許飛

摘 要：針對(duì)當(dāng)前在高速鐵路建設(shè)過(guò)程之中的供電系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，分析了當(dāng)前高速鐵路供電系統(tǒng)的建設(shè)和設(shè)計(jì)特點(diǎn)，論述了供電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；供電系統(tǒng)；建設(shè)現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

1 高速鐵路供電系統(tǒng)的建設(shè)特點(diǎn)

在高速鐵路的建設(shè)優(yōu)化之中，技術(shù)人員首先需要了解供電系統(tǒng)的主要功能。高速鐵路供電系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行之中的主要工作包括牽引供電、生產(chǎn)及生活用電、供水用電、照明用電等多方面的內(nèi)容，對(duì)于高速鐵路列車的正常運(yùn)行和安全運(yùn)行有著不可替代的作用。一旦高速鐵路的供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障就會(huì)嚴(yán)重影響其運(yùn)行過(guò)程。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程之中，高速鐵路的供電系統(tǒng)具有如下的特點(diǎn)：第一，系統(tǒng)電壓等級(jí)較低。高速鐵路運(yùn)行過(guò)程之中，列車對(duì)于供電系統(tǒng)的電壓要求較低，就當(dāng)前我國(guó)的高速鐵路建設(shè)來(lái)講，大部分高速列車的供電電壓都在10-35kV之間，同時(shí)為了方便建設(shè)，供給鐵路電壓的變電所結(jié)構(gòu)都較為簡(jiǎn)單，且由于其供應(yīng)目標(biāo)僅僅是高速鐵路列車，因此供電負(fù)荷較小。第二，供電系統(tǒng)的線路設(shè)計(jì)形式簡(jiǎn)單。在設(shè)計(jì)之中為了方便使用和檢修，高速鐵路供電系統(tǒng)的線路設(shè)計(jì)一般較為簡(jiǎn)單，當(dāng)前我國(guó)的鐵路系統(tǒng)之中一般使用單一輻射狀網(wǎng)絡(luò)。為了方便列車行駛過(guò)程之中的供電，用于鐵路供電的變電所一般按照鐵路的運(yùn)行方向進(jìn)行布置和鏈接，共同形成供電網(wǎng)絡(luò)。在這種鏈接模式之下，供電系統(tǒng)的接線方式包括直閉線和貫通線兩種形式。通過(guò)連接線的布置可以實(shí)現(xiàn)變電所之間的互相鏈接，提升高速鐵路的運(yùn)行質(zhì)量。第三，供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)穩(wěn)定性要求較高。高速鐵路在運(yùn)行之中首先需要保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在供電線路設(shè)計(jì)之中，盡管配電線路的設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，但是為了供電過(guò)程之中斷電時(shí)間不得超過(guò)150s，否則就會(huì)影響列車的正常使用，造成運(yùn)行安全隱患。

2 供電技術(shù)介紹

2.1 電力系統(tǒng)匹配技術(shù)

由于高速鐵路列車在運(yùn)行過(guò)程之中牽引的負(fù)荷較大，行車密度較高，且對(duì)于供電系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性有較高的要求，為了保證供電容量，一般在實(shí)際設(shè)計(jì)之中會(huì)使用高速鐵路牽引供電負(fù)荷來(lái)保護(hù)電網(wǎng)免受端電網(wǎng)的影響。為了保證高速鐵路的運(yùn)行安全性，在共用電網(wǎng)的設(shè)計(jì)之中必須保證其具有足夠的匹配能力，滿足高速鐵路對(duì)于供電系統(tǒng)的要求，因此，在實(shí)際的設(shè)計(jì)和建設(shè)過(guò)程之中應(yīng)當(dāng)從高速鐵路的牽引供電系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的共用電網(wǎng)的短路容量和電源支撐能力進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)整，系統(tǒng)性的研究牽引供電原理和電網(wǎng)的相互作用原理，提高高速鐵路供電系統(tǒng)以及公共電力系統(tǒng)之間匹配性。高速鐵路的供電系統(tǒng)需要較好的匹配技術(shù)來(lái)避免列車運(yùn)行對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的沖擊問(wèn)題，在我國(guó)的高速鐵路建設(shè)過(guò)程之中，作為牽引單元的機(jī)車和地面供電裝置之間的供電接口規(guī)定了供電系統(tǒng)和牽引單元之間的設(shè)計(jì)原則以及協(xié)調(diào)特性。公共供電網(wǎng)絡(luò)的電力供應(yīng)范圍較大，由于高速鐵路的牽引供電對(duì)于一系列供電變電所都有電力供應(yīng)損傷的需求，在進(jìn)行匹配性研究和設(shè)計(jì)的過(guò)程之中可以使用仿真實(shí)驗(yàn)的形式來(lái)分析供電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)合理設(shè)計(jì)供電系統(tǒng)的電力匹配特性。

2.2 牽引供電系統(tǒng)

