武广高速铁路电力工程设计

2010-08-15陶力军

铁路技术创新 2010年1期

关键词：中性点高速铁路电容

■ 陶力军

陶力军：中铁第四勘察设计院集团有限公司，高级工程师，副所长，湖北武汉，430063

摄影徐云华

1 10 kV电力贯通电缆线路电容电流的补偿

贯通线电缆线路对地存在电容，正常送电运行或单相接地时都有电容电流流过线路，而且电缆线路相间及对地电容远大于架空线路，电缆线路的电容电流亦远大于架空线路的电容电流，可能造成以下几点危害[1]。

（1）引起主变压器或调压器过载；

（2）单相接地时易造成电弧重燃，引起3倍以上的过电压，易损坏供电设备或造成多相短路事故；

（3）贯通线电缆的分布电容产生的容性无功，会导致系统容性无功过剩，线路末端电压上升。

因此，必须对线路电容电流进行补偿，补偿电缆电容电流较好的办法是设置专用的并联补偿电抗器，主要有两种方式。

方式一：在配电所集中设置动态补偿电抗器。这种方式维护方便；贯通线故障隔离时，动态补偿电抗器可自动调整，不会产生过补偿；补偿电抗器对降低线路容性电流没有作用，仅补偿容性无功功率；投资相对较大，需设置专用房屋，噪声较大。

方式二：在区间贯通线上分散并联补偿电抗器，按贯通线分段长度比例分散补偿电抗器。这种方式维护较方便，可与区间箱式变压器同时进行；贯通线故障隔离时，剩余段补偿仍然均匀；能有效降低线路容性电流；投资相对较小，不需设置专用房屋，可采用箱式电抗器与区间箱式变电站相邻布置。

武广高速铁路电力工程设计中采用方式二，在全线两回10 kV电力贯通电缆线路上每隔10 km左右分别分散设置箱式电抗器，起到补偿接地电容电流、补偿容性无功功率、限制线路末端电压上升的综合作用，其实际效果已在电力贯通线送电运行后得到验证。

2 贯通线中性点接地方式的选择

长期以来，我国铁路10 kV电力贯通线绝大多数采用架空线路，电缆线路少，线路电容电流不大，10 kV供电系统一般采用中性点不接地系统。而武广高速铁路10 kV电力贯通线全部采用电缆线路，当发生单相接地故障时，每公里10 kV电缆故障相的电容电流约为1～1.5 A，是架空线路的30倍左右。武广高速铁路两座相邻10 kV配电所间距一般为40～70 km，发生单相接地时线路电容电流可达40～105 A，线路单相接地电容电流过大，电网安全运行受到威胁，因此在10 kV供电系统中采用中性点不接地系统已无法保证电缆线路安全。

以电缆线路为主的10 kV配电线路，不同国家接地方式不同，有中性点直接接地、经低电阻接地、经消弧线圈接地等方式。国内外没有统一的规定，同一个国家不同城市接地方式也不相同，我国现有国家标准主要支持消弧线圈接地和低电阻接地两种方式。

中性点经消弧线圈接地方式[2]。该方式运行可靠性高，发生单相接地故障时可继续运行2 h；对瞬间故障能自动熄弧；故障点对地电位低；单相接地的异常过电压能抑制在2.8倍相电压以下；运行管理和继电保护比较复杂。

中性点经低电阻接地方式。该方式单相接地的异常过电压能抑制在2.8倍相电压以下；继电保护简单；运行管理比较简单；供电可靠性较低；故障点地电位高，对人身及设备安全不利；对通信和电子设备干扰较大。

电力行业标准《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合DL/T620-1997》中规定[3]：

（1）3～10 kV不直接连接发电机系统和35 kV，66 kV系统。当单相接地故障电容电流不超过下列数值时，应采用中性点不接地方式；当超过下列数值又需在故障条件下运行时，应采用经消弧线圈接地方式。

① 3～10 kV钢筋混凝土或金属杆塔的架空线路构成的系统和所有35 kV，66 kV系统，为10 A。

② 3～10 kV非钢筋混凝土或金属杆塔的架空线路构成的系统，当电压为3 kV，6 kV时，为30 A；10 kV时，为20 A。

③ 3～10 kV电缆线路构成的系统，为30 A。

（2）6～35 kV主要是电缆线路构成的送、配电系统。单相接地故障电容电流较大时，可采用低电阻接地方式，但应考虑供电可靠性要求、故障时瞬态电压、瞬态电流对电气和通信设备的影响以及继电保护技术要求。

武广高速铁路采用两条10 kV电力贯通线供电，供电可靠性高，电缆不需要带故障运行，而且全电缆线路发生瞬间故障的概率较低。根据铁道部运输局“运计装备［2009］56号”文《关于统一高速铁路电力供电系统接地方式的通知》的要求，10 kV电力贯通线系统采用中性点经低电阻接地的运行方式。

