市域鐵路電力供電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

廖芳芳

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，430063,武漢//教授級高級工程師)

市域鐵路是站間距、速度目標(biāo)等介于鐵路和城市軌道交通兩者之間的一種交通制式。市域鐵路與城市地鐵和輕軌相比，具有速度快、投資少、審批快等特點，還能實現(xiàn)與國家鐵路干線的互聯(lián)互通，增強城市對外輻射能力。市域鐵路的設(shè)計時速一般為120～160 km/h，車站間距短且密度大。近些年來，市域鐵路一般采用2種制式，一種為DC 750～1 500 V直流供電方式，另一種為AC 25 000 V交流供電方式。本文主要針對交流供電制式的市域鐵路進(jìn)行分析與研究。

某市域鐵路車站布置如表1所示。該市城鐵路全長85.9 km。全線共設(shè)置車站16座，其中地下站為4座，地面站為4座，高架站為8座。平均站間距為5.7 km，分別在AK17+900和AK52+300設(shè)置牽引變電所。從表1可以看出，市域鐵路站間距較地鐵長，但比鐵路車站布置密集。因此采用何種電壓等級供電是市域鐵路電力供電系統(tǒng)首要解決的問題。

表1 某市域鐵路車站及車站變壓器布置一覽表

1 中壓網(wǎng)絡(luò)電壓等級的選擇

我國電力系統(tǒng)中壓網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)電壓等級有3種，分別為35 kV、20 kV和10 kV。中壓環(huán)網(wǎng)在市域鐵路供電系統(tǒng)中不僅投資比重大，而且對供電系統(tǒng)的安全可靠性影響很大。因此，中壓環(huán)網(wǎng)的選擇恰當(dāng)與否關(guān)系到整個供電系統(tǒng)設(shè)計是否合理。根據(jù)市域鐵路負(fù)荷分布特點，可以采用如下3種供電方案進(jìn)行比選。

1.1 方案1：10 kV雙貫通供電方案

該方案采用鐵路傳統(tǒng)供電方式，全線新建兩路10 kV電力貫通線路，經(jīng)調(diào)壓器饋出供電。其中，一路為一級負(fù)荷貫通線，另一路為綜合負(fù)荷貫通線，為各車站通信、信號負(fù)荷供電。另外各車站綜合變電所電源均由地方接引兩路10 kV電源。

該方案投資較低，但與城市電網(wǎng)接口太多，受城市電網(wǎng)的影響大，不便于地區(qū)電網(wǎng)系統(tǒng)管理和運行維護(hù)。

1.2 方案2：20 kV雙環(huán)網(wǎng)供電方案

結(jié)合牽引變電所的設(shè)置，與牽引變電所合建110 kV/20 kV變配電所。由于20 kV供電系統(tǒng)的供電能力較10 kV供電系統(tǒng)大大提升，因此新建的兩路20 kV電力環(huán)網(wǎng)線路可供應(yīng)全線各車站及區(qū)間所有負(fù)荷用電。

該方案投資低，與供電部門的接口少，受城市電網(wǎng)的影響小，供電能力較10 kV供電系統(tǒng)大大加強。但目前我國還未廣泛使用20 kV電壓等級，相關(guān)技術(shù)不如10 kV電壓等級成熟，運營經(jīng)驗也不如10 kV電壓等級豐富。該方案仍處于推廣階段，目前僅有溫州和臺州市域鐵路采用20 kV電壓等級。

1.3 方案3：35 kV雙環(huán)網(wǎng)供電方案

該方案采用35 kV中壓網(wǎng)絡(luò)的地鐵傳統(tǒng)供電方式，結(jié)合牽引變電所的設(shè)置，與牽引變電所合建110 kV/35 kV變配電所。新建的兩路35 kV電力環(huán)網(wǎng)線路供全線各車站及區(qū)間所有負(fù)荷用電。

該方案供電能力大，與供電部門的接口少，受城市電網(wǎng)的影響小。但由于采用35 kV系統(tǒng)供電，投資大大提高。對于市域鐵路的負(fù)荷分布和容量而言，無論輸送功率、輸送距離,還是供電質(zhì)量，20 kV電壓等級完全能夠滿足要求。

