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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
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
中图分类号:U223文献标识码:A
引言
世界已进入建设高速电气化铁路的新时期。特别是欧洲已经突破了国界，向路网化、国际化发展。高速电气化铁路已经成为国家社会经济发展水平和铁路现代化的主要标志之一。按照铁道部的《中长期铁路网规划》，从2005年到2020年，铁道部将投入两万亿元资金进行铁路建设，近期每年投资在2000亿元以上。到2020年，全国铁路营业里程达到10万公里，电化率均达到50%以上。
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鎖均能为其供电[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.
二、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.其中以论述我国高速铁路单芯电缆贯通线设计要点
（一）、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2～30KkVA.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］.
举例：某铁路（用X铁路代名）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. 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.
（二） 中性点接地方式的确定
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; 中性点不接地。其中，中性点阻抗接地，按接地电流大小又氛围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，电容电流比较小，采用中性不接地系统。根据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》（DL/T620-1997）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架空电缆呼和线路单相接地故障电容电流超过20A 时，接地系统应此阿勇谐振接地系统或小电阻（也就是俗称的低阻）接地系统。
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量系统电容电流大小、正确识别系统单项接地状态、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.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.
（三） 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。
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。
、单芯电缆金属层接地方式选择
电缆线路薄弱点为电缆头，有些铁路上为了减少电缆中间头，采用单芯电缆取代三芯电缆，50mm2的单芯电缆盘厂达到3km。单芯电缆的金属外层采用金属非磁铠装，避免金属外凯层产生涡流。
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.
智能箱式变电站和电力远动系统
(一)、 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, 例：某铁路设计采用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2, 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2 智能箱变主用电源主接线图
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者远方手动切除故障区段，即分断贯通线故障区段两侧只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，及时发现和处理负荷引起的低压回路跳闸。
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
（二） 电力SCADA系统
X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、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. X铁路166km, 共有
33个供电点纳入电力远动.电力远动通道采用鐵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.
四、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.同时要采用只能箱变、多点更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
关键词: 铁路供电; 单芯电缆; 电容电流; 智能箱变
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
中图分类号:U223文献标识码:A
引言
世界已进入建设高速电气化铁路的新时期。特别是欧洲已经突破了国界，向路网化、国际化发展。高速电气化铁路已经成为国家社会经济发展水平和铁路现代化的主要标志之一。按照铁道部的《中长期铁路网规划》，从2005年到2020年，铁道部将投入两万亿元资金进行铁路建设，近期每年投资在2000亿元以上。到2020年，全国铁路营业里程达到10万公里，电化率均达到50%以上。
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鎖均能为其供电[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.
二、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.其中以论述我国高速铁路单芯电缆贯通线设计要点
（一）、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2～30KkVA.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］.
举例：某铁路（用X铁路代名）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. 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.
（二） 中性点接地方式的确定
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; 中性点不接地。其中，中性点阻抗接地，按接地电流大小又氛围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，电容电流比较小，采用中性不接地系统。根据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》（DL/T620-1997）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架空电缆呼和线路单相接地故障电容电流超过20A 时，接地系统应此阿勇谐振接地系统或小电阻（也就是俗称的低阻）接地系统。
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量系统电容电流大小、正确识别系统单项接地状态、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.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.
（三） 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。
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。
、单芯电缆金属层接地方式选择
电缆线路薄弱点为电缆头，有些铁路上为了减少电缆中间头，采用单芯电缆取代三芯电缆，50mm2的单芯电缆盘厂达到3km。单芯电缆的金属外层采用金属非磁铠装，避免金属外凯层产生涡流。
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.
智能箱式变电站和电力远动系统
(一)、 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, 例：某铁路设计采用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2, 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2 智能箱变主用电源主接线图
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者远方手动切除故障区段，即分断贯通线故障区段两侧只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，及时发现和处理负荷引起的低压回路跳闸。
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
（二） 电力SCADA系统
X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、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. X铁路166km, 共有
33个供电点纳入电力远动.电力远动通道采用鐵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.
四、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.同时要采用只能箱变、多点更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