西南民族大学学报·自然科学版第34卷第3期Journal of Southwest University for Nationalities ⋅Natural Science Edition Jun.2008______________________________________________________________________________________________收稿日期：2008-03-25作者简介: 廖宇(1965-), 男, 中国中铁二院工程集团有限责任公司高级工程师.文章编号: 1003-2843(2008)03-0560-05高速铁路电力供电系统的研究廖 宇（中国中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031）摘 要: 高速铁路电力供电系统采用多种新技术、新设备提高供电可靠性. 本文着重分析单芯全电缆设计过程中的技术难题和解决方法; 使用智能箱变、电力远动系统对提高供电可靠性的作用. 关键词: 铁路供电; 单芯电缆; 电容电流; 智能箱变 中图分类号: U223 文献标识码: A1 引 言铁路电力供电系统为除列车牵引供电以外的所有铁路设施供电. 铁路供配电系统是从地方变电站接引两路10kV （35kV ）电源, 通过铁路变配电所向铁路车站、区间负荷供电. 铁路变配电所的间距40～60km, 个别区段长达80～90km. 高速铁路区间每隔3km 左右有一处负荷点, 负荷类型为通信、信号、防灾设备等一级负荷及区间摄像机等二级负荷. 从变配电所馈出2条10kV 电力线路, 沿铁路敷设向其供电, 该电力线路被称为贯通线, 一条称一级负荷贯通线, 另一条称综合负荷贯通线. 贯通线两端的铁路变配电所通过贯通馈线高压开关柜内电压互感器与断路器联锁均能为其供电[1]. 为了保证长距离、轻负荷的区间贯通线供电质量, 铁路变配电所设有专用10/10kV 的调压器, 经过调压器向贯通线供电[2]. 高速铁路10kV 配电所主接线图见图1.图1 高速铁路10kV 配电所主接线图第3期合宁铁路是中铁二院中标的国内第一条250km/h高速铁路, 为了保证铁路供电可靠性, 采用单芯全电缆贯通线、智能箱变、电力远动系统、GIS高压开关柜等新技术、新设备. 特别是采用单芯全电缆贯通线, 在充电电流作用下, 出现贯通线末端电压抬升、接地系统变化、无功倒送、单芯电缆金属护层接地方式的选择等诸多技术难点, 下文以合宁铁路为例, 论述采取何种技术手段解决上述问题, 保证供电可靠性.2 单芯全电缆贯通线设计要点我国常速铁路贯通线以架空方式为主, 地形困难地区辅以电缆敷设. 架空线路抗击自然灾害能力较弱, 例如, 2007年底的冰冻灾害导致架空线路损毁, 沿海地区台风、内陆地区洪水等都可能引起架空贯通线供电中断, 导致铁路停运. 调研国外发达国家高速铁路供电系统, 德国等西欧国家采用单芯全电缆方式供电[3].德国铁路密集, 采用网状供电系统; 我国幅员辽阔, 采用沿铁路的线型供电系统. 合宁铁路供电系统图见图2. 以此为例, 论述我国高速铁路单芯全电缆贯通线设计要点.图2 合宁铁路电力供电系统简图2.1 抑制长电缆贯通线电压抬升由于单芯电缆工作电容远大于架空线路工作电容, 铁路贯通线负荷小, 每一区间供电点的变压器容量为2～30KkV A.其负载电流与充电电流相比不能忽略. 电缆充电电流在长电缆线路中将会产生末端电压升高［1］.合宁铁路一级负荷贯通线采用50mm2的单芯全电缆线路, 综合负荷贯通线采用70mm2的架空和三芯电缆结合的混合线路, 混合线路中电缆比例高达70％. 通过采用MATLAB/simulink仿真软件, 利用分布参数模型计算得知, 当贯通线空载线路不设置并联电抗器时, 贯通线末端电压抬升最大, 较首端升高10％; 贯通线带负载, 不设置固定电抗器, 末端电压亦升高, 较首端升高7％. 