10kV電纜長大線路在普速鐵路供電線路中的應用

殷 茵，尤立寶

0 引言

目前，普速鐵路10 kV 電力線路以架空電力線路為主，架空電力線路的導線大部分采用裸導線進行架設，近年來樹害及其他自然災害造成的故障頻發(fā)，對沿線重要負荷的安全可靠供電造成了極大威脅。據(jù)運行統(tǒng)計，2006年以來發(fā)生多次倒樹及冰害、雪害停電故障，嚴重影響了通信信號等一級負荷的供電。某鐵路局2013年普速鐵路電力線路故障停電分析中，樹害占42%，地方電源波動占20%，雷電影響占18%，線路設備故障占11%，其他原因占9%。從分析中可知由樹害及雷電天氣導致的 10 kV 電力線路接地故障占鐵路電力線路故障的60%左右，因危樹及雷電引發(fā)的設備故障給安全行車秩序帶來巨大隱患。針對因環(huán)境、危樹等引起的線路故障，解決方案有增加運營維護人力、與林業(yè)部門簽訂長期修剪協(xié)議、更換絕緣導線、改變架空徑路、線路全電纜入地等5 種。

各個鐵路局目前采用第2、3、4 種方案居多，但是并不能完全消除由于環(huán)境和危樹等引起的線路故障，并且每年都需要持續(xù)投資，也并未有效減少運營維護成本。高鐵建設中，10 kV 電力線路采用全電纜敷設方式，從根本上消除了外界環(huán)境引起的線路故障。能否針對普速鐵路的特點，將高鐵技 術結合既有現(xiàn)狀進行適當改造，在解決運營安全問題的同時也提升設備運行品質，成為目前亟待解決的課題。下文針對全電纜敷設在普速鐵路的應用做一探討。

1 架空線路與高壓電纜線路方案的比較

架空線路的優(yōu)點是結構簡單，架設方便，投資少；散熱條件好；發(fā)生故障便于查找及處理。缺點是易受環(huán)境條件，如冰、風、雨、雪、溫度、化學腐蝕、雷電等的影響，發(fā)生短路、接地故障幾率大；既有線路改造時還會產(chǎn)生青苗及征地等大量的糾紛，并導致投資增加等問題，不易架設。

電纜線路的優(yōu)點是不易受周圍環(huán)境和污染的影響，送電可靠性高；可敷設于鐵路路基坡腳，較少產(chǎn)生青苗及征地問題。缺點是成本高，一次性投資費用比較大；電纜故障測尋與維修較難。

鐵路建設初期，資金和物資短缺，高壓電纜及其配件難以滿足輸配電工程所需，如今高壓電纜制造工藝趨于成熟，護層及絕緣層材料絕緣水平也大大提高，電纜頭制作工藝及材料先進，電纜頭本身故障率大大降低；各個車站均已按電力遠動功能設計，并配置了電纜線路故障探測儀，因此，普速鐵路10 kV 電力線路完全具備改造條件，改為全電纜線路后，電纜故障區(qū)段判斷時間大大縮短，電纜故障測尋與維修較難的缺點也逐步改善，全電纜方案優(yōu)勢將得到充分發(fā)揮。

2 接地方式的選擇

由于高壓電纜長大線路具有很高的電容電流，危害性極大，同時結合電纜結構的特殊性，鐵路10 kV 配電系統(tǒng)接地方式發(fā)生很大變化，需要進行詳細計算和認真比選。

三相交流電力系統(tǒng)中發(fā)電機或電源變壓器（調壓器）中性點與大地間的電氣連接方式，稱為電網(wǎng)中性點接地方式。中性點接地方式涉及電網(wǎng)的安全可靠性、經(jīng)濟性，同時直接影響系統(tǒng)設備絕緣水平的選擇、過電壓水平及繼電保護方式、通訊干擾等。

目前普速鐵路10 kV 電力系統(tǒng)普遍采取中性點不接地方式，屬于小電流接地系統(tǒng)。在小電流接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時，由于中性點非有效接地，故障點不會產(chǎn)生大的短路電流，因此允許系統(tǒng)短時間帶故障運行。這對減少用戶停電時間，提高供電可靠性是非常有意義的。既有鐵路10 kV 電力線路以架空線路為主，裸露在空氣中的架空線路受自然環(huán)境影響極易發(fā)生單相接地，但相當部分接地故障屬于瞬時故障，能夠自行恢復正常供電，因此在中性點不接地方式下，允許系統(tǒng)短時帶故障運行，不影響區(qū)間負荷連續(xù)用電，確保了供電可靠性。

《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》（DL/T620-1997）第3.1.2 條：“3～10 kV 不直接連接發(fā)電機的系統(tǒng)和35 kV、66 kV 系統(tǒng)，當單相接地故障電容電流不超過下列數(shù)值時，應采用不接地方式；當超過下列數(shù)值又需要在接地故障條件下運行時，應采用消弧線圈接地方式：3～10 kV 電纜線路構成的系統(tǒng)，30 A。”經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，發(fā)生單相接地故障時暫時允許運行2 h，在單相接地時，其它兩相對地電壓要升高到線電壓，即升高為原對地電壓的倍。

國內110 kV 及以上電網(wǎng)一般采用大電流接地方式，即中性點有效接地方式，包括中性點直接接地和中性點經(jīng)低電阻接地。這樣中性點電位固定為地電位，發(fā)生單相接地故障時，非故障相電壓升高不會超過1.4 倍運行相電壓；暫態(tài)過電壓水平也較低；故障電流很大，繼電保護能迅速動作于跳閘，切除故障，系統(tǒng)設備承受過電壓時間較短。