高速鐵路在運(yùn)行過(guò)程之中具有運(yùn)行速度高、運(yùn)行負(fù)荷大、運(yùn)行間隔時(shí)間較短的特點(diǎn)，為了保證列車的受電弓和牽引供電系統(tǒng)有較好的接觸，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程之中需要對(duì)牽引供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行改良。高速鐵路的牽引供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要包括牽引變電所和接觸網(wǎng)；兩個(gè)部分，其主要的設(shè)計(jì)目的是實(shí)現(xiàn)在運(yùn)行過(guò)程之中供電質(zhì)量的目的，因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)要滿足高速鐵路牽引負(fù)荷的特點(diǎn)。接觸網(wǎng)作為列車牽引供電系統(tǒng)的主要電力來(lái)源，供電質(zhì)量直接影響；列車的運(yùn)行速度和運(yùn)行的穩(wěn)定性，動(dòng)車組在運(yùn)行的過(guò)程之中會(huì)在受電弓和接觸導(dǎo)線的接觸狀態(tài)之下獲取電能，為動(dòng)車的運(yùn)行以及車內(nèi)電器提供電能。要保證接觸良好，即要求在設(shè)計(jì)之中弓網(wǎng)的振動(dòng)小，在列車運(yùn)行過(guò)程之中不會(huì)出現(xiàn)較大的沖擊。為了實(shí)現(xiàn)弓網(wǎng)之間的良好接觸性，我國(guó)在高速鐵路建設(shè)之中一般會(huì)根據(jù)不同的運(yùn)行速度來(lái)對(duì)接觸網(wǎng)的懸掛設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。在弓網(wǎng)關(guān)系的設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程之中，國(guó)家的列車建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于受電弓和接觸網(wǎng)之間的匹配性能有一定的設(shè)計(jì)要求，標(biāo)準(zhǔn)包括弓網(wǎng)相互作用的測(cè)量對(duì)象和要求、弓網(wǎng)相互作用的模型組成、仿真數(shù)據(jù)和測(cè)試驗(yàn)證數(shù)據(jù)的要求以及兩者的對(duì)比評(píng)定等內(nèi)容。弓網(wǎng)相互作用是通過(guò)測(cè)量接觸力、位移和電弧3項(xiàng)參數(shù)，確定弓網(wǎng)接觸效果。

2.3 牽引供電系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)

雷電直擊會(huì)影響鐵路系統(tǒng)的電壓供應(yīng)。當(dāng)鐵路信號(hào)系統(tǒng)的周邊變電所受到雷電直擊時(shí)，由于預(yù)先的接地處理，外部的避雷網(wǎng)或是接地網(wǎng)絡(luò)會(huì)將直接雷擊約50%的能量引入地面，同時(shí)，供電系統(tǒng)可以分流大約40%的雷電能量，剩余的雷擊能量一般是由信號(hào)樓之中的電纜以及金屬管道等進(jìn)行分流。在實(shí)際發(fā)生雷電直擊時(shí)，電源線路和管線的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)會(huì)影響雷擊能量的分配情況，當(dāng)內(nèi)部線路設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí)，會(huì)造成雷擊產(chǎn)生的過(guò)電壓直接進(jìn)入設(shè)備的內(nèi)部，造成設(shè)備內(nèi)部電路的損壞。在鐵路電力設(shè)備的保護(hù)過(guò)程之中，最為主要的防治措施還是防雷設(shè)備的安裝和使用。當(dāng)前使用較多的防雷設(shè)備主要是避雷針、避雷線以及避雷網(wǎng)，避雷針的使用最廣，在一些大型建筑、山區(qū)的信號(hào)塔以及面積較小的建筑物上都有使用，可以起到較好的防護(hù)作用。

目前我國(guó)正在開(kāi)展高速鐵路雷電防護(hù)的研究和牽引供電系統(tǒng)與動(dòng)車組間絕緣配合的研究，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)尚不完善，而在建的高速鐵路有相當(dāng)線路區(qū)段處在多雷區(qū)和雷電活動(dòng)特殊強(qiáng)烈地區(qū)，因此，若不能掌握雷電對(duì)高速鐵路系統(tǒng)的危害并采取相應(yīng)的措施，則有可能嚴(yán)重威脅高速鐵路的運(yùn)營(yíng)安全。為了開(kāi)展?fàn)恳╇娤到y(tǒng)雷電過(guò)電壓防護(hù)方法的研究，高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的雷電防護(hù)研究，今后應(yīng)深入調(diào)查分析既有線路的雷電事故，建立分析計(jì)算模型，計(jì)算牽引供電系統(tǒng)直擊雷電過(guò)電壓和感應(yīng)雷電過(guò)電壓，在工程實(shí)際中監(jiān)測(cè)接觸網(wǎng)雷電過(guò)電壓波形及雷擊故障點(diǎn)位置；利用覆蓋鐵路沿線走廊的地面雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)雷電活動(dòng)資料進(jìn)行差異化防雷設(shè)計(jì)；研究雷害防護(hù)裝置，分析雷害防護(hù)的動(dòng)作方式和作用機(jī)理，在雷害嚴(yán)重的地區(qū)，檢驗(yàn)既有防雷措施的有效性、可行性和合理性，根據(jù)研究成果提出改進(jìn)措施，形成適合我國(guó)電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的雷害防護(hù)指南。制定牽引供電系統(tǒng)的雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)是高速鐵路面臨的關(guān)鍵技術(shù)。我國(guó)牽引供電系統(tǒng)缺乏整體雷電防護(hù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)在研究的基礎(chǔ)上，制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。目前，各鐵路設(shè)計(jì)單位正在研究，通過(guò)理論設(shè)計(jì)、試驗(yàn)研究、實(shí)際檢驗(yàn)，確定了接觸網(wǎng)專用避雷器和絕緣子并聯(lián)間隙。

結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)應(yīng)建立適合國(guó)情的高速鐵路牽引供電系統(tǒng)綜合電力負(fù)荷模型、接觸網(wǎng)-受電弓耦合系統(tǒng)模型，通過(guò)接觸網(wǎng)雷電事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以及接觸網(wǎng)短路工頻電弧運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究等，為制定高速鐵路牽引供電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)奠定堅(jiān)實(shí)的理論與技術(shù)基礎(chǔ)。

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