提高铁路客运专线牵引供电系统可靠性的探讨

钟永发

0 引言

铁路客运专线牵引供电系统主要由牵引变电所、馈电线、接触网、回流线等组成，是铁路客运专线的重要组成部分，一旦牵引供电系统发生故障，将给铁路客运专线运输造成严重影响。因此，有必要采取措施提高牵引供电系统的可靠性，确保铁路客运专线安全可靠运营。

1 牵引供电系统主要存在问题及分析

根据近年来已建成运营的武广线、京沪线、福厦线等客运专线运行状况的调查统计，牵引供电系统主要存在4类常见问题：高压电缆故障、雷击故障、电气绝缘故障和供电系统灵活性较差。

1.1 高压电缆故障分析

铁路客运专线的牵引变电所、AT所、分区所的27.5 kV馈出线大部分采用高压电缆架设，牵引变电所进出高压室开关柜的线路也大都采用高压电缆敷设。在实际施工和运营管理中，由于存在高压电缆材质不良，电缆敷设不规范，电缆头制作质量不高，电缆金属护套接地方式选取不当，以及对电缆的监测和维护不到位等原因，导致高压电缆故障频繁发生，影响供电安全。

1.2 雷击故障分析

铁路客运专线大部分采用高架桥建设方式，接触网通常处在距地面较高的位置，在线路经过平原或地域空旷地带，由于避雷措施设置不合理，防雷接地不良等原因，接触网极易遭受雷电侵袭，引发供电故障。

1.3 电气绝缘故障分析

铁路客运专线主要采用AT牵引供电方式，牵引网结构相对复杂，导线数量较多，在接触网支柱上既悬挂有承力索、接触线，又悬挂有正馈线、保护线、设备引线等附加导线，因此，导线之间的空气绝缘间隙，以及导线对跨线建筑物、隧道及地面的净空要求较高。但由于工程设计和实施中对导线的绝缘间隙设置不合理，控制不到位，日常运营管理中对绝缘部件清扫不及时，对导线附近的建筑物、树木、鸟窝、覆冰等物体防护处置不当，容易造成电气绝缘不良而引发供电故障。

1.4 供电系统灵活性较差分析

铁路客运专线牵引供电系统由于设计上存在缺陷，如牵引变电所一次侧未设置内跨条，牵引变电所27.5 kV馈出线未设置备用断路器，接触网供电单元设置不合理，变电所馈线隔离开关未采用单极隔离开关等原因，导致牵引供电设备发生故障时，供电系统显得灵活性不够，不能通过系统倒闸，及时切除故障，迅速恢复正常设备运行，往往造成故障影响范围较大。

2 提高牵引供电系统可靠性的措施

根据当前铁路客运专线牵引供电系统存在的主要问题，结合客运专线设计、施工及运营实际，提出如下建议和措施，以提高铁路客运专线牵引供电系统的可靠性。

2.1 减少高压电缆故障的措施

（1）确保高压电缆材料质量。铁路客运专线牵引供电系统使用的高压电缆应选用交流、单芯、铜导体，保护层为非磁性金属铠装层的电气化铁道27.5 kV交联聚乙烯绝缘电缆，不得采用35 kV普通电力电缆代替。电缆进场时，应严格按规定核对电缆规格型号，检查电缆外观质量，并对电缆的耐压试验、泄漏电流和绝缘电阻等技术指标进行抽检，严禁不合格电缆进场使用。

（2）严格控制电缆头制作质量。电缆头是高压电缆中绝缘最为薄弱的部位，施工中必须高度重视电缆头的制作质量，应由具有高压电缆头制作资质的专业人员，严格按照技术标准和操作规范要求制作，并对电缆头制作过程留存影像，建立档案资料，做到专人制作，责任到人，确保高压电缆头的制作质量。电缆头的固定应选用不损伤电缆外皮的专用卡具，并选择适当的位置固定，严禁斜拉和硬扭而损伤电缆头。

