東非鐵路電力供電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

谷千偉

0 引言

為使中國鐵路建設(shè)標準更好地運用于非洲鐵路，及國內(nèi)電力設(shè)計經(jīng)驗在非洲落地生根，并服務于“一帶一路”倡議和“中國制造2025”方針，東非地區(qū)采用中國標準建設(shè)的鐵路應運而生，如蒙內(nèi)鐵路、內(nèi)馬鐵路、亞吉鐵路、坦盧鐵路等[1]。本文以肯尼亞內(nèi)馬鐵路為例，通過分析東非鐵路標準與中國標準不同之處，對5 個關(guān)鍵技術(shù)進行分析研究，以期為東非鐵路電力系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

內(nèi)馬鐵路全長120 km，共設(shè)置車站6 座。根據(jù)當?shù)仉娫辞闆r，全線利用既有Nairobi Terminus站66/11 kV 雙電源變電所，新建Ngong 站和Maai Mahiu 站66/33 kV 單電源變電所。由既有Nairobi Terminus站66/11 kV 變電所饋出一回11 kV貫通線至DK26+300 處；由Ngong 站66/33 kV 變電所饋出一回33 kV 貫通線至Maai Mahiu 站；由Maai Mahiu 站66/33 kV 變電所饋出兩回33 kV 貫通線，其中一回向小里程饋至Ngong 站，另一回向大里程饋至DK120 處。車站供電示意圖見圖1。

圖1 內(nèi)馬鐵路車站供電示意圖

1 網(wǎng)絡電壓等級選擇

我國普速鐵路外部電源接引電壓多采用10 kV，具有投資小、易接取、相關(guān)設(shè)備成熟、運行經(jīng)驗多等特點，電力貫通線也多采用10 kV 供電。

東非地區(qū)中壓系統(tǒng)一般有11、33 kV 兩種電壓等級，分別對應國內(nèi)的10、35 kV。經(jīng)調(diào)查，東非電能十分匱乏，電力線路建設(shè)標準低，電網(wǎng)運行不穩(wěn)定，特別是中低壓電力線路斷電頻繁，供電可靠性低，普遍采用木質(zhì)支柱，傾斜現(xiàn)象常見。內(nèi)馬鐵路沿線11 kV 線路稀疏且停電現(xiàn)象嚴重，沿線未見33 kV 線路。若采用國內(nèi)習慣做法，各車站接引11 kV 外電源，則存在對外接口談判任務繁重、外電施工工期長、外電質(zhì)量差等問題。綜合考慮非洲當?shù)赜秒娫O(shè)備容量和特性、電源線路長度、外電現(xiàn)狀及其近遠期規(guī)劃等因素，進行技術(shù)分析和經(jīng)濟性比較，11、33 kV 相關(guān)技術(shù)參數(shù)比較如表1 所示。

表1 11、33 kV 電力系統(tǒng)壓降、造價、供電能力比較

因此，從造價、電能質(zhì)量、壓降方面考慮，采用11 kV 鐵路供電系統(tǒng)不滿足規(guī)范要求，33 kV 系統(tǒng)能較好地適用于東非地區(qū)。

2 供電系統(tǒng)接地方式選擇

2.1 鐵路電力系統(tǒng)接地方式

按照TB 10008—2015《鐵路電力設(shè)計規(guī)范》[2]規(guī)定，中性點接地方式的選擇由線纜類型、持續(xù)供電能力、設(shè)備的絕緣水平、繼電保護要求和通信信號線纜的抗干擾要求等因素決定。

當電容電流較大時，國內(nèi)外普遍采用消弧線圈或小電阻接地方式，如德國、法國、俄羅斯等國采用消弧線圈接地，美國采用小電阻接地，我國的北上廣深津等地區(qū)采用小電阻接地，其他城市多采用消弧線圈接地。

