提高鐵路電力系統(tǒng)抗擊冰雪災(zāi)害能力的探討

陳續(xù)全

0 引言

2008年春節(jié)前夕，湖南省大部分地區(qū)發(fā)生罕見(jiàn)的冰雪災(zāi)害，造成廣州鐵路集團(tuán)公司管內(nèi)長(zhǎng)沙供電段大面積的信號(hào)停電故障，京廣線行車(chē)中斷，廣州車(chē)站大量旅客滯留。下文就次雪災(zāi)對(duì)鐵路電力設(shè)備的影響、原因分析、提高鐵路電力設(shè)備抗擊特大雪災(zāi)能力進(jìn)行探討。

1 雪災(zāi)故障原因

（1）株洲—白石渡間的6個(gè)鐵路10 kV配電所10條電源線因地方110 kV變電站停電而失電，該段總電源線數(shù)量為15條，占2/3。

（2）株洲—白石渡間330 km 10 kV自閉、貫通架空線路，特別是淦田—衡陽(yáng)，耒陽(yáng)—白石渡間由于導(dǎo)線嚴(yán)重覆冰，超過(guò)設(shè)計(jì)張力，造成部分電桿開(kāi)裂、倒桿、橫擔(dān)金具扭曲、瓷瓶炸裂、斷線等，進(jìn)而引起短路、接地或斷路故障。據(jù)統(tǒng)計(jì)電桿開(kāi)裂、倒桿56根，橫擔(dān)扭曲變形347組，拉線斷裂或地錨被拉出69組，導(dǎo)線斷線45處，瓷瓶故障163個(gè)；

（3）地方110 kV線路及以上交叉跨越鐵路處發(fā)生斷線42處，造成10 kV自閉、貫通線2條線路同時(shí)短路。

（4）嚴(yán)重覆冰的樹(shù)木傾覆，造成鐵路 10 kV自閉貫通電力線路短路、接地或斷相故障而斷電的有若干處（無(wú)法統(tǒng)計(jì)）。

第1類(lèi)故障是需要地方電業(yè)局提高抗災(zāi)能力，后3類(lèi)故障是本文重點(diǎn)探討的。

2 抗擊冰雪災(zāi)害能力差

（1）電力設(shè)備陳舊老化。雪災(zāi)中受損的設(shè)備運(yùn)行時(shí)間均超過(guò)10年，10 kV自閉線路建成于1984—1985年，投入運(yùn)行23年，10 kV貫通線路建成于1996—1997年，投入運(yùn)行11年。

（2）架空電力線路抗惡劣天氣能力差。2008年冰雪災(zāi)害為五十年一遇的特大災(zāi)害，南方0℃以下的低溫時(shí)間持續(xù)長(zhǎng)，導(dǎo)線最大覆冰厚度達(dá)到50 mm，電桿最大覆冰厚度達(dá)到120 mm。而京廣線10 kV貫通線按十年一遇氣象條件為Ⅴ區(qū)設(shè)計(jì)，最大覆冰厚度10 mm。電力線路受損原因如下：

a.由于覆冰嚴(yán)重，導(dǎo)線承受了2倍的安全負(fù)載（以貫通線 LGJ-70導(dǎo)線為例，每米導(dǎo)線自重0.275 kg，外徑11.4 mm，計(jì)算可得覆冰為10 mm冰重每米 0.234 kg，覆冰 50 mm冰重每米約0.828 kg，是正常覆冰情況下的2倍，是沒(méi)覆冰時(shí)的4.01倍），導(dǎo)線的張力與負(fù)載成正比（同溫度、同檔距、同弛度條件下），導(dǎo)線拉力增加，加上鋼芯鋁絞線運(yùn)行已達(dá)13～25年，內(nèi)部承受張力的鋼芯已嚴(yán)重銹蝕，允許應(yīng)力下降，造成斷線。

b.由于承受4倍的張力和長(zhǎng)期低溫，導(dǎo)致橫擔(dān)金具扭曲、瓷瓶炸裂、抱箍拉線等金屬部件出現(xiàn)裂跡或斷落。

c.由于導(dǎo)線斷線，瞬時(shí)沖擊力作用最大的電桿斷裂，相鄰電桿發(fā)生裂紋。

（3）部分10 kV貫通線所處環(huán)境條件惡劣：

a.部分 10 kV貫通線穿越山區(qū)，跨越大江大河，檔距更大，導(dǎo)線覆冰后更容易造成斷線。

b.與地方110 kV以上電力線路的交叉跨越，當(dāng)線路發(fā)生斷線故障必掉落在自閉、貫通線路上，造成短路。

c.不少地段穿越林區(qū)，冰雪天氣下這些區(qū)段樹(shù)木倒覆，壓在導(dǎo)線上，造成斷線、單相接地、多相多點(diǎn)接地短路故障。

3 抗擊冰雪災(zāi)害能力的方案比較

（1）10 kV自閉、貫通電力線路方面。從該次冰災(zāi)鐵路電力系統(tǒng)電力故障的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，同一區(qū)段10 kV自閉、貫通電力線路均發(fā)生故障，說(shuō)明在該區(qū)段10 kV自閉、貫通電力線路的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)抗災(zāi)能力較低，因此有必要對(duì)其進(jìn)行改造。