（3）规范电缆敷设。电缆敷设严格按照工艺标准实施，电缆的弯曲半径不得小于电缆外径的15～20倍，施工时注意不得损伤电缆；上下行供电线电缆应分沟敷设，避免其中一条电缆击穿时烧毁相邻电缆，造成上下行同时中断；电缆穿越道路、铁路时，应采用高强度PVC管穿管敷设，保护管的内径不小于电缆外径的1.5倍，保护管的弯曲半径不小于其外径的10倍；每条馈线至少敷设1根备用电缆；用作供电线的电缆必须敷设在电力电缆槽内时，应采取措施与电力电缆进行隔离。

（4）设置电缆温度在线监测装置。为加强对高压电缆的在线监测，应对牵引供电系统所有的高压电缆和电缆头设置在线温度监测装置，当运行中高压电缆和电缆头温度异常变化时，监测装置能及时告警，并提醒值班人员进行处理，有效预防和减少高压电缆故障对牵引供电系统的影响。

（5）选取合适的电缆护套接地方式。根据电气化铁道27.5 kV专用电缆的特点，电缆接地方式宜采用下列原则：电缆长度小于1 km时，采用一端直接接地，另一端保护接地方式；电缆长度为1～2 km时，采用电缆中间接地，两端保护接地方式；电缆长度大于2 km时，采用金属护套交叉互联接地方式。保护层电压限制器的选择应符合《电力工程电缆设计规范》的要求。

（6）采用明线架空方式。由于高压电缆投资大，而且发生故障时存在查找困难，恢复时间较长等问题，因此，有条件的地段，线路尽量采用明线架空方式，减少高压电缆的使用。

2.2 预防雷击故障的措施

（1）确保避雷器运行状态良好。牵引供电系统的避雷器应选用带有脱离器的氧化锌避雷器，并加强避雷器的进场质量验收，确保避雷器的规格、型号、质量符合设计及相关技术标准，避雷器的密封性能良好，无裂纹和破损，电气性能符合《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》GB50150的规定。运行中，严格按照检修工艺标准，加强避雷器的巡视检查和检修，发现缺陷及时更换或处理，确保避雷器处于良好的运行状态。

（2）合理设置避雷器。接触网防雷的主要措施是在接触网上设置避雷器，遭受雷击时迅速将雷电流泄入大地，从而保证接触网绝缘子及导线空气绝缘间隙不被击穿。为提高铁路客运专线防雷水平，宜在以下处所设置避雷器：接触网分相及锚段关节处，隧道两端，供电线和正馈线上网点，高压电缆与架空线路的转换处，架空电缆线路的两端。在重污染和强雷区应适当增加避雷器设置数量或增设避雷线，并根据需要考虑增加绝缘子爬距。

（3）利用保护线（PW 线）兼作避雷线。铁路客运专线接触网支柱上安装有PW线，主要作为牵引供电回流使用。由于PW线一般安装在正馈线（AF线）和承力索下方，对接触网不能起到有效防雷的作用。因此，可以考虑参照电力系统的做法，在高、强雷地区，将PW线设置在接触网支柱顶部（图 1），利用 PW 线既作为回流线，也作为接触网的避雷线。PW线兼作避雷线的架设高度应考虑保护角的问题。

图1 PW线兼作避雷线示意图

（4）做好防雷接地。接触网遭受雷击后因防雷接地不良而造成避雷失效也是引起牵引供电系统故障的主要原因之一，因此必须重视牵引供电系统的防雷接地问题。避雷器应做到2点单独接地，接地电阻不大于 10 Ω，接地点不得与综合贯通地线连通，防止雷电流通过综合贯通地线对通信、信号等设备造成影响。

