shè)置絕緣護(hù)套；AF線、供電線及接觸網(wǎng)等帶電部分通過(guò)隧道或上跨建筑物時(shí)，必須確保絕緣間隙不小于700 mm，并對(duì)隧道口和進(jìn)出跨線建筑物處的導(dǎo)線安裝絕緣護(hù)套。

（2）縮短絕緣子清掃周期。鐵路客運(yùn)專(zhuān)線高速運(yùn)行的動(dòng)車(chē)組卷起的灰塵對(duì)絕緣子的污染較為嚴(yán)重，特別是隧道內(nèi)及有砟軌道線路，污染更加明顯。因此，運(yùn)營(yíng)部門(mén)應(yīng)根據(jù)線路污染情況適當(dāng)縮短絕緣子的清掃周期，對(duì)于重污區(qū)段的絕緣子應(yīng)增加絕緣子的爬距或采用合成絕緣子。

（3）加強(qiáng)供電設(shè)備的巡視檢查。鐵路客運(yùn)專(zhuān)線上高速運(yùn)行的動(dòng)車(chē)組產(chǎn)生的風(fēng)速，對(duì)線路附近樹(shù)木、建筑物等產(chǎn)生極大的影響，容易造成樹(shù)木侵線，建筑物上的物體散落，危及行車(chē)及供電安全。因此，必須加強(qiáng)日常設(shè)備巡視工作，及時(shí)清理侵線樹(shù)木、鳥(niǎo)窩、覆冰等危及供電安全的物體，同時(shí)對(duì)接觸網(wǎng)、供電線附近的車(chē)站雨棚、房屋、防護(hù)柵欄、廣告牌等建筑物，及時(shí)要求產(chǎn)權(quán)單位遷移或進(jìn)行加固處理，并重點(diǎn)巡查盯防，消除隱患。

（4）重點(diǎn)處所設(shè)置視頻監(jiān)控。為有效預(yù)防和減少牽引供電故障的發(fā)生，應(yīng)在隧道口、大型車(chē)站兩端、分相、供電線上網(wǎng)點(diǎn)等接觸網(wǎng)的重要處所設(shè)置視頻監(jiān)控裝置，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理設(shè)備安全隱患，提高牽引供電的可靠性。

2.4 增強(qiáng)牽引供電系統(tǒng)的靈活性

（1）牽引變電所高壓側(cè)設(shè)置內(nèi)跨條。為提高牽引變電所的供電可靠性，應(yīng)在變電所的高壓側(cè)設(shè)置內(nèi)跨條（如圖2虛線所示），確保牽引變電所進(jìn)線電源或主變壓器發(fā)生異常情況時(shí)，系統(tǒng)能靈活倒閘，改變運(yùn)行方式，從而提高牽引變電所供電的可靠性。

圖2 變電所高壓側(cè)設(shè)置內(nèi)跨條示意圖

（2）增強(qiáng)27.5 kV饋出線的供電靈活性。在變電所27.5 kV饋線側(cè)上下行饋線間增設(shè)1組備用斷路器，實(shí)現(xiàn)對(duì)上下行饋線斷路器的備用；變電所饋線隔離開(kāi)關(guān)采用2臺(tái)單極開(kāi)關(guān)設(shè)置。這樣當(dāng)饋線設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，能迅速切除故障設(shè)備，投入正常設(shè)備恢復(fù)供電。

（3）合理設(shè)置接觸網(wǎng)供電單元。鐵路客運(yùn)專(zhuān)線動(dòng)車(chē)組靠接觸網(wǎng)獲取電能工作，而接觸網(wǎng)沒(méi)有備用，一旦發(fā)生故障，將影響動(dòng)車(chē)組的正常工作，因此，應(yīng)通過(guò)合理設(shè)置接觸網(wǎng)供電單元，以確保在接觸網(wǎng)故障情況下，能迅速切除故障點(diǎn)，縮小故障范圍，盡量減少對(duì)動(dòng)車(chē)組的影響。供電單元設(shè)置可參考以下原則：每個(gè)車(chē)站設(shè)置一個(gè)獨(dú)立供電單元；每條供電臂設(shè)置2個(gè)獨(dú)立供電單元，在供電臂中間或AT所供電線上網(wǎng)點(diǎn)處劃分設(shè)置；長(zhǎng)大隧道設(shè)置獨(dú)立供電單元，超過(guò)6 km以上的隧道，按每3 km設(shè)置一個(gè)獨(dú)立供電單元。供電單元之間的聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)實(shí)行遠(yuǎn)動(dòng)控制。

3 結(jié)語(yǔ)

鐵路客運(yùn)專(zhuān)線牽引供電系統(tǒng)的可靠性涉及設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)管理等多個(gè)環(huán)節(jié)。為提高牽引供電系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)從已經(jīng)開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的鐵路客運(yùn)專(zhuān)線牽引供電系統(tǒng)發(fā)生的常見(jiàn)故障類(lèi)型入手，深入分析原因，認(rèn)真總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，并在該基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高施工質(zhì)量，加強(qiáng)運(yùn)營(yíng)管理，避免新建客運(yùn)專(zhuān)線牽引供電系統(tǒng)出現(xiàn)類(lèi)似問(wèn)題，為鐵路客運(yùn)專(zhuān)線運(yùn)輸提供安全可靠的供電保障。

[1]TB10621-2009 中華人民共和國(guó)鐵道部.高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范（試行）[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2010.

[2]TB10009-2005 中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2005.

[3]TB10758-2010 中華人民共和國(guó)鐵道部.高速鐵路電力牽引供電工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2011.

[4]南昌鐵路局.南昌鐵路局客運(yùn)專(zhuān)線設(shè)施維修管理規(guī)定.南昌，2012.