2.2 電容電流分析

當無架空地線時，架空線單相接地故障電容電流[3]計算見式（1）；電纜單相接地電容電流計算見式（2）。

式中：U為標稱電壓，kV；L為供電臂長度，km。

關(guān)于估算式的幾點說明：（1）式（1）中的“1.1”為考慮水泥桿、鐵塔提高10%；（2）同桿雙回架空線電容電流是單回的1.4 倍；（3）實測表明，架空線電容電流夏季比冬季提高10%；（4）考慮到電纜材料、線路T 接、諧波影響，電纜電容電流實測值在估算式基礎(chǔ)上增加20%；（5）對于變電所增容系數(shù)，11 kV 系統(tǒng)取1.16，33 kV 系統(tǒng)取1.13。

2.3 東非鐵路電力系統(tǒng)中性點接地方式選擇

根據(jù)式（1）、式（2），計入變電所設(shè)備增流因素后，Nairobi Terminus 站66/11 kV 變電所、Ngong站和Maai Mahiu 站66/33 kV 變電所單相接地故障電容電流如表2 所示。

表2 變電所單相接地故障電容電流

根據(jù)上述計算結(jié)果：3 座變電所單相故障電容電流均大于10 A，國內(nèi)一般采用消弧線圈接地方式，可降低殘余電流并提高可靠性。根據(jù)肯尼亞當?shù)仉娏忠?，所有電力系統(tǒng)必須采用有效接地方式。結(jié)合既有Nairobi Terminus 66/11 kV 變電所采用Y-Δ型繞組，故該變電所11 kV 側(cè)采用Zn 型接地變壓器以及小電阻接地裝置有效接地方式，實現(xiàn)零序保護可靠動作且兼具極好靈敏性；Ngong 66/33 kV 變電所和Maai Mahiu 66/33 kV 變電所采用Y-Y-Δ（開口）型繞組，33 kV 側(cè)直接接地方式，配套接地裝置以及零序過流和零序速斷保護。

3 變電所無功補償設(shè)置

東非鐵路設(shè)計標準較低、里程短，66/33 kV 變電所采用高壓集中無功補償裝置，33/0.4 kV 箱式變電站采用低壓集中無功補償裝置。既有Nairobi Terminus 66/11 kV 變電所原無功補償容量能滿足新增內(nèi)馬鐵路DK0～DK26+300 供電臂要求。Ngong站和Maai Mahiu 站66/33 kV 變電所供電臂采用架空線和電纜混合供電方式，經(jīng)分析采用SVG 雙向動態(tài)無功補償裝置。

內(nèi)馬鐵路DK31+900—DK120+000 采用33 kV架空線和電纜混合的供電方式，根據(jù)全線供電線纜數(shù)量，取以下兩種極端情況分別作為無功補償容量選擇的上、下限值：（1）變壓器感性無功容量取計算容量的5%，經(jīng)計算，當變壓器負載率5%，功率因數(shù)cosα= 0.95 時，補償情況如表3 所示；（2）當變壓器負載率85%，功率因數(shù)cosα= 0.95 時，補償情況如表4 所示。經(jīng)分析，系統(tǒng)所需補償輸出計算容量為?400～1 600 kVar。

表3 變壓器補償情況（負載率5%，cos α = 0.95）

表4 變壓器補償情況（負載率85%，cos α = 0.95）

考慮東非地區(qū)氣候溫度、海拔、線路施工誤差、設(shè)備生產(chǎn)誤差等因素，建議補償容量不小于計算容量的1.1 倍，即可取?450～1 800 kVar。根據(jù)現(xiàn)場無功補償裝置運行狀態(tài)監(jiān)測，目前運轉(zhuǎn)狀態(tài)良好，無功補償后功率因數(shù)完全滿足當?shù)仉娏忠蟆?/p>

