高速鐵路全電纜電力貫通線相關(guān)研究

孫汝楊

0 引言

在目前運(yùn)行的鐵路線路中，普速鐵路沿線電力貫通線路普遍采用以架空線為主、電纜為輔的混架型式，通過長(zhǎng)期的運(yùn)行，已經(jīng)形成了一套成熟穩(wěn)定的電力系統(tǒng)方案，主要采取經(jīng)調(diào)壓器中性點(diǎn)不接地、貫通母線段不做補(bǔ)償、長(zhǎng)距離電纜就地補(bǔ)償?shù)姆绞?。近年高速鐵路建設(shè)大規(guī)模開展，其橋隧占比較大，沿線電力貫通線路采用了全單芯電纜方式，在線路兩側(cè)綜合電纜槽內(nèi)敷設(shè)。

與架空線路相比，電纜線路對(duì)地電容電流是架空線路的30～100 倍。全線電纜線路的運(yùn)用顯著增加了沿線電力線路電容電流，使得末端電網(wǎng)電壓提高，同時(shí)也增加了線路上的無功損耗。

高速鐵路沿線電力貫通線采用全電纜方式，參照《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]12.2.10.3 條“全電纜線路宜采用低電阻接地方式”和12.2.10.4 條“低電阻接地方式的接地電阻宜按單相接地電流200 A～400 A、接地故障瞬時(shí)跳閘方式選擇”的設(shè)計(jì)原則，高速鐵路在接地型式、無功補(bǔ)償方式方面與普速鐵路存在較大差異，因此高速鐵路在供電可靠性、設(shè)備絕緣配合、綜自保護(hù)、人身安全及對(duì)沿線弱電線路的干擾等方面均與普速鐵路不同。

本文結(jié)合目前高速鐵路電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，提出一種沿線電力貫通線路的簡(jiǎn)化模型，在此基礎(chǔ)上，對(duì)沿線無功補(bǔ)償方式、小電阻接地方式及感應(yīng)電壓等進(jìn)行分析，以期為高速鐵路沿線電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 高速鐵路電力系統(tǒng)模型

國內(nèi)鐵路工程主要采用10 kV 作為配電網(wǎng)絡(luò)電壓標(biāo)準(zhǔn)。高速鐵路用電負(fù)荷主要分為車站負(fù)荷與區(qū)間負(fù)荷。目前，高速鐵路相鄰車站間距一般為40～70 km，鐵路10 kV 配電所結(jié)合車站的分布情況，一般按照40～60 km 的間距進(jìn)行設(shè)置。區(qū)間用電負(fù)荷主要包括信號(hào)通信中繼站（50～80 kW/處/10～20 km），通信基站（直放站）（10～30 kW/處/3～5 km），視頻點(diǎn)（3～5 kW/處/按需），牽引變電所（50～80 kW/處/50～70 km）以及分區(qū)所、開閉所（20～40 kW/處/20 km），隧道、區(qū)間警務(wù)崗?fù)?、橋梁?dòng)力照明負(fù)荷和一些接觸網(wǎng)開關(guān)站等小容量負(fù)荷。

高速鐵路沿線10 kV配電系統(tǒng)饋線由各個(gè)10 kV配電所內(nèi)經(jīng)過10 kV調(diào)壓器后饋出。電力貫通線又分為一級(jí)負(fù)荷電力貫通線路與綜合負(fù)荷電力貫通線路，分別采用10 kV YJV63-8.7/15kV單芯電纜，截面一般為70 和95 mm2。

本文按照上述一般用電負(fù)荷設(shè)計(jì)一種標(biāo)準(zhǔn)化模型，10 kV 配電所按照60 km 間距設(shè)置，調(diào)壓器電源引入側(cè)按照無限大容量系統(tǒng)考慮。設(shè)備設(shè)置詳見圖1。

