蘇小棚 鄭侃 廖鈞

【摘? 要】針對國內(nèi)逐步發(fā)展的城際鐵路工程，結(jié)合某工程，論文從城際鐵路電力供電電壓選取、供電網(wǎng)絡(luò)型式、開關(guān)選型、跟隨式降壓變電所設(shè)置方案等主要供電方案的關(guān)鍵技術(shù)進行了分析研究，提出了相關(guān)的建議。

【Abstract】Aiming at the gradually developing intercity railway project in China， combined with a project， this paper analyzes and studies the key technologies of the main power supply schemes such as the selection of power supply voltage， power supply network type， switch selection and the setting scheme of follow-up step-down substation of intercity railway， and puts forward relevant suggestions.

【關(guān)鍵詞】城際鐵路;電力供電方案;建議

【Keywords】intercity railway; electric power supply scheme; suggestions

【中圖分類號】U223.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）12-0182-03

1 引言

城際鐵路是指連接相鄰城市或城市群的200km/h以下的客運專線鐵路[1]，是建設(shè)城市群1～2h交通圈和都市圈1h通勤圈的重要保障。我國鐵路牽引供電電壓等級以AC27.5kV為主，主要的供電方式有直接供電、吸流變壓器供電、自耦變壓器供電等方式[2]，電力供電電壓等級以AC10kV為主，主要采用貫通線供電方案[3]。地鐵牽引供電電壓等級以DC1500V為主，少部分城市采用DC750V，主要的供電方式采用集中式、牽引與電力共用AC35kV雙環(huán)網(wǎng)方式，少部分城市采用分散式、牽引與電力共用AC10kV雙環(huán)網(wǎng)方案[4]。城際鐵路的技術(shù)特點介于二者之間，其牽引和電力供電方案存在多種可選方案。本文結(jié)合具體工程，從技術(shù)、經(jīng)濟等方面對電力供電方案進行比選分析，為城際鐵路設(shè)計提供了參考。

2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)近期部分城際鐵路工程的電力供電方案如表1所示。

3 主要電力供電方案關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 供電方式

供電方式主要分為3種：分散供電方式、集中供電方式和混合供電方式。

①分散供電方式。

全線不設(shè)置電力貫通線路，各個車站、區(qū)間和場段設(shè)置0.4kV變電所，并就近從地方電網(wǎng)接引兩回中壓電源，給車站、區(qū)間和場段的通信、信號、調(diào)度系統(tǒng)以及動力照明等綜合負荷供電。

該供電方式的特點是：接引外部電源數(shù)量多，每個車站、區(qū)間和場段變電所有兩回電源互為備用，但其供電可靠性由沿線外部電源條件決定。由于各個車站、區(qū)間和場段變電所的兩回電源均取自地方電網(wǎng)，用戶性質(zhì)復(fù)雜，存在兩回電源同時停電的可能性。其中任一個車站、區(qū)間變電所的外部電源失電，將嚴重影響全線行車效率。因此，分散供電方式適宜于沿線地方電源充足、強大、距離各站點較近的場合。

②集中供電方式。

集中供電方式是指全線多個車站或區(qū)間負荷點集中從地方電網(wǎng)接引兩回電源，通過車站配電所向沿線變電所供電。集中供電方式可最大限度地利用外部電源的供電能力，減少外部電源工程費用。其供電方案包括雙貫通線、雙環(huán)網(wǎng)、單貫通線、單環(huán)網(wǎng)，其中單貫通線和單環(huán)網(wǎng)多適用于單線鐵路。

③混合供電方式。

若部分變電所間距大，引入外部電源比采用貫通線（或環(huán)網(wǎng)）更經(jīng)濟時，可采用集中與分散相結(jié)合的供電方式，即混合供電方式。

④供電方式選擇。

某工程需向31座車站、3座場段和27座區(qū)間變電所供電，若采用分散供電方式，引入的外部電源數(shù)量較多，投資較高，與電網(wǎng)接口較多，不便于運營管理。本次研究推薦采用集中供電方式。

3.2 中壓供電網(wǎng)絡(luò)方案

3.2.1 中壓供電網(wǎng)絡(luò)方案概述

某工程沿線分布有220kV、110kV和10kV電源，結(jié)合推薦的集中供電方式，中壓供電網(wǎng)絡(luò)方案可采用貫通線和環(huán)網(wǎng)方式[5]。