当发生单相接地故障时，继电保护装置启动，及时切断故障线路。选择中性点接地电阻值要统筹考虑各方面的因素，如电阻值选得过小，则接地电流过大，对附近的通信线路干扰较大；电阻值选得过大，则接地电流过小，继电保护的动作可靠性降低。根据IEEE143标准规定，15 kV及以下系统低电阻接地运行方式的接地故障电流应限制在400 A以下。为了降低单相接地电流对信号的干扰，减少人身伤亡，保证继电保护快速动作，采用低电阻接地系统，10 kV系统单相接地电流宜限制在300～350 A较为合适。

采用低电阻接地系统，中性点与大地之间用很小的电阻相连，一旦发生单相接地故障，将产生高达几百安的接地电流，因此必须设置零序电流保护，迅速可靠地将此电流切断。低电阻接地系统中继电保护的选择性和灵敏度较好。

3 电力贯通线电缆金属护层的接地方式

按照《电力工程电缆设计规范》（GB 50217-2007）规定[4]，电力电缆金属护层必须直接接地。电缆金属护层的接地方式分为线路一端单点直接接地、线路中央部位单点直接接地、线路两端直接接地等方式。武广高速铁路采用线路一端单点直接接地方式，并且在线路另一端经电缆护层电压限制器接地，主要基于以下考虑。

（1）武广高速铁路区间箱式变电站间距最大不超过3.0 km，故单根电力贯通线电缆长度一般不超过3.5 km，单芯电缆按要求应尽量避免中间接头，因此不可能采用线路中央部位单点直接接地方式。

（2）按GB 50217-2007第4.1.10条规定，未采取能有效防止人员任意接触电缆金属护层安全措施时，金属护层的正常感应电势不得大于50 V，采取相应措施后不得大于300 V。经计算及相关铁路现场测量验证，武广高速铁路采用的线路一端单点直接接地方式能够满足上述要求。

（3）电缆金属屏蔽层中在正常和故障情况下都有感应电流通过，如果采用线路两端直接接地方式，实际上是把电力电缆金属屏蔽层作为铁路贯通地线使用，此时电缆金属屏蔽层需要满足一定的载流量要求，其截面积一般不能小于16 mm2。从而增加了贯通线电缆投资，每公里电缆需增加约1.5万元，武广高速铁路全线需增加投资约1亿多元。

4 电力工程设计应用的新设备新材料

武广高速铁路电力工程设计中采用一系列新设备新材料，如电力贯通线电缆采用不锈钢铠装的单芯铜芯电缆，10 kV变配电所高压开关柜采用全封闭SF6绝缘开关设备（GIS），低压开关柜采用智能型模数化组合柜型；变压器、调压器采用干式节能型设备，区间负荷供电均采用统一模式的箱式变电站，各站房设置高压备用柴油发电机组等。

4.1 电力贯通线采用单芯电缆

长期以来，我国铁路电力贯通线采用三芯电缆，武广高速铁路电力贯通线采用三根单芯电缆，虽然投资有所增加，但具有以下优点[5]：

（1）单芯电缆与柜内终端连接时，可避免交叉，使电气安全间距较宽裕，改善安装作业条件；

（2）可避免电缆中间接头，增强运行可靠性；

（3）单芯电缆较同截面的三芯电缆载流量增加约10%，可使电缆截面选择降低一档；

（4）一旦电缆发生接地，难以形成相间短路；

（5）容许弯曲半径较小，有利于电缆敷设。

4.2 高压开关柜采用全封闭SF6绝缘开关设备（GIS）

过去我国铁路10 kV变配电所高压开关柜采用空气绝缘柜，铁路区间用电负荷供电一般采用杆上变电台，电力变压器一般采用油浸变压器。武广高速铁路采用全封闭SF6绝缘开关设备（GIS）、统一模式的箱式变电站、干式节能型电力变压器，同时10 kV变配电所配置综合自动化系统、低压监控装置、区间箱式变电站上设置的远程控制单元（RTU）均纳入数据采集与监控子系统（SCADA），并由综合调度中心对电力设施集中监控。以上措施大大提高供电可靠性，使主要电气设备免维护少维修。

4.3 沿线设高压备用柴油发电机组

沿线各铁路车站站房设高压备用柴油发电机组，在百年一遇的冰雪灾害情况下，仍能基本保证铁路正常生产生活秩序。在各车站站房内设置一台10 kV柴油发电机组，主要供站房内通信、信号、客运信息设备及应急照明用电等一级负荷，并给区间10 kV电力贯通线供电。在重大灾害情况下当地方电网全部停电时，启动发电机组，保障与铁路运行、管理密切相关的重要用电负荷不间断供电。

总之，武广高速铁路电力工程实现电力线路入地、电力设备进屋、电力供电全过程监控、主要电力设备免维护、变配电所无人值班，其技术设备装备水平达到国际国内一流水平。