圖1 區(qū)間電力貫通線路標(biāo)準(zhǔn)模型示意圖

2 高速鐵路電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償

在正常運(yùn)行情況下，長(zhǎng)距離單芯電纜會(huì)產(chǎn)生對(duì)地電容，將在配電網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生容性無功電流，可能會(huì)降低功率因數(shù)、升高線路末端電壓、增加單相接地時(shí)瞬時(shí)弧光過電壓，因此，在高鐵沿線設(shè)置一定數(shù)量的固定電抗器補(bǔ)償裝置，以減少電容電流。

根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]12.2.9.2 條“以電纜為主的高壓電力貫通線路，宜采用貫通線上分散設(shè)置固定電抗器就地補(bǔ)償為主、在配電所集中設(shè)置無功自動(dòng)補(bǔ)償為輔的補(bǔ)償方式”的設(shè)計(jì)原則，以及文獻(xiàn)[2]的研究，結(jié)合目前高速鐵路的設(shè)計(jì)情況，本模型在區(qū)間信號(hào)通信中繼站里程處，結(jié)合箱式變電站設(shè)置固定電抗器補(bǔ)償裝置，容量為114 kVar，詳見圖1。在配電所內(nèi)一般設(shè)置磁控電抗器進(jìn)行無功調(diào)節(jié)，容量一般為400 和315 kVar。

3 高速鐵路電力貫通線模型相關(guān)計(jì)算

3.1 正常運(yùn)行情況下電容電流

根據(jù)《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè) 電力》[3]中相關(guān)計(jì)算方法，在正常運(yùn)行情況下，單芯電纜電容電流計(jì)算式為

其中：Ic為線對(duì)地的電容電流，A；ω為角速度，ω= 2πf = 314；C為單芯電纜對(duì)地的電容，F(xiàn)/km；l為電纜線路長(zhǎng)度，km；Uφ為相電壓，V。

95 mm2和70 mm2單芯電纜對(duì)地工作電容分別為0.240 μF/km和0.217 μF/km，考慮到沿線變電所等設(shè)備增加的接地電容情況，其附加值增加16%[4]。高速鐵路10 kV配電所內(nèi)每個(gè)調(diào)壓器所帶電力貫通母線段共同為上行與下行2 個(gè)供電臂提供高壓電源；區(qū)間每15 km設(shè)置1 座114 kVar的固定電抗器補(bǔ)償裝置，其無功補(bǔ)償電流值為6.58 A（感性電流IL），每公里補(bǔ)償電流約為0.438 8 A。

該模型下，沿線電力貫通線在正常工作情況下的電容電流如表1 所示。

表1 沿線電力貫通線正常運(yùn)行電容電流值

在10 kV 配電所內(nèi)集中設(shè)置的無功自動(dòng)補(bǔ)償裝置主要為磁控電抗器，對(duì)沿線電力貫通線的容性電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，并進(jìn)一步提高電力貫通母線段上的功率因數(shù)。

3.2 單相短路情況下電容電流

根據(jù)《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè) 電力》[3]中相關(guān)計(jì)算方法，在單相短路故障情況下，電力貫通線接地相的電容電流計(jì)算式為

其正常相的電容電流計(jì)算式為

可見，區(qū)間固定電抗器在單相短路情況下，由線間電壓產(chǎn)生的補(bǔ)償電流為正常情況下的倍流經(jīng)接地點(diǎn)的補(bǔ)償電流為正常情況下的3 倍（3IL）[4]。

沿線最遠(yuǎn)處出現(xiàn)一處單相接地故障情況下，得出數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 沿線電力貫通線單相接地電容電流值

從表2 中可以看出，當(dāng)95 mm2全電纜線路出現(xiàn)一處單相短路故障時(shí)，其接地相與正常相上的電容電流均出現(xiàn)大于10 A的情況，要保證單相接地短路電弧不重燃，需將單相接地電容電流控制在10 A以內(nèi)[2]，因此還需10 kV配電所內(nèi)無功自動(dòng)補(bǔ)償裝置進(jìn)行進(jìn)一步補(bǔ)償。