数据差异的原因为负载电流沿贯通线产生电压降; 负载呈感性, 抵消部分电缆容性充电电流.为了保证贯通线试运行空载和满负载的电压质量, 在贯通线首末端（两端）设置并联电抗器, 抑制长电缆线路电压抬升. 固定电抗器容量见表1. 此时, 贯通线空载末端电压较首端升高5％, 负载末端电压较首端升高2.5％.在铁路变配电所内贯通馈线后设置固定电抗器目的便于运营维护, 其效果较在区间电缆线路上分散设置电抗器略差, 但能满足规范要求. 并联电抗器的投切纳入电力远动系统, 实现远程监控, 以保证空载和满负载时电压质量和设备正常运行.表1 贯通线固定电抗器容量序号贯通线名称首端电抗器（kvar）末端电抗器（kvar）1 高里至黄庵一级负荷贯通线200 2002 高里至黄庵综合负荷贯通线150 1503 黄庵至合肥客站一级负荷贯通线200 2004 黄庵至合肥东站综合负荷贯通线150 150 2.2 中性点接地方式的确定2.2.1 我国电力系统的常用接地方式有四种: 中性点直接接地、中性点谐振接地; 中性点阻抗接地; 中性点西南民族大学学报·自然科学版 不接地. 其中, 中性点阻抗接地, 按接地电流大小又分为高阻接地和低阻接地.常速铁路电力设计中, 贯通线以架空线路为主, 电容电流较小, 采用中性点不接地系统. 根据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》（DL/T 620—1997）3.1.2条规定: 10kV 全电缆线路单相接地故障电容电流超过30A, 10kV 架空电缆混合线路单相接地故障电容电流超过20A 时, 接地系统应采用谐振接地系统或小电阻（低阻）接地系统.通过仿真计算, 合宁铁路有4条贯通线, 每条贯通线单相接地故障电容电流在45A ～90A 之间. 可见,合宁铁路贯通线的接地系统应采用谐振接地系统或小电阻接地系统. 谐振接地系统和小电阻接地系统的特点［2］见表2.表2 谐振接地系统与小电阻接地系统的特点序号 谐振接地系统特点 小电阻接地系统特点1 供电可靠性高 供电可靠性低2 故障点电位低 故障点电位高, 对人身设备安全运行不利3 对通信设备干扰小 对通信设备干扰大4 综合投资低综合投资较高5 适用于中型供配电网络适用多电源、超大城市供配电网络6采用自动调谐设备运行管理简单运行管理简单由于铁路电力贯通线系统容量不大但可靠性要求高. 故合宁铁路贯通线采用消弧线圈构成的谐振接地系统（见图1）. 铁路变配电所从地方电网接引的10（35）kV 外电源均为中心点不接地系统, 由于铁路贯通线通过10/10KV 调压器馈出, 调压器的原边和副边之间只有磁路连接, 没有电路连接, 调压器隔离原边的不接地系统和副边的谐振接地系统, 上述方案技术上可行.随着电力电子科技的发展, 自动跟踪补偿消弧线圈成套装置具备准确测算系统电容电流大小、正确识别系统单相接地状态、自动跟踪和补偿系统单相接地时的电容电流. 同时消弧线圈成套装置设有阻尼电阻, 能有效抑制电缆线路的谐振过电压.2.2.2 消弧线圈成套装置接于10kV 系统的中性点, 铁路变配电所有2种方法可以接引中性点. 方法1: 10/10kV 调压器采用Dyn 接线方式, 在调压器副边可以引出中心点. 方法2: 在贯通母线段通过接地变压器引出中性点. 根据消弧线圈容量计算公式:335.1nCU I W = （1）式中: W——消弧线圈的容量, kV A;I C ——接地电容电流, A; U n ——系统标称电压, kV .合宁铁路黄庵10kV 配电所2台消弧线圈容量为1200kvar 和800kvar; 高里35/10kV 变配电所2台消弧线圈容量为800kvar 和600kvar;根据规范《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》（DL/T 620—1997）3.1.6的规定: 接于YN, d 接线的双绕组或YN, yn,d 接线的三绕组变压器中性点上的消弧线圈容量, 不应超过变压器三相总容量的50%, 并不得大于三绕组变压器的任一绕组的容量.