綜上對比，隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，20 kV電壓等級將成為主流趨勢，故針對市域鐵路自身的特點，推薦采用20 kV中壓網(wǎng)絡(luò)供電等級。同時為了提高供電能力以及方便電纜敷設(shè)，建議20 kV雙環(huán)網(wǎng)供電線路采用單芯電纜。如溫州市域鐵路采用20 kV截面面積為185 mm2的單芯電纜，臺州市域鐵路采用20 kV截面面積為150 mm2的單芯電纜。

2 雙環(huán)網(wǎng)供電及環(huán)口的設(shè)置

較之傳統(tǒng)鐵路10 kV貫通線雙端供電模式，市域鐵路采用雙環(huán)網(wǎng)供電方式，不僅大大提高了供電能力，而且經(jīng)濟(jì)性比雙貫通線路好。圖1為典型市域鐵路雙環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)圖。由圖1可知，環(huán)網(wǎng)分界點一般設(shè)置在線路中心或負(fù)荷中心，并且在環(huán)口處設(shè)置斷路器保護(hù)以便于縮減故障范圍，正常情況下，環(huán)口斷路器斷開，A所和B所分別對各自供電分區(qū)供電，當(dāng)區(qū)間某處發(fā)生短路故障時，斷開故障點相鄰兩側(cè)負(fù)荷開關(guān)，合上環(huán)網(wǎng)分?jǐn)嚅_關(guān)為線路供電。

圖1 典型市域鐵路雙環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)圖

3 供電系統(tǒng)接地方式的選擇

供電系統(tǒng)接地方式的選擇，亦是市域鐵路供電系統(tǒng)的一大難題。一般系統(tǒng)接地分中性點直接接地、中性點經(jīng)消弧線圈接地及中性點經(jīng)低電阻接地3種方式。當(dāng)系統(tǒng)單相接地故障電容的電流不大于10 A時，應(yīng)采用不接地系統(tǒng)；當(dāng)系統(tǒng)單相接地故障電容電流不大于150 A時，可采用中性點經(jīng)低電阻接地方式或中性點經(jīng)消弧線圈接地方式；當(dāng)系統(tǒng)單相接地故障電容電流大于150 A時，宜采用中性點經(jīng)低電阻接地方式。由此可見，系統(tǒng)接地方式的確定，關(guān)鍵在于計算系統(tǒng)單相接地故障電容的電流Icd：

Icd=3ωCyUφ×10-3

(1)

式中:

Cy——單位長度電纜的接地電容，mF/km；

Uφ——系統(tǒng)的相電壓，kV；

ω——系統(tǒng)的角頻率，rad/s。

經(jīng)計算，20 kV電纜線路接地故障電容的電流值見表2。

表2 20 kV電纜線路接地故障電容電流值

在上述計算的基礎(chǔ)上，綜合考慮20 kV配電所的間距及不同工況下的運行方式，計算得到市域鐵路系統(tǒng)單相接地故障電容的電流大于150 A，故系統(tǒng)接地方式選用中性點經(jīng)低電阻接地。

明確接地方式后，在設(shè)計過程中需計算的中性點經(jīng)低電阻接地的接地變壓器容量是不可忽略的一個重要參數(shù)。根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，市域鐵路低電阻接地方式的接地電阻按單相接地電流不大于400 A考慮，接地變壓器容量按照IEEE-C 62.92.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的變壓器10 s的允許過載系數(shù)為額定容量的10.5倍計算，由于通過接地變壓器中性點的短路電流為400 A，流過接地變壓器各相繞組的短路電流為133 A，則通過計算得到接地變壓器的短時容量為4 849.6 kVA，額定容量為462 kVA，故選用500 kVA接地變壓器。

