劉長利

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司電氣化處,西安 710043)

1 概述

鄭西客運專線設計時速 350km,是我國首批開工建設的高速鐵路項目之一。為滿足高速度、高可靠性、高安全性的運營要求,客運專線在設計、制造、安裝調試等方面均與普速鐵路存在較大的差異。在接觸網(wǎng)供電線連網(wǎng)技術方面,由于我國客運專線普遍采用 AT供電方式,平均每 15km交錯設置牽引變電所、AT分區(qū)所、AT自耦所,饋線較多且連網(wǎng)點密集,存在影響高速鐵路運營安全的風險點,一旦發(fā)生故障跳閘引起動車組失電停車,將會造成不良社會影響。

2 鄭西客運專線牽引供電方式及饋線選型

2.1 牽引供電方式

鄭西客運專線高速列車采用大功率交直交動車組,具有線路高峰期短時集中負荷較明顯、動車組負荷大及需要滿功率運行等特點。牽引供電系統(tǒng)采用了AT供電方式,牽引變電所將高壓電源(220kV或 330 kV)降壓為單相工頻 AC2×25kV向接觸網(wǎng)供電,為高速列車提供電能。AT供電方式需要采用正饋線并設置 AT自耦所,較一般帶回流線的直供方式復雜。

2.2 牽引變電所、分區(qū)所、AT所饋線選型

供電線連網(wǎng)方式涉及的饋線種類有供電線(T)、正饋線(F)及中性線(N)。牽引供電計算考慮了饋線截面及載流量滿足 350km/h動車組高峰期負荷電流要求,鄭西客運專線牽引變電所、AT分區(qū)所、AT自耦所饋線選型如表1所示。

表1 牽引變電所、AT分區(qū)所、AT自耦所饋線選型[1]

3 現(xiàn)有供電線連網(wǎng)方式的分析

3.1 供電線連網(wǎng)方式的分類

根據(jù)牽引變電二次側設備選型,以及路基、橋梁等工程環(huán)境的不同,供電線連網(wǎng)方式可分為架空方式與電纜方式,國內外技術調研結果如表2所示。

3.2 架空方式與電纜方式的對比分析

我國以往普速鐵路接觸網(wǎng)用單芯電纜敷設、維護條件較差,受牽引負荷交變及諧波過電壓的影響[2],電纜終端頭、中間接頭故障較多,雷電引起的擊穿事故也較多,鐵路運營部門對電纜方式存在顧慮。

在近期開通的幾條客運專線項目中,雖然高標準、嚴要求,但仍存在電纜敷設雜亂無序、上橋方式多種多樣、多種電纜同槽同溝敷設、電纜頭現(xiàn)場制作未按工藝實施等不盡人意的地方,施工質量是決定成敗的關鍵環(huán)節(jié)。

另外,電纜方式還需要考慮如下問題:(1)在嚴寒地區(qū),電纜需采取防凍措施以避免電纜積水部位凍裂;(2)較長距離的電纜故障不易檢查發(fā)現(xiàn),搶修及恢復的用時較長。資料表明,美國北卡羅來納州計劃將其架空電力線路改建成地下電纜線路,曾經(jīng)對架空電力線路和地下電纜線路進行了可靠性指標分析,結果如表3所示。

表2 架空方式與電纜方式的國內外情況

表3 1998～2002年北卡羅來納州架空電力線路和地下電纜線路可靠性指標[3]

報告還分析到,地下電纜線路初裝時故障較多,3～4年后幾乎無故障,但到其壽命后期(15～20年后)故障率顯著增加,難以定位及修復。另外,地下電纜線路的供電中斷率雖為架空電力線路的一半,但其停電持續(xù)時間卻比架空電力線路長 58%,且建設成本是架空電力線路的 10倍。

4 “門型架構”連網(wǎng)方式新技術

在鄭西客運專線設計中,在提高供電線連網(wǎng)可靠性方面進行了專題調研和技術攻關,首創(chuàng)了高可靠、簡潔的“門型架構”架空連網(wǎng)方式,運行效果良好。其技術核心是。

(1)供電線連網(wǎng)點采用新型的“門型架構”,沿線路方向設置在路肩上,并且上下行線路各布置一組形成供電線跨越連網(wǎng),如圖1所示。支柱、橫梁結構與高鐵景觀達到和諧統(tǒng)一。

圖1 新型“門型架構”連網(wǎng)方式

(2)牽引變電所(或分區(qū)所、AT所)27.5kV側采用 GIS開關柜時,在圍墻內由電纜轉成架空線路,并在戶外電纜頭處設氧化鋅避雷器,如圖2中左圖所示。供電線徑路上遇到障礙(如建筑物、電力線路、軍事區(qū)、環(huán)境保護區(qū)等)時應避繞,桿塔基礎施工存在征地拆遷、青苗賠償?shù)葐栴},如圖2中右圖所示。

圖2 架空方式的出線(左圖)及獨立架設徑路(右圖)

(3)沿鐵路架設的供電線應注意保持與接觸網(wǎng)、跨線橋等電氣安全距離,供電線跨越接觸網(wǎng)時,在最大弛度時距承力索等帶電部分垂直距離不小于 3m;供電線距跨線橋底部靜態(tài)間隙不小于 500mm,動態(tài)間隙不小于 200mm[4～5],并裝設絕緣護套。

