論非洲國(guó)家鐵路電力供配電方案的選擇

張瀧

（中土集團(tuán)福州勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，福建 福州 350000）

1 概述

鐵路電力供配電系統(tǒng)作為鐵路系統(tǒng)組成的核心部分，為鐵路車站及沿線區(qū)間等非牽引負(fù)荷進(jìn)行供電，其重要性不言而喻。如果鐵路供配電系統(tǒng)發(fā)生問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致鐵路系統(tǒng)許多功能無(wú)法正常運(yùn)行，進(jìn)一步影響鐵路運(yùn)營(yíng)效率，甚至帶來(lái)安全隱患。

面對(duì)非洲國(guó)家電力資源匱乏、公共電網(wǎng)薄弱、基礎(chǔ)設(shè)施陳舊，且各國(guó)執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)復(fù)雜多樣等問(wèn)題，在非洲國(guó)家所實(shí)施的鐵路電力設(shè)計(jì)不能生搬硬套國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式，應(yīng)當(dāng)針對(duì)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，結(jié)合工程特點(diǎn)，采用安全適用、供電可靠、經(jīng)濟(jì)合理、使用維護(hù)方便的電力設(shè)計(jì)方案。

本文通過(guò)介紹鐵路負(fù)荷分布特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)鐵路電力供配電系統(tǒng)模式，以及針對(duì)非洲國(guó)家電力資源現(xiàn)狀，對(duì)在電源匱乏地區(qū)的鐵路電力供配電系統(tǒng)方案進(jìn)行研究。

2 鐵路負(fù)荷類型、分級(jí)及供電要求

鐵路用電負(fù)荷主要分布于沿線的車站、段所和區(qū)間。其中，車站負(fù)荷主要有：通信、信號(hào)、綜合調(diào)度系統(tǒng)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)設(shè)備、給排水、暖通、照明、消防等；段所負(fù)荷主要有：檢修、整備、試驗(yàn)、化驗(yàn)、給排水、暖通、照明、消防等；區(qū)間負(fù)荷主要有：信號(hào)中繼站、通信基站、直放站、牽引變電所用電、防災(zāi)系統(tǒng)及隧道照明、通風(fēng)等設(shè)備用電。

根據(jù)規(guī)范要求，用電負(fù)荷被劃分成三個(gè)等級(jí)。一級(jí)負(fù)荷：應(yīng)采用兩路相對(duì)獨(dú)立電源供電。二級(jí)負(fù)荷：有條件時(shí)宜采用兩路電源供電，當(dāng)供電條件困難時(shí)，可由一路專用電力線路供電。三級(jí)負(fù)荷：可由一路可靠電源供電。

鐵路車站、段所的用電負(fù)荷較為集中，且用電負(fù)荷較大；區(qū)間用電負(fù)荷較小，但因沿線設(shè)置，負(fù)荷點(diǎn)多且較為分散。綜合實(shí)際情況，需采用兩路獨(dú)立電源供電的負(fù)荷較多。

3 國(guó)內(nèi)鐵路電力供配電系統(tǒng)方案

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施的不斷建設(shè)，電力資源較為豐富，能夠滿足我國(guó)鐵路工程的建設(shè)需求。鐵路電力供配電系統(tǒng)由外部電源、變配電所、高壓配電系統(tǒng)、低壓配電系統(tǒng)等組成。目前，國(guó)內(nèi)鐵路電力供配電系統(tǒng)已形成了一套成熟的設(shè)計(jì)模式，即集中供電模式，下面就該模式進(jìn)行介紹。

外部電源采用公共電網(wǎng)可靠電源，根據(jù)用電容量，電源線路長(zhǎng)度，當(dāng)?shù)毓搽娋W(wǎng)條件等因素，一般采用10kV電源。

根據(jù)電源分布情況和運(yùn)營(yíng)維護(hù)方便原則，宜每隔40～60km 設(shè)置鐵路10kV 配電所，優(yōu)先選擇在車站或負(fù)荷集中點(diǎn)。在相鄰2 個(gè)配電所之間以互為備用的供電方式設(shè)置10kV 電力貫通線，對(duì)沿線變電所進(jìn)行高壓供電，該模式極大程度上減少外部電源工程，提高鐵路電力供配電系統(tǒng)可靠性。鐵路配電所一般采用“一站一所”的方式，向一級(jí)負(fù)荷供電的鐵路雙電源10kV 配電所電源，其中一路宜為專盤(pán)專線。向電力貫通線路供電的相鄰兩變、配電所電源之間應(yīng)符合雙重電源條件，且其中一個(gè)變、配電所的電源宜為兩路電源。其他變、配電所應(yīng)有一路可靠電源，有條件時(shí)宜有兩路電源。

