客运专线牵引供电系统对电力电缆的影响分析

杨建兴

0 引言

自2008年京津城际铁路开通后，国内铁路客运专线已陆续开通了石太、甬台温、温福、武广、郑西、合宁等线。随着新技术、新设备的采用，客运专线各系统之间的相互兼容性要求越来越高。

在客运专线电力供电系统设计和实施中，考虑到客运专线多采用高架结构的特点，为保证电力供电可靠性及提高系统抗自然灾害能力，电力贯通线一般采用全电缆方式沿高架桥两侧电缆槽敷设，同时电缆金属护层（屏蔽层和铠装层）的接地方式采用与综合地线相连接方式，间接通过综合地线构成牵引供电系统的一部分，考虑到客运专线牵引负荷大、行车密度高的特点，有必要研究牵引供电系统在正常运行和故障情况下对电缆金属护层的影响。本文以京津城际铁路武清—天津供电臂为模型，利用运行图模拟仿真计算软件，将综合地线、电力贯通线的金属护层纳入牵引供电网络模型，建立供电网络模型，计算分析金属护层单端接地时感应电压和双端接地时感应电流，从而对金属护层的接地方式和截面提出相关建议。

1 电力供电系统设计

1.1 系统概况

在京津城际轨道交通工程电力供电系统中，沿京津城际铁路设置2回独立的10 kV电力线路（1回为一级负荷电力贯通线，另1回为综合电力贯通线），向沿线电力设备供电，电源取自北京南站、亦庄站、永乐站、武清站、天津站设置的10 kV配电所。

电力供电系统主要为通信、信号的低压设备供电，一般全线每隔0.5～3.0 km设置箱式变电站，每个变电站分别从一级负荷电力贯通线和综合电力贯通线各引入1回10 kV电源，降压为0.4 kV后，向低压负荷供电。10 kV电力贯通线全部采用单芯铜铠铜芯电缆，电缆截面为70 mm2。

1.2 金属护层接地要求

1.2.1 内部感应电压

京津城际电力贯通线电缆负荷电流一般为10～20 A，电缆短路电流一般为100～600 A。

按单回贯通电力电缆最长3 km、电缆成品字形布置、金属护层单端接地，经计算，电缆负荷电流产生的最大感应电压为3.6 V，短路电流产生的最大感应电压为104 V（0.1 s）。

1.2.2 金属护层接地方式选择

对于电力供电系统本身，若金属护层采用单端接地，虽然感应电压满足标准值要求，但是系统短路、雷击等故障时，系统保护可靠性、保护灵敏性降低，因此建议金属护层采用双端接地方式。