合宁铁路最大贯通调压器容量为1000kV A,无法满足上述规定. 应采用方法2引出中性点. 接地变压器兼做所用变, 节省所用变和相应的高压开关柜（见图1）. 2.3 容性无功倒送的补偿铁路变配电所从地方变电站接引外电源, 规范要求高压侧功率因数补偿至0.9～1. 铁路用电设备为照明、电机和电子类, 均呈感性. 常速铁路设计中, 铁路变配电所设置高压电容器补偿功率因数.高速铁路一级负荷贯通线为全电缆线路, 全电缆线路由于充电电流影响, 出现容性无功倒送. 考虑合宁铁路黄庵配电所一级负荷贯通母线最多带两条贯通线（见图1, 2）, 此时向地方电网返送容性无功最大; 每条贯通第3期 线负载时较空载返送容性无功小;贯通线上的固定电抗器能补偿部分容性无功, 但固定电抗器容量不可调整, 无法满足功率因数的补偿精度要求; 同时考虑一组固定电抗器损坏时应保证铁路正常供电.基于上述分析, 在全电缆的一级负荷贯通线调压器原边母线上设置可调电抗器; 综合负荷贯通线调压器的原边母线上取消电容器补偿（见图1）. 经计算, 合宁铁路黄庵10kV 配电所使用0～600kvar 的可调电抗器, 高里35/10kV 变配电所使用0～250kvar 的可调电抗器. 2.4 单芯电缆金属层接地方式选择电缆线路薄弱点为电缆头, 合宁铁路为了减少电缆中间头, 采用单芯电缆取代三芯电缆, 50mm2的的单芯电缆盘长达3km. 单芯电缆的金属外铠层采用金属非磁铠装, 避免金属外铠层产生涡流.10kV 的三芯电缆带平衡负荷时, 三相电流向量和为零, 金属屏蔽层上的感应电势叠加为零, 三芯电缆金属层采用两端直接接地的方式. 10kV 单芯电缆芯线通过电流时, 在交变电场作用下, 金属屏蔽层必然感应一定的电动势. 单芯电缆金属屏蔽层感应电压的大小与电缆长度和线芯负荷电流成正比, 并与电缆排列的中心距离、金属屏蔽层的平均直径有关.根据《城市电力电缆线路设计技术规定》(DL/T5221-2005)10条规定: 单芯电缆金属护套和金属屏蔽层应采取以下四种之一的方式接地a ．电缆一端直接接地, 另一端通过护层保护器接地 b. 电缆线路中间一点接地, 两端通过护层保护器接地 c. 交叉互联接地d. 电缆两端直接接地方法a 、b 的性质相同; 方法c 施工复杂, 运营维护困难 ; 方法d 施工方便, 但有以下缺点: 在电磁感应电压的作用下, 单芯电缆屏蔽层中产生环流, 环流引起电缆护层发热; 高速铁路沿铁路线设置综合接地系统, 所有需接地的强弱电系统均与其相联, 电力机车的部分牵引工作电流通过综合接地系统流回到牵引变电所, 采用方法d 将使贯通线金属屏蔽层和金属护层通过接触网回流, 影响单芯电缆运行安全.根据上述分析, 合宁铁路采用方法a. 电缆敷设不采用中间接头连接电缆, 采用电缆接线箱、分接箱、“π”接智能箱变将电缆分段连接, 在箱内设置护层保护器（见图3）.护层保护器作用:a ．限制电缆线路金属护层中的工频感应电压;b ．迅速减小电缆线路金属护层中的工频过电压和冲击过电压. 在电缆线路正常工作时,高压电缆护层保护器呈现高电阻状态, 截断单芯电缆金属护层中的工频感应电流和牵引回流的回路; 当电缆线路出现接地故障或过电压时、护层保护器呈现低电阻导通状态, 使得故障电流经保护器迅速泻入大地.3 智能箱式变电站和电力远动系统3.1 智能箱式变电站铁路区间的通信、信号负荷是关系到高速铁路行车安全的一级负荷, 合宁铁路设计采用10/0.4kV 智能箱式变电站, 由一级负荷贯通线和综合负荷贯通线供电, 智能箱变主用电源主接线见图4, 备用电源主接线同此. 箱变高压侧采用“π”接的接线方式, 设置三组高压负荷开关和电流互感器、电压互感器.图3: 电缆分段和金属层单端直接接地图西南民族大学学报·自然科学版 高压负荷开关纳入远动的作用: 当贯通线出现故障时, 电力调度中心通过自动或远方手动切除故障区段, 即分断贯通线故障区段两侧智能箱变的高压负荷开关, 通过两侧铁路变配电所向贯通线供电. 