3.3 小電阻接地阻值計(jì)算

文獻(xiàn)[5]中接地電阻值計(jì)算方法：

其中：R為中性點(diǎn)接地電阻器的阻值，Ω；Un為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓，kV；Ic為系統(tǒng)單相接地的電容電流，A；K為系數(shù)，為單相對(duì)地短路時(shí)電阻電流與電容電流的比值，一般為1.1～1.5。

根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中12.2.10.4 條“低電阻接地方式的接地電阻宜按單相接地電流200 A～400 A、接地故障瞬時(shí)跳閘方式選擇”的設(shè)計(jì)原則，中性點(diǎn)接地電阻值為9.6～26.24 Ω，考慮到沿線電容電流與綜自保護(hù)配合等多種情況，鐵路10 kV供電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地阻值通常選取10 Ω。

3.4 正常運(yùn)行情況下的感應(yīng)電壓

高速鐵路大部分工程中區(qū)間信號(hào)、通信等弱電線纜與電力電纜會(huì)在路基綜合電纜槽內(nèi)平行敷設(shè)，電力電纜在運(yùn)行過程中，不僅對(duì)電纜自身的金屬護(hù)套產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，也會(huì)在弱電線纜的護(hù)套上產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。

依據(jù)《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]附錄F中感應(yīng)電勢(shì)的計(jì)算方法，單芯電纜在呈等邊三角形敷設(shè)時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)可忽略不計(jì)，平行敷設(shè)時(shí)感應(yīng)電勢(shì)計(jì)算式為

其中：L為電纜金屬層的電氣通路上任一部位與其直接接地處的距離，km；I為電纜導(dǎo)體正常工作電流，A；Eso為單位長(zhǎng)度每安培的正常感應(yīng)電勢(shì)，V/(km·A)。

根據(jù)某廠家電纜參數(shù)計(jì)算可得 70 mm2與95mm2電纜的Eso相近，取較大值0.117 6 V/(km·A)。按照800 kV·A的調(diào)壓器滿負(fù)載運(yùn)行時(shí)工作電流為36.951 5 A，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不超過50 V計(jì)算，單芯電纜平行敷設(shè)的長(zhǎng)度不應(yīng)超過11.51 km。

高速鐵路中信號(hào)電纜主要采用屏蔽層分段單端接地方式，且沿線設(shè)置有1 Ω的貫通地線供其可靠接地連接；高速鐵路設(shè)置區(qū)間綜合電纜槽，強(qiáng)電槽與弱電槽之間采用50 mm 的物理間隔。依據(jù)文獻(xiàn)[7]中的相關(guān)研究，平行敷設(shè)的電力電纜對(duì)信號(hào)電纜芯線的縱向感應(yīng)電壓（每公里所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)）為3.560 V/km；電力電纜“品”字形敷設(shè)，其值為2.236 V/km。按信號(hào)電纜芯線縱向感應(yīng)電壓容許值為60 V 考慮，信號(hào)電纜容許連續(xù)敷設(shè)的長(zhǎng)度分別為16.85 km 和26.83 km。

4 全電纜線路的相關(guān)分析

本文主要從供電可靠性、絕緣配合、綜自保護(hù)、人身安全及對(duì)弱電線的干擾等方面進(jìn)行分析探討。

4.1 供電可靠性及供電質(zhì)量

目前，高速鐵路區(qū)間電力貫通線基本采用雙環(huán)網(wǎng)供電[8]的方式，如果采用全電纜型式，可很大程度避免外界不確定因素對(duì)沿線貫通線路的影響。