方案1：10 kV自閉、貫通線路全部改為電纜。

該方案優(yōu)點(diǎn)是基本避免了各種不利因素（大風(fēng)、雨雪、洪水、交叉跨越、樹(shù)木侵害、外力破壞等）對(duì)鐵路自閉、貫通線路的影響，供電可靠性高。缺點(diǎn)是雙電纜方案投資高（約60萬(wàn)元/公里，需投資近2億元，未計(jì)列設(shè)備費(fèi)用），且原架空線路完全廢棄。

方案2：考慮10 kV自閉線路運(yùn)行20多年，接近第2個(gè)大修周期，全部改為全電纜；10 kV貫通線仍維持架空，但對(duì)局部地段進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

該方案優(yōu)點(diǎn)是自閉線改為電纜后，可最大程度的減少外部條件對(duì)自閉線的影響，降低故障率，保證在絕大多數(shù)情況下鐵路至少有一路電源可用。

10 kV自閉、貫通線一纜一架方案相對(duì)雙電纜方案投資節(jié)省，且僅自閉線廢棄，改造工作量也相對(duì)減少。

雪災(zāi)情況下，對(duì)單電纜貫通線和雙電纜貫通線供電可靠性指標(biāo)進(jìn)行比較，計(jì)算模型選長(zhǎng)度為50 km的供電臂，共20個(gè)負(fù)荷點(diǎn)，分支線的長(zhǎng)度均為 500 m，每段貫通線長(zhǎng)度相同，環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)有20個(gè)負(fù)荷點(diǎn)，負(fù)荷點(diǎn)之間平均間距長(zhǎng)2 500 m。變電站采用10 kV單母線分段的接線方式，考慮外部電源均停電，各配電所只有一路發(fā)電機(jī)情況。計(jì)算得出系統(tǒng)綜合指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)綜合指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

從表1可以看出，雙電纜貫通線路平均供電可用率指標(biāo)比單電纜貫通線路高出0.08%，即在罕見(jiàn)的自然災(zāi)害下，如果一條架空貫通線全停電時(shí)，另外一條全電纜貫通線可以滿足與行車(chē)密切相關(guān)的通信信號(hào)等特別重要的一級(jí)負(fù)荷供電要求。

根據(jù)比較，建議在京廣線株洲—白石渡間電力抗災(zāi)改造中采用方案2。

（2）適當(dāng)提高鐵路電力架空線路的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

a.在新建或改造項(xiàng)目中適當(dāng)提高電力架空線路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，與國(guó)家電網(wǎng)公司建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)保持一致，將110～330 kV電力線路氣象條件重現(xiàn)期由15年提高到30年一遇；10～35 kV電力線路氣象條件重現(xiàn)期由10年提高到15或30年一遇。對(duì)重要線路和特殊區(qū)段采取差異化設(shè)計(jì)，提高安全設(shè)防水平，確保供電設(shè)施的安全可靠。

b.對(duì)于跨越鐵路的電力線路加強(qiáng)改造。對(duì)于跨越鐵路的10 kV及以下的電力線路（包括自閉線、貫通線以及地方電力線路）全部改為電纜過(guò)軌。對(duì)于跨越鐵路的110 kV及以上電力線路應(yīng)采用獨(dú)立耐張段，桿塔結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取 1.1，要求 35～330 kV線路重現(xiàn)期由15年提高到30年一遇，或者要求采用電纜過(guò)軌。500 kV線路由30年提高到50年，桿塔離鐵路的距離應(yīng)滿足對(duì)倒桿距離要求。地方110 kV線路同時(shí)跨越鐵路及10 kV自閉、貫通電力線路時(shí)，則將自閉、貫通線在交叉檔內(nèi)改為電纜。

c.設(shè)置鐵路應(yīng)急電源。該次雪災(zāi)中地方電網(wǎng)停電事故頻發(fā)，造成鐵路配電所失電，可見(jiàn)在災(zāi)害天氣下，地方電網(wǎng)并不是十分可靠的。因此有必要設(shè)置鐵路應(yīng)急電源。

方案1：各車(chē)站均設(shè)置低壓柴油發(fā)電機(jī)，作為特別重要的一級(jí)負(fù)荷的應(yīng)急電源。該方案的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行；缺點(diǎn)是日常維護(hù)工作量大，大部分設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間閑置，且并不能保證區(qū)間的通信信號(hào)負(fù)荷供電。

方案2：在配電所、大型站集中備用應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組或在供電段配置移動(dòng)式高壓柴油發(fā)電機(jī)組，應(yīng)急情況下可向10 kV自閉線供電以確保沿線各站、區(qū)間通信信號(hào)、應(yīng)急照明等特別重要負(fù)荷供電。該方案的優(yōu)點(diǎn)是維護(hù)工作量小，能保證區(qū)間通信信號(hào)負(fù)荷供電。經(jīng)比較，建議在各配電所間或間隔一個(gè)配電所、大型站集中備用應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組，保證鐵路運(yùn)輸電力供電的需要。

4 結(jié)語(yǔ)

為提高鐵路電力系統(tǒng)抗擊冰雪災(zāi)害能力，應(yīng)將鐵路10 kV自閉改電纜、貫通電力線路局部補(bǔ)強(qiáng)，同時(shí)適當(dāng)提高鐵路電力架空線路的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。以及在配電所、大型站集中設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)方式配置鐵路應(yīng)急電源。

[1] 王新學(xué).電力網(wǎng)及電力系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007.

[2] 孫燕澄. 中華人民共和國(guó)鐵道部鐵路電力設(shè)備安裝標(biāo)準(zhǔn)（第三版）[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，1997.