綜合上述分析，民樂礦區(qū)與成礦相關的英安斑巖成巖年齡為228±56 Ma～220.79±1.02 Ma，流紋斑巖的形成年齡234.8±2.4 Ma，輝銅礦礦石的成礦年齡為220 Ma(黃震，2005)，其成礦年齡總體與礦區(qū)火山巖、英安斑巖的成巖年齡一致，指示英安斑巖的成巖時代和礦床成礦時代屬于同一時期。

《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》 （DL/T620-1997）第3.1.4 條：“6～35 kV 主要由電纜線路構成的送、配電系統(tǒng)單相接地故障電容電流較大時，可采用低電阻接地方式，但應考慮供電可靠性要求、故障時瞬態(tài)電壓、瞬態(tài)電流對電氣設備的影響、對通信的影響和繼電保護技術要求以及本地的運行經(jīng)驗等?！薄陡咚勹F路設計規(guī)范（試行）》TB10621-2009：經(jīng)調壓器供電的10 kV 電力貫通線路，全電纜線路宜采用低電阻接地方式，接地故障按瞬時跳閘方式選擇。

普速鐵路既有10 kV 電力線路，一個供電臂長度為60～80 km，電纜單相接地電容電流為

Ic= (95 + 1.44S)×Ur×l / (2 200 + 0.23S)

式中，S 為電纜截面，mm2；Ur為線路額定線電壓，kV；l 為線路長度，km；Ic為接地電容電流，A。

以60 km 的供電臂為例，若采用截面為70 mm2的電纜線路，經(jīng)計算單相接地電容電流約為53 A。

（1）方案一：中性點經(jīng)低電阻接地方式。該方案能對接地故障迅速做出反應，不會引起事故范圍擴大。

存在問題：由于配電所需具備跨所供電和反向供電能力，全電纜改造區(qū)段終端配電所一段自閉為全電纜線路，另一段自閉仍以架空線路為主，架空線路受自然環(huán)境因素影響較大，一旦發(fā)生線路單相接地，即使是瞬時故障，線路能自行恢復正常運行，配電所保護裝置也立即動作跳閘，不能在發(fā)生單相接地故障后運行2 h 以供查找故障的運行模式。

存在問題：電力電纜區(qū)段發(fā)生單相接地故障時，故障電流小，繼電保護不能迅速動作于跳閘，切除故障，系統(tǒng)設備承受過電壓時間較長。

（3）方案三：中性點不接地方式。該方案可帶故障運行2 h，不中斷供電。

由于接地方式主要取決于單相接地電容電流，單相接地電容電流又取決于電纜截面和電纜線路長度，以供電臂為單位進行改造時，經(jīng)計算單相接地電容電流約為53 A，超過30 A 的規(guī)定范圍，按照有關規(guī)范要求，不能采用中性點不接地方式。若僅對危樹區(qū)段進行電纜改造，如長度小于35 km，可實現(xiàn)供電臂短的區(qū)段故障電容電流小于30 A，從而采用中性點不接地方式，實現(xiàn)配電所自閉線路與貫通線路統(tǒng)一接地方式。

存在問題：受線路長度影響較大，若該供電臂其他部分再發(fā)生局部改造，故障電容電流很容易大于30 A，該方案只在短期內可行。

綜上分析，得出結論：方案三只能短期內適應局部改造的情況，從長遠來看，并不可取。而方案一和方案二理論上皆可行，所不同的是，發(fā)生線路單相接地后，是瞬時切斷還是延時2 h 內查找故障點再切斷的保護方式，可具體結合運營單位實際運營情況選擇。由于高壓電纜一旦接地幾乎即為永久接地，高壓電纜不易散熱，接地后電纜溫度升高，處理不及時容易發(fā)展為更嚴重的事故，從而中斷供電，且供電臂較長，單相接地電容電流較大，因此建議選擇經(jīng)小電阻接地方式，發(fā)生電纜接地故障后立即切斷，利用電力遠動系統(tǒng)及配電所微機保護裝置，在電纜線路發(fā)生單相接地故障后，迅速進行手動隔離故障線路段，恢復非故障線路段的供電。

3 保護設置

由于全電纜線路故障電容電流較大，需設置電抗補償，本段采用集中與分散相結合的補償方式，即在配電所設電抗器集中補償，區(qū)間各車站設置箱式電抗器分散補償，以各車站分散式電抗器補償為主，配電所集中補償為輔。

在普速鐵路線路中，如10 kV 供電線路全部采用電力電纜線路，需要加強和完善配電所微機保護和電力遠動系統(tǒng)，使故障線路的檢測，各種物理量的采集、處理更有效和完備，增加電力電纜在線監(jiān)測功能并結合先進的測試儀器，使電力線路發(fā)生單相接地故障后，能夠迅速確定故障點并予以排除，縮短非故障區(qū)段恢復供電時間，提高供電可靠性。

4 結語

綜上所述，在長大普速鐵路改造中，一般涉及電力線路里程較長，一條線路往往由2～3 個鐵路局分段管理，且改造費用較高，除非是整條線路全線改造，否則無論是選擇以上3 種接地方式中的哪一種，均會存在改造區(qū)段終端配電所在進行反向或跨所供電時接地方式不合理的情況。因此，建議改造時終端配電所自閉（貫通）母線按上下行進行分段，分別設置調壓器，架空電力線路為主的供電側調壓器采用中性點不接地方式，全電纜（或以電纜為主）電力線路的供電側調壓器采用中性點經(jīng)小電阻的接地方式，并分別設置補償裝置。