電力貫通線分為單貫通線和雙貫通線，一般在高等級(jí)鐵路中采用雙貫通線路模式，如客運(yùn)專線、自動(dòng)閉塞鐵路等；低等級(jí)鐵路采用單貫通線路模式，如半自動(dòng)閉塞鐵路。鑒于大部分非洲國(guó)家鐵路等級(jí)較低，對(duì)其設(shè)計(jì)時(shí)一般考慮采用單貫通線模式，故本次以單貫通線模式來(lái)介紹國(guó)內(nèi)鐵路電力供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

3.1 車站供電方案

每座車站均設(shè)置10/0.4kV 變電所，設(shè)有鐵路配電所的車站，外部電源從地方公共電網(wǎng)接引。其10/0.4kV 變電所的一路電源由鐵路配電所站饋線接引，作為車站所有負(fù)荷的主用電源；從10kV 電力貫通線上接引一路電源，作為車站信號(hào)、通信、信息、消防等一、二級(jí)負(fù)荷的備用電源。

3.2 區(qū)間供電方案

區(qū)間負(fù)荷供電一般采用就近設(shè)置桿式變電臺(tái)或箱式變電站的方式，從10kV 電力貫通線接引電源。

3.3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)

國(guó)內(nèi)鐵路供配電系統(tǒng)方案的供電可靠性高、電能質(zhì)量好、一次性投資較高、運(yùn)行維護(hù)工作量少。

4 非洲國(guó)家鐵路電力供配電系統(tǒng)方案的研究

非洲國(guó)家基本處于發(fā)展落后狀態(tài)，除國(guó)家首都外，其他地區(qū)的電網(wǎng)均較為薄弱。對(duì)于電網(wǎng)薄弱區(qū)域的鐵路電力供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，面臨地區(qū)電力資源匱乏、公共電網(wǎng)基礎(chǔ)薄弱、電能質(zhì)量及供電可靠性差等困難，若完全套用國(guó)內(nèi)鐵路電力供配電系統(tǒng)方案，在該區(qū)域上難以實(shí)施。因此，我們需在既有的國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)方案上，尋找出符合當(dāng)?shù)貒?guó)情的適宜的供電方案。以下就幾種供電方案及實(shí)例案例進(jìn)行闡述。

4.1 方案一

全線不設(shè)電力貫通線，在車站、段所、區(qū)間用電負(fù)荷就近設(shè)置變、配電所，變、配電所從地方公共電網(wǎng)接引電源。

該方案供電可靠、電能質(zhì)量好、運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作量低、一次投資少，但考慮全線變、配電所均從地方接引電源，對(duì)地方電力資源要求高，一般情況下，該方案在電網(wǎng)薄弱的國(guó)家比較難以實(shí)施。

例如，亞吉電氣化鐵路就是采取了方案一的供配電模式。但該鐵路截止2023 年底，建成通車6 年，全線除Labu 車站有兩路地方電源引入，供電基本良好外，其余車站、區(qū)間當(dāng)?shù)毓╇姴块T(mén)均僅能提供一路電源，且因地區(qū)電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施較為陳舊，日常運(yùn)維跟不上，導(dǎo)致頻繁停電，無(wú)法保障與行車直接相關(guān)的通信、信號(hào)等重要設(shè)備的可靠用電，進(jìn)而影響安全行車和正常運(yùn)營(yíng)。如為提高其余車站的供電可靠性，考慮新建第二路外部電源線路的話，還需考慮既有地方電力變、配電設(shè)備是否需要更新問(wèn)題，且部分地區(qū)不具備第二路電源條件。

4.2 方案二

全線不設(shè)電力貫通線，在車站、區(qū)間用電負(fù)荷就近設(shè)置變、配電所。變、配電所從地方公共電網(wǎng)接引一路電源，作為用電負(fù)荷的主用電源，另設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組作為一、二級(jí)負(fù)荷的備用電源。

該方案供電可靠、電能質(zhì)量好、運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作量較低、一次投資較少，但考慮全線變、配電所均需從地方接引一路電源，對(duì)地方電力資源要求較高。