这样保证贯通线出现一处线路故障时, 不影响一级负荷的供电.低压开关纳入远动的作用: 监视一级负荷用电点低压供电, 防止长距离供电影响电能质量, 及时发现和处理用电负荷引起低压回路跳闸.通过采用智能箱变, 所有高低压开关和电流互感器、电压互感器纳入电力远动, 每一开关的RTU 控制装置具备电流电压故障录波功能, 便于事故原因分析和查找, 缩短贯通线故障的查找时间. 为了方便智能箱变维修和远动调试, 利用远动通道设置与调度中心联系的IP 电话. 铁路沿线无人看守, 箱变设置门磁并将信息上传, 监视箱变非正常开门. 箱变内设烟感探测器并上传信息. 为保证通信处理机等弱电设备正常工作, 箱变设置温控自启动通风系统. 通过上述技术措施, 提高智能箱变及供电系统的可靠性和可维护性. 3.2 电力SCADA 系统合宁铁路将重要电力设施纳入电力远动. 电力远动对象为: 铁路变配电所、信号和通信智能箱变, 无铁路变配电所车站接引的地方10kV 电源, 贯通线固定电抗器. 合宁铁路166km, 共有33个供电点纳入电力远动.电力远动通道采用铁通提供的信息多业务平台, 即专用广域网. 通信光缆沿铁路敷设, 冗余配置, 每一需纳入电力远动的供电点提供一路2M 带宽的RJ45以太网接口, 设于上海铁路局调度中心的电力远动主站通过TCP/IP 与每一被控端联系. 实现各重要被控端的无人值班, 实时监控.4 结束语高速铁路在单芯电缆线路上设置固定电抗器抑制末端电压抬升, 贯通线采用谐振接地系统, 铁路变配电所使用可调电抗取代电容器补偿容性无功功率, 单芯电缆采用一端直接接地、另一端通过护层保护器接地, 上述技术措施实现中国高速铁路第一条单芯全电缆线路安全送电. 同时在合宁铁路采用智能箱变、多点大规模电力远动系统提高高速铁路供电可靠性.参考文献:[1] HEINHOLD L, STUBBE R. 电力电缆及电线[M]. 门汉文, 崔国璋, 王海 译. 北京: 中国电力出版社, 2001: 402. [2] 李润先.中压电网系统接地实用技术[M]. 北京: 中国电力出版社, 2002: 11-14.[3] 石耀勇, 兰婷. 高速铁路牵引供电系统模拟仿真模型研究[J]. 机电工程技术, 2007(5): 132-136.Research on the high-speed railway power supply systemLIAO Yu(China Railway Eryuan Engineering Group Co.Ltd, Chengdu 610031, P. R. C.)Abstract: To improve reliability,the high-speed railway power supply system uses a variety of new technologies and equipment.This paper will focus on analyzing the technical problems with their solutions in design of entire single-core cable power line along the railway and the contribution of intelligent box-type substation, power telecontrol system to improve the reliability of the power supply.Key word:Railways power supply; single-core; cable capacitive current; intelligent box-type substatione图4 智能箱变主用电源主接线图。