高速铁路全电缆电力贯通线相关研究

孙汝杨

0 引言

在目前运行的铁路线路中，普速铁路沿线电力贯通线路普遍采用以架空线为主、电缆为辅的混架型式，通过长期的运行，已经形成了一套成熟稳定的电力系统方案，主要采取经调压器中性点不接地、贯通母线段不做补偿、长距离电缆就地补偿的方式。近年高速铁路建设大规模开展，其桥隧占比较大，沿线电力贯通线路采用了全单芯电缆方式，在线路两侧综合电缆槽内敷设。

与架空线路相比，电缆线路对地电容电流是架空线路的30～100 倍。全线电缆线路的运用显著增加了沿线电力线路电容电流，使得末端电网电压提高，同时也增加了线路上的无功损耗。

高速铁路沿线电力贯通线采用全电缆方式，参照《高速铁路设计规范》[1]12.2.10.3 条“全电缆线路宜采用低电阻接地方式”和12.2.10.4 条“低电阻接地方式的接地电阻宜按单相接地电流200 A～400 A、接地故障瞬时跳闸方式选择”的设计原则，高速铁路在接地型式、无功补偿方式方面与普速铁路存在较大差异，因此高速铁路在供电可靠性、设备绝缘配合、综自保护、人身安全及对沿线弱电线路的干扰等方面均与普速铁路不同。

本文结合目前高速铁路电力系统的设计方案，提出一种沿线电力贯通线路的简化模型，在此基础上，对沿线无功补偿方式、小电阻接地方式及感应电压等进行分析，以期为高速铁路沿线电力系统设计提供参考。

1 高速铁路电力系统模型

国内铁路工程主要采用10 kV 作为配电网络电压标准。高速铁路用电负荷主要分为车站负荷与区间负荷。目前，高速铁路相邻车站间距一般为40～70 km，铁路10 kV 配电所结合车站的分布情况，一般按照40～60 km 的间距进行设置。区间用电负荷主要包括信号通信中继站（50～80 kW/处/10～20 km），通信基站（直放站）（10～30 kW/处/3～5 km），视频点（3～5 kW/处/按需），牵引变电所（50～80 kW/处/50～70 km）以及分区所、开闭所（20～40 kW/处/20 km），隧道、区间警务岗亭、桥梁动力照明负荷和一些接触网开关站等小容量负荷。

高速铁路沿线10 kV配电系统馈线由各个10 kV配电所内经过10 kV调压器后馈出。电力贯通线又分为一级负荷电力贯通线路与综合负荷电力贯通线路，分别采用10 kV YJV63-8.7/15kV单芯电缆，截面一般为70 和95 mm2。

本文按照上述一般用电负荷设计一种标准化模型，10 kV 配电所按照60 km 间距设置，调压器电源引入侧按照无限大容量系统考虑。设备设置详见图1。

图1 区间电力贯通线路标准模型示意图

2 高速铁路电力系统无功补偿

在正常运行情况下，长距离单芯电缆会产生对地电容，将在配电网络中产生容性无功电流，可能会降低功率因数、升高线路末端电压、增加单相接地时瞬时弧光过电压，因此，在高铁沿线设置一定数量的固定电抗器补偿装置，以减少电容电流。

根据《高速铁路设计规范》[1]12.2.9.2 条“以电缆为主的高压电力贯通线路，宜采用贯通线上分散设置固定电抗器就地补偿为主、在配电所集中设置无功自动补偿为辅的补偿方式”的设计原则，以及文献[2]的研究，结合目前高速铁路的设计情况，本模型在区间信号通信中继站里程处，结合箱式变电站设置固定电抗器补偿装置，容量为114 kVar，详见图1。在配电所内一般设置磁控电抗器进行无功调节，容量一般为400 和315 kVar。

3 高速铁路电力贯通线模型相关计算

3.1 正常运行情况下电容电流

根据《铁路工程设计技术手册 电力》[3]中相关计算方法，在正常运行情况下，单芯电缆电容电流计算式为

其中：Ic为线对地的电容电流，A；ω为角速度，ω= 2πf = 314；C为单芯电缆对地的电容，F/km；l为电缆线路长度，km；Uφ为相电压，V。

95 mm2和70 mm2单芯电缆对地工作电容分别为0.240 μF/km和0.217 μF/km，考虑到沿线变电所等设备增加的接地电容情况，其附加值增加16%[4]。高速铁路10 kV配电所内每个调压器所带电力贯通母线段共同为上行与下行2 个供电臂提供高压电源；区间每15 km设置1 座114 kVar的固定电抗器补偿装置，其无功补偿电流值为6.58 A（感性电流IL），每公里补偿电流约为0.438 8 A。