考慮亞吉鐵路當(dāng)前外部電源供電情況，可考慮采取方案二的供配電模式，改善供電穩(wěn)定性。首先，采用柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源無(wú)需考慮區(qū)域內(nèi)是否存在第二路外部電源條件，減少外部電源工程投資；其次，因非洲國(guó)家鐵路等級(jí)較低、規(guī)模較小，各車站、段所用電負(fù)荷容量較少，且市面上柴油比較充足、便宜，能夠滿足日常發(fā)電機(jī)組的用油需求，相比較對(duì)外部電源設(shè)施的改造，投資較少。另考慮當(dāng)?shù)赝獠侩娫搭l繁停電，發(fā)電機(jī)組使用頻率較高，可采用雙發(fā)電機(jī)組作為備用電源，提高供電可靠性。

4.3 方案三

供配電系統(tǒng)在方案一、二的基礎(chǔ)上，設(shè)置交直交電源裝置，裝置從接觸網(wǎng)取電，對(duì)沿線重要用電負(fù)荷進(jìn)行供電。

該方案供電可靠、電能質(zhì)量好、運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作量較低、一次投資較少，只需考慮車站變、配電所從地方接引電源，但只適用于電氣化鐵路。

由于鐵路沿線區(qū)間負(fù)荷較為分散，大多位于邊遠(yuǎn)地區(qū)，周邊電力資源較為匱乏，有的地區(qū)周邊沒(méi)有公共電網(wǎng)；另電網(wǎng)薄弱區(qū)域供電穩(wěn)定性也相對(duì)較差，嚴(yán)重影響區(qū)間用電負(fù)荷，進(jìn)而影響安全行車和正常運(yùn)營(yíng)。接觸網(wǎng)作為向電力機(jī)車供電的輸電線路，電源可靠性高，且區(qū)間用電負(fù)荷均在鐵路沿線上，取電便捷。交直交電源裝置從接觸網(wǎng)上取電，通過(guò)變壓器降壓、整流、逆變后，可向用電負(fù)荷提供良好的電源，但該方案只適用于電氣化鐵路。

例如，坦桑尼亞中央線ISAKA 至MWANZA 鐵路，該鐵路為電氣化鐵路，全線未設(shè)置鐵路電力貫通線。在車站、段所均設(shè)置變電所，變電所從地方公共電網(wǎng)接引一路外部電源作為主用電源。同時(shí)，與變電所合建發(fā)電機(jī)房，采用一組柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源。變壓器和柴油發(fā)電機(jī)組構(gòu)成一用一備的供電模式，對(duì)車站、段所內(nèi)的所有負(fù)荷進(jìn)行供電。另考慮車站、段所內(nèi)與行車密切相關(guān)的通信、信息、信號(hào)等特別重要負(fù)荷的用電可靠性，就地從接觸網(wǎng)取電，經(jīng)交直交電源裝置轉(zhuǎn)化后與變壓器、柴油發(fā)電機(jī)共同構(gòu)成三路電源的供電模式，大大提高了用電可靠性。

因沿線區(qū)間負(fù)荷周邊沒(méi)有公共電網(wǎng)，沿線區(qū)間負(fù)荷采用就地接觸網(wǎng)取電作為用電負(fù)荷的主用電源，另設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組作為用電負(fù)荷的備用電源。

4.4 方案四

在車站或負(fù)荷集中點(diǎn)設(shè)置鐵路配電所，配電所從地方公共電網(wǎng)接引一路電源。在相鄰2 個(gè)配電所之間以互為備用的供電方式設(shè)置電力貫通線，沿線變電所高壓電源從電力貫通線接引，作為用電負(fù)荷的主用電源，另設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組作為一、二級(jí)負(fù)荷的備用電源。

該方案供電可靠、電能質(zhì)量好、運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作量較低、一次投資高。

例如，尼日利亞拉伊鐵路就是采取方案四的供配電模式。該鐵路沿線分別在Lagos、Abeokuta 及Ibadan 車站設(shè)置鐵路配電所，另考慮當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的不穩(wěn)定性，在與行車直接相關(guān)的通信、信號(hào)等重要設(shè)備的場(chǎng)所，采用2臺(tái)發(fā)電機(jī)組（一用一備）作為備用電源；其余綜合工區(qū)、貨場(chǎng)、整備場(chǎng)、機(jī)輛段等場(chǎng)所采用單臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)分析國(guó)內(nèi)常用鐵路電力系統(tǒng)模式和非洲國(guó)家當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，歸納總結(jié)出適用于電網(wǎng)薄弱區(qū)域鐵路項(xiàng)目的電力供配電系統(tǒng)方案。以上四種供電方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，電網(wǎng)薄弱區(qū)域往往存在電網(wǎng)分布不均的情況，一條鐵路多段分區(qū)內(nèi)可能有多種外部電源情況，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮當(dāng)?shù)貒?guó)情、工程特點(diǎn)、線網(wǎng)規(guī)劃，需經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較后進(jìn)行確定。