4 單芯電力電纜金屬層接地方式

由于市域鐵路20 kV電力電纜采用單芯電力電纜，那么20 kV單芯電力電纜金屬層接地方式就是一個不容忽視的問題，也是系統(tǒng)的一個關(guān)鍵參數(shù)。若20 kV單芯環(huán)網(wǎng)電纜同一般三芯電纜線路采用同樣的接地方式，金屬護(hù)層兩端三相互聯(lián)后直接接地，其金屬護(hù)層中的感應(yīng)環(huán)流可達(dá)到線芯電流的50%～95%，感應(yīng)電流所產(chǎn)生的熱損耗極大地降低了電纜載流量，并加速了電纜主絕緣電-熱老化。若單芯電纜金屬護(hù)層一端三相互聯(lián)并接地，另一端不接地，則電纜金屬護(hù)層中雖無環(huán)流，但當(dāng)雷電波或內(nèi)部過電壓沿電纜線芯流動時，電纜金屬護(hù)層不接地端會出現(xiàn)較高的沖擊過電壓，或當(dāng)系統(tǒng)短路事故電流流經(jīng)電纜線芯時，其護(hù)層不接地端也會出現(xiàn)很高的工頻感應(yīng)過電壓。上述過電壓可能擊穿電纜外護(hù)層絕緣，造成電纜金屬護(hù)層多點接地故障，影響電力電纜正常運行。因此要確定區(qū)間20 kV雙環(huán)網(wǎng)單芯電纜金屬層的接地方式，就必須分析電纜線路正常感應(yīng)電勢的來源。

對于電氣化鐵路，計算單芯電纜金屬護(hù)套感應(yīng)電動勢時，接觸網(wǎng)電流的影響不可忽略[2-3]。根據(jù)相關(guān)資料，接觸網(wǎng)電流對單芯電力電纜金屬護(hù)套感應(yīng)電勢Eb1[1]的計算如下：

(2)

式中:

SC，SF——分別表示同股道接觸網(wǎng)、正饋線(回流線)與B相電纜的中心距，m;

SC,0，SF,0——分別表示相鄰股道接觸網(wǎng)、正饋線(回流線)與B相電纜的中心距,m;

μ——介質(zhì)磁導(dǎo)率,取4π×10-4H/km;

ic,ic，0——分別表示同股道和相鄰股道接觸網(wǎng)的電流(兩者一般相等)，A。

計算單芯電纜金屬護(hù)套感應(yīng)電動勢時，亦需考慮單芯電纜本體及單芯電纜之間在金屬層上的感應(yīng)電勢[4-5]。以B相(中間相)為例，按3根電纜呈等邊三角形布置，單位長度的正常感應(yīng)電勢Eb2按下式計算：

(3)

式中：

r——電纜金屬層的平均半徑,m；

ib——電纜導(dǎo)體的正常工作電流，A;

S——各相鄰電纜間的中心距，m。

綜上分析，B相電纜每公里金屬護(hù)套的總感應(yīng)電動勢Eb可以簡化如下：

(4)

現(xiàn)以溫州市域鐵路S1線為例，線路區(qū)間20 kV電纜采用YJV62-18/20 kV截面面積為185 mm2的單芯電纜，各相鄰電纜之間的中心距為45.5 mm，配電所引出20 kV線路的正常電流為253 A(主變壓器容量為12 500 kVA，按70%負(fù)載率考慮)，接觸網(wǎng)的最大電流為1 000 A。

根據(jù)溫州市域鐵路S1線的相關(guān)設(shè)計文件，計算得到：SC為6.335 m，SF為6.462 m，SC，0為8.840 m，SF，0為11.700 m。通過查閱電纜手冊，得到Y(jié)JV62-18/20 kV截面面積為185 mm2電纜金屬層的平均半徑為17.25 mm。

通過以上公式計算得到區(qū)間20 kV電纜線路每公里金屬護(hù)套的總感應(yīng)電動勢為34.29 V。根據(jù)GB 50217—2007第4.1.7條規(guī)定，結(jié)合YJV62-18/20 kV截面面積為185 mm2單芯電纜配盤，區(qū)間雙環(huán)網(wǎng)線路在不超過1.5 km處設(shè)置20 kV電纜中間接地箱。接地箱內(nèi)電纜金屬層一端采用直接接地，另一端金屬層經(jīng)護(hù)層電壓限制器接地，以確保區(qū)間20 kV電纜線路的金屬層上任一點正常感應(yīng)電壓的最大值滿足規(guī)范要求。