该模型下，沿线电力贯通线在正常工作情况下的电容电流如表1 所示。

表1 沿线电力贯通线正常运行电容电流值

在10 kV 配电所内集中设置的无功自动补偿装置主要为磁控电抗器，对沿线电力贯通线的容性电流进行调节，并进一步提高电力贯通母线段上的功率因数。

3.2 单相短路情况下电容电流

根据《铁路工程设计技术手册 电力》[3]中相关计算方法，在单相短路故障情况下，电力贯通线接地相的电容电流计算式为

其正常相的电容电流计算式为

可见，区间固定电抗器在单相短路情况下，由线间电压产生的补偿电流为正常情况下的倍流经接地点的补偿电流为正常情况下的3 倍（3IL）[4]。

沿线最远处出现一处单相接地故障情况下，得出数据如表2 所示。

表2 沿线电力贯通线单相接地电容电流值

从表2 中可以看出，当95 mm2全电缆线路出现一处单相短路故障时，其接地相与正常相上的电容电流均出现大于10 A的情况，要保证单相接地短路电弧不重燃，需将单相接地电容电流控制在10 A以内[2]，因此还需10 kV配电所内无功自动补偿装置进行进一步补偿。

3.3 小电阻接地阻值计算

文献[5]中接地电阻值计算方法：

其中：R为中性点接地电阻器的阻值，Ω；Un为系统标称电压，kV；Ic为系统单相接地的电容电流，A；K为系数，为单相对地短路时电阻电流与电容电流的比值，一般为1.1～1.5。

根据《高速铁路设计规范》[1]中12.2.10.4 条“低电阻接地方式的接地电阻宜按单相接地电流200 A～400 A、接地故障瞬时跳闸方式选择”的设计原则，中性点接地电阻值为9.6～26.24 Ω，考虑到沿线电容电流与综自保护配合等多种情况，铁路10 kV供电系统中性点接地阻值通常选取10 Ω。

3.4 正常运行情况下的感应电压

高速铁路大部分工程中区间信号、通信等弱电线缆与电力电缆会在路基综合电缆槽内平行敷设，电力电缆在运行过程中，不仅对电缆自身的金属护套产生感应电势，也会在弱电线缆的护套上产生感应电势。

依据《电力工程电缆设计规范》[6]附录F中感应电势的计算方法，单芯电缆在呈等边三角形敷设时，感应电势可忽略不计，平行敷设时感应电势计算式为

其中：L为电缆金属层的电气通路上任一部位与其直接接地处的距离，km；I为电缆导体正常工作电流，A；Eso为单位长度每安培的正常感应电势，V/(km·A)。

根据某厂家电缆参数计算可得 70 mm2与95mm2电缆的Eso相近，取较大值0.117 6 V/(km·A)。按照800 kV·A的调压器满负载运行时工作电流为36.951 5 A，感应电动势不超过50 V计算，单芯电缆平行敷设的长度不应超过11.51 km。

高速铁路中信号电缆主要采用屏蔽层分段单端接地方式，且沿线设置有1 Ω的贯通地线供其可靠接地连接；高速铁路设置区间综合电缆槽，强电槽与弱电槽之间采用50 mm 的物理间隔。依据文献[7]中的相关研究，平行敷设的电力电缆对信号电缆芯线的纵向感应电压（每公里所产生的感应电动势）为3.560 V/km；电力电缆“品”字形敷设，其值为2.236 V/km。按信号电缆芯线纵向感应电压容许值为60 V 考虑，信号电缆容许连续敷设的长度分别为16.85 km 和26.83 km。

4 全电缆线路的相关分析

本文主要从供电可靠性、绝缘配合、综自保护、人身安全及对弱电线的干扰等方面进行分析探讨。

4.1 供电可靠性及供电质量

目前，高速铁路区间电力贯通线基本采用双环网供电[8]的方式，如果采用全电缆型式，可很大程度避免外界不确定因素对沿线贯通线路的影响。

由于采用全电缆线路，区间及配电所内均需采取感性无功补偿措施，当沿线电力负荷较轻时，贯通母线段上会有较大比重的无功功率，严重时功率因数会出现负值。相反，当无功补偿率过高或出现过补偿的情况时，不仅会使单相短路电流残留值过高，只能靠小电阻接地系统抑制短路电流峰值，而且还会在正常情况下得到较低的功率因数，加大电网产生不明谐振的概率。

从表1 和表2 中可以看出，在选取合适的无功补偿方案确保单相故障接地电容电流控制在10 A以下，使得电弧不重燃，再结合小电阻接地系统的阻尼作用和调压器容量或区间实际运行负荷容量，可以为沿线负荷提供一个安全可靠的供电系统，并提升贯通母线段上的功率因数。同时，通过配电所内调压器与无功补偿装置的设置，可以很好地控制线路末端电压[4]。