2.3 防止电气绝缘故障的措施

（1）严格控制导线之间及导线对地的绝缘间隙。导线之间及导线对地的绝缘间隙应考虑温度变化，风速（包括动车高速运行引起的活塞风）和覆冰等影响因素，按最不利情况进行校核。在AT供电方式中，宜按下列原则控制导线绝缘间隙：AF线与PW线的距离不小于1 000 mm；尽量减少AF线与承力索的交叉跨越，必须交叉跨越时，应保证AF线距承力索的距离不小于1 200 mm，并在交叉点的AF线和承力索上设置绝缘护套；AF线、供电线及接触网等带电部分通过隧道或上跨建筑物时，必须确保绝缘间隙不小于700 mm，并对隧道口和进出跨线建筑物处的导线安装绝缘护套。

（2）缩短绝缘子清扫周期。铁路客运专线高速运行的动车组卷起的灰尘对绝缘子的污染较为严重，特别是隧道内及有砟轨道线路，污染更加明显。因此，运营部门应根据线路污染情况适当缩短绝缘子的清扫周期，对于重污区段的绝缘子应增加绝缘子的爬距或采用合成绝缘子。

（3）加强供电设备的巡视检查。铁路客运专线上高速运行的动车组产生的风速，对线路附近树木、建筑物等产生极大的影响，容易造成树木侵线，建筑物上的物体散落，危及行车及供电安全。因此，必须加强日常设备巡视工作，及时清理侵线树木、鸟窝、覆冰等危及供电安全的物体，同时对接触网、供电线附近的车站雨棚、房屋、防护栅栏、广告牌等建筑物，及时要求产权单位迁移或进行加固处理，并重点巡查盯防，消除隐患。

（4）重点处所设置视频监控。为有效预防和减少牵引供电故障的发生，应在隧道口、大型车站两端、分相、供电线上网点等接触网的重要处所设置视频监控装置，实现远程实时监控，及时发现和处理设备安全隐患，提高牵引供电的可靠性。

2.4 增强牵引供电系统的灵活性

（1）牵引变电所高压侧设置内跨条。为提高牵引变电所的供电可靠性，应在变电所的高压侧设置内跨条（如图2虚线所示），确保牵引变电所进线电源或主变压器发生异常情况时，系统能灵活倒闸，改变运行方式，从而提高牵引变电所供电的可靠性。

图2 变电所高压侧设置内跨条示意图

（2）增强27.5 kV馈出线的供电灵活性。在变电所27.5 kV馈线侧上下行馈线间增设1组备用断路器，实现对上下行馈线断路器的备用；变电所馈线隔离开关采用2台单极开关设置。这样当馈线设备发生故障时，能迅速切除故障设备，投入正常设备恢复供电。

（3）合理设置接触网供电单元。铁路客运专线动车组靠接触网获取电能工作，而接触网没有备用，一旦发生故障，将影响动车组的正常工作，因此，应通过合理设置接触网供电单元，以确保在接触网故障情况下，能迅速切除故障点，缩小故障范围，尽量减少对动车组的影响。供电单元设置可参考以下原则：每个车站设置一个独立供电单元；每条供电臂设置2个独立供电单元，在供电臂中间或AT所供电线上网点处划分设置；长大隧道设置独立供电单元，超过6 km以上的隧道，按每3 km设置一个独立供电单元。供电单元之间的联络开关实行远动控制。

3 结语

铁路客运专线牵引供电系统的可靠性涉及设计、施工、运营管理等多个环节。为提高牵引供电系统的可靠性，应从已经开通运营的铁路客运专线牵引供电系统发生的常见故障类型入手，深入分析原因，认真总结经验，并在该基础上进一步完善系统设计，提高施工质量，加强运营管理，避免新建客运专线牵引供电系统出现类似问题，为铁路客运专线运输提供安全可靠的供电保障。

[1]TB10621-2009 中华人民共和国铁道部.高速铁路设计规范（试行）[S].北京：中国铁道出版社，2010.

[2]TB10009-2005 中华人民共和国铁道部.铁路电力牵引供电设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[3]TB10758-2010 中华人民共和国铁道部.高速铁路电力牵引供电工程施工质量验收标准[S].北京：中国铁道出版社，2011.

[4]南昌铁路局.南昌铁路局客运专线设施维修管理规定.南昌，2012.