由于采用全電纜線路，區(qū)間及配電所內(nèi)均需采取感性無功補(bǔ)償措施，當(dāng)沿線電力負(fù)荷較輕時(shí)，貫通母線段上會(huì)有較大比重的無功功率，嚴(yán)重時(shí)功率因數(shù)會(huì)出現(xiàn)負(fù)值。相反，當(dāng)無功補(bǔ)償率過高或出現(xiàn)過補(bǔ)償?shù)那闆r時(shí)，不僅會(huì)使單相短路電流殘留值過高，只能靠小電阻接地系統(tǒng)抑制短路電流峰值，而且還會(huì)在正常情況下得到較低的功率因數(shù)，加大電網(wǎng)產(chǎn)生不明諧振的概率。

從表1 和表2 中可以看出，在選取合適的無功補(bǔ)償方案確保單相故障接地電容電流控制在10 A以下，使得電弧不重燃，再結(jié)合小電阻接地系統(tǒng)的阻尼作用和調(diào)壓器容量或區(qū)間實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷容量，可以為沿線負(fù)荷提供一個(gè)安全可靠的供電系統(tǒng)，并提升貫通母線段上的功率因數(shù)。同時(shí)，通過配電所內(nèi)調(diào)壓器與無功補(bǔ)償裝置的設(shè)置，可以很好地控制線路末端電壓[4]。

較之前普速鐵路采用的架空線與電纜混合的方式，采取多種措施可保證較高的供電可靠性和較好的供電質(zhì)量。

4.2 絕緣配合

在小電阻接地系統(tǒng)下，當(dāng)沿線出現(xiàn)單相接地故障，正常相電壓不會(huì)大于倍相電壓，且持續(xù)時(shí)間較短；同時(shí)，小電阻接地可限制弧光過電壓，使電容電流殘值通過電阻很快釋放；整個(gè)供電系統(tǒng)在正常運(yùn)行及單相故障情況下不會(huì)產(chǎn)生很高的過電壓（不超過2.6 倍）。因此，小電阻接地系統(tǒng)降低了貫通母線段上高壓柜、高壓避雷器及沿線電力電纜、高壓設(shè)備的絕緣水平，使其與其他設(shè)備之間的絕緣配合有更好的選擇。

4.3 綜自保護(hù)

在配電所小電阻裝置接地側(cè)裝設(shè)零序互感器，至少配置饋出零序過流、饋出零序速斷保護(hù)和調(diào)壓器零序過流保護(hù)。當(dāng)發(fā)生單相短路故障時(shí)，故障線路供電臂可通過電流速斷保護(hù)和零序保護(hù)進(jìn)行快速選擇性跳閘。由于發(fā)生單相短路故障會(huì)有很大的短路電流通過小電阻接地設(shè)備，從而在短路電流值保護(hù)靈敏度、不同保護(hù)整定配合及故障類型判斷方面均有積極作用。

4.4 人身安全

根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]12.4.5 條“10 kV電力貫通線電纜金屬層宜采用在線路一端或中央部位單點(diǎn)直接接地、另一端經(jīng)護(hù)層保護(hù)器接地方式，電纜金屬層連續(xù)長(zhǎng)度不宜大于3 km”的設(shè)計(jì)原則，在每處高壓負(fù)荷用電點(diǎn)沿同一個(gè)方向單端設(shè)置護(hù)層保護(hù)器接地，從標(biāo)準(zhǔn)模型中可知，高壓負(fù)荷用電點(diǎn)間距一般不會(huì)超過3 km。

全電纜線路在連續(xù)敷設(shè)時(shí)，在金屬層會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，應(yīng)盡量采取品字形敷設(shè)方式和全換位周期敷設(shè)方式；同時(shí)，采用在線路一端單點(diǎn)直接接地、另一端經(jīng)護(hù)層保護(hù)器接地方式，以減小感應(yīng)電壓值，從而避免檢修人員發(fā)生觸電等危險(xiǎn)。按照每3 km 左右做一組護(hù)層保護(hù)器接地估算，線路上感應(yīng)電壓最高可達(dá)13.04 V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于50 V 的安全電壓。