1.3 金属护层截面要求

1.3.1 单相短路电流

电力电缆发生单相接地时，故障电流需以电缆的金属护层为回流通路。

根据计算，电力贯通线近端短路电流不大于600 A，远端短路电流约为200 A，持续时间一般不大于1 s。

1.3.2 金属护层截面选择

为满足供电安全可靠性，对于电力供电系统本身要求，金属护层的短时载流能力应能满足单相短路电流要求，并以此作为校核和选择金属护层截面的依据。

2 牵引供电系统影响仿真计算

2.1 牵引供电系统计算基础资料

2.1.1 行车组织条件

仿真计算的行车组织条件按16辆编组，运行速度350 km/h，紧密运行追踪间隔3 min考虑。

2.1.2 牵引供电系统主要相关参数

牵引供电系统主要相关参数见表1所示，牵引网导线型号见表2所示。

表1 牵引供电系统主要相关参数表

表2 牵引网导线型号一览表

2.1.3 接触网各导线空间几何位置

接触网各导线空间几何布置按高架桥区段考虑，高架桥区段各导线的空间相对位置见图1。

图1 高架桥区段接触网安装示意图

2.2 电力供电系统基础资料

2.2.1 电力箱式变电站位置

武清—天津供电臂内相关电力箱式变电站的位置见表3。

表3 电力箱式变电站位置一览表

2.2.2 金属护层相关技术参数

单芯铜铠铜芯电缆70 mm2金属护层（不同截面屏蔽层和外铠组合）相关电气参数见表4。

表4 金属护层电气参数一览表

2.3 牵引供电网络模型

2.3.1 设定条件

（1）牵引变压器接线型式为单相外V接线，牵引变电所内不设AT变压器。

（2）在牵引供电网络模型中，每隔 600 m，上下行钢轨各与综合接地线相连接，每隔1 200 m，上下行钢轨相连接，并与综合接地线相连接。

（3）在牵引变电所、AT所、分区所处，钢轨、保护线、综合接线与电缆屏蔽层及金属外铠相连接。

（4）在高架桥段区段，电力电缆槽与钢轨中心距离为2 500 mm，综合地线与电缆槽相邻。

（5）电缆敷设方式为品字形布置，在牵引供电网络模型中，3根电缆的屏蔽层及金属外铠可按等效为1根导体考虑。

2.3.2 模型建立

根据电力贯通线金属护层的2种接地方式，建立2个网络模型。其中图2为两箱式站间电缆金属护层双端接地；图3为两箱式站间电缆金属护层单端接地。

2.4 模拟计算结果

2.4.1 牵引供电系统引起的感应电压

当电力贯通线金属护层采用单端接地方式时，金属护层未接地端的感应电压与电缆的长度、在供电臂中的位置、牵引负荷电流有较大关系，与金属护层截面大小没有关系。

根据计算，正常运行时，牵引负荷引起感应电压为45～243 V；短路情况下，牵引网短路电流引起感应电压为1 944 V（0.1 s）。

图2 武清—天津供电臂网络模型（双端接地）图

图3 武清—天津供电臂网络模型（单端接地）图

2.4.2 牵引供电系统引起的感应电流

当电力贯通线金属护层采用双端接地方式时，金属护层感应电流与牵引负荷电流大小、电缆截面、在供电臂中位置有较大关系。根据计算，系统正常运行时，在变电所出口处，金属护层（不同截面屏蔽层和外铠组合）的感应电流大小（有效值）见表5。

表5 金属护层感应电流一览表

3 牵引供电系统影响分析

3.1 金属护层接地方式

当电缆金属护层采用单端接地时，牵引供电系统引起的感应电压超过标准允许值。为减小感应电压，可采用减小电缆单段长度，但势必引起中间接头过多，影响供电可靠性和维护运营。因此，建议电缆金属护层采用双端接地方式。

3.2 金属护层截面选择

对于电缆金属护层（屏蔽层及外铠）的载流能力（持续载流量）与其截面大小可看成线性正比关系，暂按每mm2载流2 A的能力进行考虑，绘制载流曲线（实际的载流能力曲线应由厂家对所生产的电缆的各种屏蔽层及外铠截面进行实验测试所得）。

不同电缆屏蔽层及外铠截面的载流能力及感应电流曲线如图4所示。

图4 屏蔽层及外铠截面其载流能力及感应电流曲线图

由图4可以看得，随着电缆屏蔽层和外铠截面的不断加大，其牵引回流增加趋于平稳；在电缆屏蔽层及外铠估算的载流量曲线下，与感应回流曲线的交叉点的截面应为电缆屏蔽层和外铠最经济、最合理的选择，其截面大小为（16+8）mm2。

结合各种情况，对于金属护层的屏蔽层和外铠，其载流能力建议为48 A和24 A。

4 结束语

客运专线是一个整体系统工程，内部各子系统之间相互独立又相互影响，电力贯通线的电缆金属护层作为客运专线综合接地系统的重要组成部分，其接地方式及截面大小的选择，不仅关系到电力供电系统的可靠运行，而且也关系到牵引供电系统及其他系统的可靠运行，因此，在电力供电系统设计中，电缆金属护层的接地方式和截面选择应统筹考虑，确保铁路客运专线行车安全。

[1]电气化铁道设计手册-牵引供电系统 铁道部电气化工程局电气化勘测设计院[S].北京：中国铁道出版社，1988.

[2]Kießling, Puschmann, Schmieder.电气化铁道接触网[M].中铁电气化局集团译.北京：中国电力出版社，2004.

[3]杨照辉，杨建兴，吴炳章.京津城际客运专线铁路电力供电系统[D].2008年铁路电气化新技术学术年会论文集，2008.

[4]牛金平，李晋.铁路客运专线单芯电力电缆金属护套接地方式研究[D].2008年铁路电气化新技术学术年会论文集，2008.