(4)供電線支柱和基礎按照《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011—2001)和 《鐵路工程抗震設計規(guī)范》(GB50111—2006)設計,抗震設防烈度為 8度,基礎抗傾覆安全系數(shù) k＞1.5,確保基礎和結構安全可靠,避免倒桿影響鐵路運輸安全[6～7]。

(5)成排獨立架設的供電線路均設防雷措施,柱頂懸掛架空地線兼做避雷線[4,8],在供電線連網(wǎng)點設置氧化鋅避雷器[8]。

4.1 “門型架構”的結構設計

在“門型架構”的構造設計方面,在滿足機械強度和電氣絕緣距離的前提下,針對鐵道部關于客專接觸網(wǎng)支柱和硬橫跨的設計規(guī)定和指導意見,如接觸網(wǎng)支柱采用 H型鋼柱、硬橫梁盡量輕型化等展開研究?！伴T型架構”采用了 11m高的 H型鋼柱,支柱型號為GHT240B/11。經(jīng)靜態(tài)力學計算和 ANSYS有限元結構分析后,進一步縮小橫梁外形尺寸,采用了 12m長的輕型雙槽鋼焊接型橫梁,橫梁與支柱采用剛接形式,如圖3所示,現(xiàn)場安裝效果如圖4所示。

H型鋼柱頂部露頭 750mm,用于安裝雙極電動隔離開關,供電線連網(wǎng)通過隔離開關跳線與接觸網(wǎng)連接。氧化鋅避雷器安裝在隔離開關底座上并與開關接線端子連接,如圖5所示,由于避雷器不設與接觸網(wǎng)或正饋線的電連接跳線,當雷電擊穿時不會脫落至接觸網(wǎng),確保運行安全。

圖3 “門型架構”的構造(單位:mm)

圖4 “門型架構”安裝效果圖

圖5 柱頂隔離開關和避雷器安裝(左圖為俯視圖)

“門型架構”的 H型鋼柱側面限界 3.0m,為避免影響路基穩(wěn)定性和破壞路肩電纜槽,支柱基礎采用了φ700mm鉆孔灌注樁,由站前土建施工單位在路基碾壓完成和電纜槽開挖前預留[4]。

我國高速鐵路的橋梁比例較大,對于供電線連網(wǎng)點的梁面至地面高差不大于 24m時,均有條件采用“門型架構”連網(wǎng)方式。設計要點為:(1)橋梁不用預留電纜上橋的爬架槽道及孔洞;(2)饋線出所、獨立架設線路、“門型架構”等設計內容不變,H型鋼柱基礎改由箱梁預留[4];(3)橋下地面鐵塔最高 35m,供電線跨越橋梁上正饋線時應保持電氣絕緣間隙。

4.2 “門型架構”連網(wǎng)方式的特點

“門型架構”連網(wǎng)方式具有如下特點。

(1)采用 H型鋼柱和輕型雙槽鋼焊接梁,景觀上與高速接觸網(wǎng)協(xié)調一致。

(2)上下行饋線集中連網(wǎng),F/AF/N線布局同變電所饋線一致。

(3)雙極電動隔離開關動作時架構較穩(wěn)定、無晃動現(xiàn)象。

(4)支柱基礎由路基、橋梁預留,避免對土建工程及附屬結構的破壞。

(5)工程投資僅為全電纜連網(wǎng)方式的十分之一。

5 結論和建議

鄭西客運專線是我國第一條高速鐵路技術消化、吸收并實現(xiàn)國產(chǎn)化的項目,在充分調研、分析基礎上研發(fā)的“門型架構”連網(wǎng)方式,兼顧了高可靠和景觀性,工程易實施,節(jié)省投資,成功投入運行后狀況良好。

我國“十二五”發(fā)展規(guī)劃中的京滬高鐵、城際鐵路和多條客運專線進入建設高潮期,隨著采用 AT供電方式的電氣化鐵路項目增多,供電線連網(wǎng)的可靠性問題逐步得到重視。建議根據(jù)工程環(huán)境及氣候條件確定供電線連網(wǎng)方式,對于路基地段和軌面地面高差≤24m橋梁區(qū)段,宜采用“門型架構”連網(wǎng)新技術。

[1] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.鄭西客運專線通信、信號、電力、電氣化工程補充初步設計 電氣化分篇[R].西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司,2008.

[2] 焦劍揚,劉明光,成輝海.牽引供電電纜線路事故分析與對策[J].大眾用電,2006(7).

[3] 李新捷.架空線路與地下電纜線路的利弊比較[J].國際電力,2005(9).

[4] TB10020— 2009,高速鐵路設計規(guī)范(試行)[S].

[5] TB10009—2005,鐵路電力牽引供電設計規(guī)范[S].

[6] GB50011— 2001,建筑抗震設計規(guī)范[S].

[7] GB50111—2006,鐵路工程抗震設計規(guī)范[S].

[8] 羅國輝.輸電線路的防雷措施與技術應用分析[J].廣東科技,2008(8):72-73.