5 配電所無功補償?shù)脑O(shè)置

由于市域鐵路區(qū)間采用20 kV環(huán)網(wǎng)電纜線路集中供電，存在電纜線路長和電壓等級高等特點，如果不合理設(shè)置系統(tǒng)無功補償參數(shù)，將會出現(xiàn)無功功率返送現(xiàn)象，會嚴(yán)重降低20 kV供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量，故在20 kV配電所母線側(cè)集中安裝無功補償裝置尤為重要。

無功補償?shù)脑O(shè)置，需要分析整個20 kV供電系統(tǒng)無功容量的來源，主要包括：①110 kV電纜側(cè)產(chǎn)生容性無功;②20 kV環(huán)網(wǎng)電纜線路的容性無功；③主變壓器產(chǎn)生的感性無功；④20 kV/0.4 kV車站變壓器產(chǎn)生的感性無功。

電纜線路產(chǎn)生的固定容性無功是計算20 kV配電所不可忽略的一大要素。尤其在運行初期，負(fù)載率低，電纜發(fā)出的容性無功功率特別突出。而計算電纜線路容性無功功率，其關(guān)鍵參數(shù)就是計算電纜正常情況下的電容電流Ic0：

Ic0=ωCyUφ×10-3

(5)

根據(jù)式(5)，可得常見110 kV和20 kV電纜線路正常運行時的電容電流值和容性無功功率(見表3～4)。

以表1工程為例，110 kV變電所的電源線為長1 km、截面面積為400 mm2的電纜線路，20 kV環(huán)網(wǎng)線路供電臂長23 km，采用截面面積為150 mm2的電纜，主變?nèi)萘繛?2 500 kVA。經(jīng)計算，電纜線路產(chǎn)生的最大容性無功功率為1 359 kvar。供電系統(tǒng)的感性無功主要是由主變壓器和區(qū)間20 kV/0.4 kV車站變壓器產(chǎn)生的，由變壓器空載無功損耗和負(fù)載無功損耗兩部分組成。變壓器無功功率損耗ΔQT可按下式計算：

表3 常見110 kV電纜線路正常運行時電容電流值和容性無功功率

表4 常見20 kV電纜線路正常運行時電容電流值和容性無功功率

(6)

式中:

ΔQ0——變壓器空載無功損耗，kvar；

ΔQk——變壓器滿載無功損耗，kvar；

Sc——變壓器的計算負(fù)荷，kVA；

Sr——變壓器的額定容量，kVA;

αI——變壓器的短路電壓(亦稱阻抗電壓)所占百分?jǐn)?shù)，一般為變壓器上的銘牌數(shù)據(jù)，110 kV變壓器取10.5，20 kV變壓器取6；

αu——變壓器的空載電流所占百分?jǐn)?shù)，亦為變壓器上的銘牌數(shù)據(jù)，110 kV變壓器取0.8，20 kV變壓器取0.5。

表5為不同負(fù)載率下系統(tǒng)的感性無功功率。由表5可見，當(dāng)車站負(fù)載率達(dá)到80%以上時，供電系統(tǒng)感性無功才開始與電纜線路的容性無功基本抵消。而在線路運營初期，電纜發(fā)出的容性無功功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主變壓器和車站變壓器負(fù)荷的感性無功，即電纜發(fā)出的容性無功功率只能被主變壓器和車站變壓器負(fù)荷的感性無功部分抵消。具體抵消數(shù)值與供電系統(tǒng)負(fù)荷的負(fù)載率密切相關(guān)。