還需要特別指出：（1）無論是施工臨時用電還是永久工程用電，必須設(shè)置無功補償，以滿足當?shù)仉娏謱β室驍?shù)的要求，否則將面臨較大罰款；（2）考慮到東非鐵路經(jīng)常停電，補償容量按照跨區(qū)跨所供電考慮，即Ngong 66/33 kV變電所和Maai Mahiu 66/33 kV 變電所均補償?450～1 800 kVar。

4 高低壓保護設(shè)置

一般情況下，東非鐵路電力系統(tǒng)高低壓保護設(shè)置情況與國內(nèi)相同，在過流保護和缺相保護方面要求較高，本節(jié)僅對此進行分析。

4.1 反時限過流保護

反時限過流保護的特性是保護裝置動作時限與短路電流成反比，裝置越靠近電源，保護動作時間越短。在我國，反時限過電流保護逐漸被廣泛應用于配電線、變壓器、電動機等系統(tǒng)中[4]。

東非地方電力局提出，高壓進線側(cè)過流保護及零序保護必須設(shè)置為反時限保護，鑒于此，建議今后東非鐵路電力項目設(shè)計（圖紙及技術(shù)規(guī)格書）中，規(guī)定高壓進線處過流保護及零序保護增設(shè)可選反時限保護。

4.2 缺相保護

國內(nèi)電力設(shè)備缺相保護的設(shè)置情況：對于單臺容量小于1 000 kV·A 的干式變壓器和單臺容量小于800 kV·A 的油浸式變壓器，高壓側(cè)采用熔斷器保護，不要求高壓設(shè)備設(shè)置欠壓和缺相保護；對于低壓設(shè)備，除熔斷器保護的連續(xù)運行的電動機外，一般不設(shè)置缺相保護，低壓線路缺相時，三相電流不平衡，漏電保護裝置作用于跳閘，如空調(diào)插座、普通插座等[5]。

考慮到東非地區(qū)電能質(zhì)量差，高低壓缺相保護動作的現(xiàn)象頻發(fā)，對于變壓器高壓側(cè)采用熔斷器的情況，必須在變壓器低壓出線斷路器處設(shè)置缺相保護，以確保高低壓設(shè)備安全運行。

5 鐵路貫通線路優(yōu)化

東非地區(qū)土壤以黑棉土為主，常年無冰，我國鐵路電力架空線相關(guān)圖集不能滿足東非環(huán)境的要求，需要對電桿、橫擔、拉線、拉盤、卡盤、底盤、檔距等進行重新設(shè)計。

另外，還需要強調(diào)拉線絕緣子的設(shè)置。在國內(nèi)，鋼筋混凝土電桿拉線僅當拉線從導線之間穿過時才設(shè)置拉線絕緣子，其他情況一般不裝設(shè)拉線絕緣子。在東非地區(qū)，設(shè)置拉線絕緣子的情況普遍存在，鐵路電力貫通線必須采用拉線絕緣子。

6 結(jié)語

本文借鑒蒙內(nèi)鐵路、內(nèi)馬鐵路、亞吉鐵路、坦盧鐵路等的建設(shè)經(jīng)驗，以內(nèi)馬鐵路為例，總結(jié)了東非鐵路和中國鐵路在電力供電系統(tǒng)設(shè)計方面的差異，分析采用33 kV 供電系統(tǒng)比較適合電網(wǎng)匱乏的東非地區(qū)，供電系統(tǒng)必須采用中性點有效接地方式，施工用電和永久工程用電均需設(shè)置無功補償和按照跨區(qū)跨所計算補償容量，必須設(shè)置反時限過流保護和缺相保護，電力架空線圖集的設(shè)計和設(shè)置拉線絕緣子的必要性等5 個方面。本文通過借鑒國內(nèi)項目經(jīng)驗，將國內(nèi)鐵路設(shè)計標準加以優(yōu)化，與中非鐵路電力設(shè)計標準相結(jié)合，對其他非洲鐵路建設(shè)項目具有借鑒意義。