①雙貫通線方案。

全線設(shè)置兩條電力貫通線，其中一條為綜合負荷電力貫通線，負責向沿線的各類中小負荷供電;另一條為一級負荷電力貫通線，負責向沿線的一級負荷供電。在規(guī)模較大的車站設(shè)置配電所，各個配電所從地方電網(wǎng)接引兩回電源。

相鄰兩個配電所之間的負荷由A、B兩配電所同時供電（見圖1）。正常運行時，斷路器A1和B2閉合，斷路器A2和B1斷開，A、B兩個配電所分別通過綜合負荷電力貫通線和一級負荷電力貫通線向A、B兩個配電所之間的車站、區(qū)間變電所供電。當A、B兩配電所有一個所失電時：如A配電所失電時，將斷路器B1閉合，B配電所通過綜合負荷貫通線和一級負荷貫通線向A、B兩個配電所之間的車站、區(qū)間變電所供電。

②雙環(huán)網(wǎng)方案。

全線設(shè)置兩條綜合負荷電力貫通線，在規(guī)模較大的車站設(shè)置配電所，各個配電所從地方電網(wǎng)接引兩回電源。與雙貫通線方案相比，主要不同點在于相鄰兩個配電所之間的供電線路設(shè)置有環(huán)網(wǎng)開關(guān)作為分界點。

A、B兩個配電所同時向各自供電分區(qū)的負荷供電（見圖2），供電分區(qū)以環(huán)網(wǎng)開關(guān)設(shè)置位置分界。正常運行時，斷路器A1、A2和B1、B2閉合，斷路器C1和C2斷開，A、B兩個配電所分別通過綜合負荷電力貫通線一和綜合負荷電力貫通線二對A、B兩個配電所之間的車站、區(qū)間變電所供電。當A、B兩個配電所有一個所失電時：如A配電所失電時，將斷路器C1和C2閉合，B配電所通過綜合負荷貫通線一和綜合負荷貫通線二向A、B兩個配電所之間的車站、區(qū)間變電所供電。

③單貫通線/單環(huán)網(wǎng)方案。

相鄰兩個配電所（A、B）之間只有一條貫通線（單環(huán)網(wǎng)），車站、區(qū)間的所有負荷由貫通線（環(huán)網(wǎng)）供電。正常運行時，由A（或B）配電所向車站、區(qū)間的變電所供電。當A（或）B配電所失電時，由B（或A）配電所向車站、區(qū)間的變電所供電。當貫通線（環(huán)網(wǎng)）發(fā)生短路故障跳閘時，需先隔離區(qū)間故障線路段，再由A（或B）配電所恢復(fù)對非故障段貫通線的供電。與雙貫通線和雙環(huán)網(wǎng)方案相比，存在倒閘作業(yè)線路停電時間。當某負荷點變壓器故障時，0.4kV側(cè)失去電源，供電可靠性差。

3.2.2 某工程電力方案研究

結(jié)合某工程沿線電源點情況，鑒于35kV電壓等級下，雙環(huán)網(wǎng)應(yīng)用較多;10kV電壓等級下，貫通線應(yīng)用較多。從技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛考慮，本次研究就35kV雙環(huán)網(wǎng)和10kV雙貫通線進行比選。即采用35kV雙環(huán)網(wǎng)方案時，擬在與牽引變電所同址處設(shè)置110/35kV電力主變電所。采用10kV雙貫通線時，配電所直接從地方電網(wǎng)引入10kV電源。