较之前普速铁路采用的架空线与电缆混合的方式，采取多种措施可保证较高的供电可靠性和较好的供电质量。

4.2 绝缘配合

在小电阻接地系统下，当沿线出现单相接地故障，正常相电压不会大于倍相电压，且持续时间较短；同时，小电阻接地可限制弧光过电压，使电容电流残值通过电阻很快释放；整个供电系统在正常运行及单相故障情况下不会产生很高的过电压（不超过2.6 倍）。因此，小电阻接地系统降低了贯通母线段上高压柜、高压避雷器及沿线电力电缆、高压设备的绝缘水平，使其与其他设备之间的绝缘配合有更好的选择。

4.3 综自保护

在配电所小电阻装置接地侧装设零序互感器，至少配置馈出零序过流、馈出零序速断保护和调压器零序过流保护。当发生单相短路故障时，故障线路供电臂可通过电流速断保护和零序保护进行快速选择性跳闸。由于发生单相短路故障会有很大的短路电流通过小电阻接地设备，从而在短路电流值保护灵敏度、不同保护整定配合及故障类型判断方面均有积极作用。

4.4 人身安全

根据《高速铁路设计规范》[1]12.4.5 条“10 kV电力贯通线电缆金属层宜采用在线路一端或中央部位单点直接接地、另一端经护层保护器接地方式，电缆金属层连续长度不宜大于3 km”的设计原则，在每处高压负荷用电点沿同一个方向单端设置护层保护器接地，从标准模型中可知，高压负荷用电点间距一般不会超过3 km。

全电缆线路在连续敷设时，在金属层会产生感应电压，应尽量采取品字形敷设方式和全换位周期敷设方式；同时，采用在线路一端单点直接接地、另一端经护层保护器接地方式，以减小感应电压值，从而避免检修人员发生触电等危险。按照每3 km 左右做一组护层保护器接地估算，线路上感应电压最高可达13.04 V，远远小于50 V 的安全电压。

发生单相短路故障时，故障电流较大，在故障点和小电阻装置接地点处会形成较大的接触电压和跨步电压。如断路器很快断开，可降低附近人员触电风险，同时还应加强配电所或区间高压设备处的防跨步电压触电、防接触电压触电等措施，进一步降低触电风险。

4.5 对弱电线缆的干扰

通过文献[7]可知，电力电缆会对弱电线缆产生感应电压，由于高速铁路信号中继站间距一般不超过15 km，满足信号线缆连续敷设的条件。在沿线条件允许的情况下，应尽量增加电力电缆与弱电线缆之间的间距，电力电缆采用“品”字形敷设方式可有效降低其对弱电线缆的影响。

5 结论

（1）目前高速铁路配电所内10 kV 调压器容量基本稳定，所内无功补偿装置最大容量也基本选定，因此，区间无功补偿装置容量和间距的合理选择对区间全电缆电力贯通线正常运行和单相故障状态下的电容电流起到了决定作用，可保证贯通母线段上功率因数达到要求，可与调压器共同调节末端电压质量。区间无功补偿度的选择尤为重要，在75%最佳补偿度、最佳功率因数补偿、末端电压质量、单相故障电容电流控制在电弧不重燃等不同目标的选择上，如何达到最佳的配合效果，需根据不同工程情况进行计算选择。

（2）对于全电缆贯通线路，在配电所内采取小电阻接地的有效接地方式，使得配电所贯通母线侧过电压水平和设备绝缘水平较低；同时，可以利用该接地方式下单相接地电流较大的特点加设零序保护，进一步提高保护灵敏度和故障判断准确度。建议在出现短路故障的情况下，快速切断电源，通过电调和综自系统改变供电方案，继续为区间负荷提供可靠电源，并对故障点进行判断和检修。

（3）采用小电阻接地方式，短路电流变大，在配电所接地处和故障点处防止接触电压、跨步电压方面，需进一步采取措施，降低触电风险。

（4）在沿线电力电缆敷设过程中，为降低对弱电线缆的影响及自身感应电压，尽量采用“品”字形敷设方式，增加强弱电线缆之间的距离。同时，在弱电线缆的接地方式上，建议采取降低电力电缆对其产生感应电压的措施。

（5）由于站区内高压电力系统采用不接地型式，为了统一配电所内高压设备的参数，建议仍按照不接地系统的参数配置高压设备。

（6）由于高速铁路与普速铁路在供电系统上存在较大不同，运营单位需在维护检修操作流程及方案上提出相应的应对措施。