表5 不同負(fù)載率下供電系統(tǒng)感性無功功率 kvar

因此，對于市域鐵路20 kV配電所，在運營初期及非運營時段(如夜間檢修等)，供電系統(tǒng)由于環(huán)網(wǎng)電纜線路呈容性無功，此時需要在20 kV配電所母線側(cè)并聯(lián)電抗器補償裝置(如電抗器、MCR(磁控電抗器)、SVG(靜止無功發(fā)生器)[6]等)，利用該裝置吸收電纜產(chǎn)生的容性無功功率；在運營時段，隨著運行年度的延伸及供電負(fù)荷的增加，當(dāng)系統(tǒng)容性無功功率與感性無功功率達(dá)到平衡甚至感性無功大于容性無功，系統(tǒng)逐漸呈感性無功，則需要進(jìn)行電容補償。

由以上分析可知，對于市域鐵路供電系統(tǒng)，配電所的無功補償需采用動態(tài)無功補償，如采用SVG動態(tài)無功補償方式。若考慮經(jīng)濟(jì)性，亦可采用磁控電抗器與電容器組配合，其中電容器的容量可根據(jù)本線路中感性無功的最大值設(shè)定。采用以上兩種方式均可實現(xiàn)無功功率從感性至容性的連續(xù)無極調(diào)節(jié)，以保證系統(tǒng)無功合格，并提高供電質(zhì)量。

6 配電所跨所供電實現(xiàn)方式

根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，市域鐵路相鄰變配電所宜具備越區(qū)供電能力[7-8]。圖1中，若A所停電，B所除通過合上BC供電區(qū)間環(huán)網(wǎng)開關(guān)為B區(qū)供電外，還需跨越A所為A供電分區(qū)供電。具體可采用以下兩種方式：

1)自動實現(xiàn)方式：通過斷開A所內(nèi)電源進(jìn)線斷路器后，遠(yuǎn)動合閘區(qū)間環(huán)口斷路器，然后合閘A所內(nèi)主母線上各環(huán)網(wǎng)饋出斷路器，以實現(xiàn)跨所供電。本方式自動化程度高，但配電所內(nèi)保護(hù)設(shè)置較為復(fù)雜。

2)手動實現(xiàn)方式：將A所整體退出運行，在配電所室外設(shè)置跨所供電負(fù)荷開關(guān)箱，通過手動操作方式來實現(xiàn)跨所越區(qū)供電功能。本方式的實現(xiàn)及配電所所內(nèi)保護(hù)均較為簡單，但投資較高，需額外增加2套跨所供電裝置。

7 結(jié)論

根據(jù)以上分析，針對市域鐵路自身的特點，可得出如下結(jié)論：

1)市域鐵路電力供電系統(tǒng)的中壓網(wǎng)絡(luò)電壓等級推薦采用20 kV中壓網(wǎng)絡(luò)供電，同時為了提高供電能力及方便電纜敷設(shè)，20 kV雙環(huán)網(wǎng)供電線路宜采用單芯電纜。

2)市域鐵路電力供電系統(tǒng)推薦采用雙環(huán)網(wǎng)供電方式，并在區(qū)間負(fù)荷中心設(shè)置環(huán)口，同時為了便于縮減故障范圍，環(huán)口處應(yīng)設(shè)置斷路器進(jìn)行保護(hù)。

3)市域鐵路電力供電系統(tǒng)接地方式推薦采用中性點經(jīng)低電阻接地，并根據(jù)單相接地電流合理設(shè)置接地變壓器容量。

4)通過計算區(qū)間單芯電力電纜每公里金屬護(hù)套的總感應(yīng)電動勢，合理設(shè)置區(qū)間電纜中間接地箱的間距；中間接地箱內(nèi)電纜金屬層一端采用直接接地，另一端金屬層經(jīng)護(hù)層采用電壓限制器接地。

5)根據(jù)市域鐵路供電系統(tǒng)的容性無功功率與感性無功功率的大小及變化，在配電所設(shè)置SVG動態(tài)無功補償或采取磁控電抗器與電容器組的配合方式進(jìn)行集中補償，以提高供電質(zhì)量。

6)市域鐵路相鄰變配電所跨所供電方式根據(jù)需要設(shè)置自動實現(xiàn)和手動實現(xiàn)兩種方式。