發(fā)生單相短路故障時(shí)，故障電流較大，在故障點(diǎn)和小電阻裝置接地點(diǎn)處會(huì)形成較大的接觸電壓和跨步電壓。如斷路器很快斷開，可降低附近人員觸電風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還應(yīng)加強(qiáng)配電所或區(qū)間高壓設(shè)備處的防跨步電壓觸電、防接觸電壓觸電等措施，進(jìn)一步降低觸電風(fēng)險(xiǎn)。

4.5 對(duì)弱電線纜的干擾

通過文獻(xiàn)[7]可知，電力電纜會(huì)對(duì)弱電線纜產(chǎn)生感應(yīng)電壓，由于高速鐵路信號(hào)中繼站間距一般不超過15 km，滿足信號(hào)線纜連續(xù)敷設(shè)的條件。在沿線條件允許的情況下，應(yīng)盡量增加電力電纜與弱電線纜之間的間距，電力電纜采用“品”字形敷設(shè)方式可有效降低其對(duì)弱電線纜的影響。

5 結(jié)論

（1）目前高速鐵路配電所內(nèi)10 kV 調(diào)壓器容量基本穩(wěn)定，所內(nèi)無功補(bǔ)償裝置最大容量也基本選定，因此，區(qū)間無功補(bǔ)償裝置容量和間距的合理選擇對(duì)區(qū)間全電纜電力貫通線正常運(yùn)行和單相故障狀態(tài)下的電容電流起到了決定作用，可保證貫通母線段上功率因數(shù)達(dá)到要求，可與調(diào)壓器共同調(diào)節(jié)末端電壓質(zhì)量。區(qū)間無功補(bǔ)償度的選擇尤為重要，在75%最佳補(bǔ)償度、最佳功率因數(shù)補(bǔ)償、末端電壓質(zhì)量、單相故障電容電流控制在電弧不重燃等不同目標(biāo)的選擇上，如何達(dá)到最佳的配合效果，需根據(jù)不同工程情況進(jìn)行計(jì)算選擇。

（2）對(duì)于全電纜貫通線路，在配電所內(nèi)采取小電阻接地的有效接地方式，使得配電所貫通母線側(cè)過電壓水平和設(shè)備絕緣水平較低；同時(shí)，可以利用該接地方式下單相接地電流較大的特點(diǎn)加設(shè)零序保護(hù)，進(jìn)一步提高保護(hù)靈敏度和故障判斷準(zhǔn)確度。建議在出現(xiàn)短路故障的情況下，快速切斷電源，通過電調(diào)和綜自系統(tǒng)改變供電方案，繼續(xù)為區(qū)間負(fù)荷提供可靠電源，并對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行判斷和檢修。

（3）采用小電阻接地方式，短路電流變大，在配電所接地處和故障點(diǎn)處防止接觸電壓、跨步電壓方面，需進(jìn)一步采取措施，降低觸電風(fēng)險(xiǎn)。

（4）在沿線電力電纜敷設(shè)過程中，為降低對(duì)弱電線纜的影響及自身感應(yīng)電壓，盡量采用“品”字形敷設(shè)方式，增加強(qiáng)弱電線纜之間的距離。同時(shí)，在弱電線纜的接地方式上，建議采取降低電力電纜對(duì)其產(chǎn)生感應(yīng)電壓的措施。

（5）由于站區(qū)內(nèi)高壓電力系統(tǒng)采用不接地型式，為了統(tǒng)一配電所內(nèi)高壓設(shè)備的參數(shù)，建議仍按照不接地系統(tǒng)的參數(shù)配置高壓設(shè)備。

（6）由于高速鐵路與普速鐵路在供電系統(tǒng)上存在較大不同，運(yùn)營(yíng)單位需在維護(hù)檢修操作流程及方案上提出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。