對某工程采用35kV雙環(huán)網(wǎng)和10kV貫通線方案投資、供電能力、可靠性、資源共享、外部接口等方面的研究如表2所示。

與10kV相比，35kV電壓等級更高，供電能力更強，供電距離更遠。與10kV相比，35kV可靠性更高。根據(jù)《國家電網(wǎng)公司供電服務(wù)質(zhì)量標準》，供電設(shè)備計劃檢修時，對35kV及以上電壓供電的用戶，每年停電不應(yīng)超過1次，對10kV供電的用戶，每年不應(yīng)超過3次。采用35kV時，可在與牽引變電所同址處新建1座電力變電所，每座電力主變電所均可共享牽引變電所的110kV進線電源。從某工程全線角度分析，采用10kV，共需設(shè)置10座配電所，每座10kV配電所均需引入兩回相對獨立的10kV進線電源，共新增20回10kV進線電源，存在與城市電網(wǎng)接口多、協(xié)調(diào)工程量大、不便于運營管理與維護等缺點;采用35kV，共需設(shè)置6座110/35kV電力變電所，均可利用牽引變電所引入的外部電源，與城市電網(wǎng)不新增接口。采用35kV，均利用牽引變電所作為進線電源，實施無難度。采用10kV，由于部分線路深入城區(qū)，滿足某工程容量需求的10kV外部電源點及徑路選擇往往實施困難，且容易成為某工程供電系統(tǒng)的關(guān)鍵制約因素。

綜合技術(shù)經(jīng)濟比較，從供電能力更強、可靠性更高、與城市電網(wǎng)接口更少、外部電源實施難度更小和節(jié)省投資、便于運營維護管理等角度出發(fā)，推薦某工程采用35kV雙環(huán)網(wǎng)供電方式。

3.3 開關(guān)型式選擇

35kV雙環(huán)網(wǎng)不設(shè)置母聯(lián)斷路器供電方案下，各降壓變電所進線、出線開關(guān)可采用負荷開關(guān)或斷路器。

3.3.1 負荷開關(guān)

當某供電分區(qū)環(huán)網(wǎng)電纜發(fā)生短路故障時，由于進、出線的負荷開關(guān)不能切斷短路電流、不配置保護裝置，只能依靠110/35kV電力變電所35kV側(cè)饋線斷路器保護動作跳閘，會擴大短路故障的影響范圍。該整個供電分區(qū)內(nèi)的失電范圍，只能依靠本供電分區(qū)內(nèi)所有降壓變電所0.4kV母聯(lián)斷路器備自投動作合閘來恢復(fù)送電，且短路點位置，需要人工再次核實判斷。

3.3.2 斷路器

當某供電分區(qū)發(fā)生短路故障時，可通過光纖差動保護斷開故障點兩側(cè)進、出線斷路器，110/35kV電力變電所至故障點前的變電所正常供電，故障點至環(huán)網(wǎng)開關(guān)區(qū)段的變電所通過0.4kV備自投動作合閘。

采用斷路器可縮小故障影響范圍，且能準確判斷故障點位置，節(jié)約檢修時間。從以上原因考慮，推薦某工程車站、場段、區(qū)間降壓變電所35kV母線進出線采用斷路器。

3.4 母聯(lián)斷路器設(shè)置必要性

基于上述推薦35kV雙環(huán)網(wǎng)采用斷路器，各降壓變電所可采用設(shè)置或不設(shè)置母聯(lián)斷路器方案。

①不設(shè)置母聯(lián)斷路器。

當環(huán)網(wǎng)電纜發(fā)生短路故障時，故障點兩側(cè)進、出線斷路器保護動作跳閘，故障點至環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)的所有變電所均需通過0.4kV備自投合閘恢復(fù)送電。

②設(shè)置母聯(lián)斷路器。

當環(huán)網(wǎng)電纜發(fā)生短路故障時，故障點兩側(cè)進、出線斷路器保護動作跳閘，故障點下一個降壓變電所35kV母聯(lián)斷路器備自投合閘，恢復(fù)送電。

與不設(shè)置母聯(lián)斷路器相比，設(shè)置母聯(lián)斷路器只需一個降壓變電所35kV母聯(lián)斷路器備自投即可恢復(fù)送電，動作的開關(guān)數(shù)量少，恢復(fù)送電時間快，且即使35kV母聯(lián)備自投不成功，也能通過0.4kV備自投恢復(fù)送電，供電方式靈活，可靠性高。從上述原因考慮，擬推薦某工程車站、場段、區(qū)間變電所35kV母線均設(shè)置母聯(lián)斷路器。

3.5 降壓變電所與跟隨式降壓變電所的比選

在規(guī)模較大的車站以及與車站鄰近的區(qū)間，往往設(shè)置了多個降壓變電所。該部分降壓變電所的供電方式可采用傳統(tǒng)的中壓供電環(huán)網(wǎng)電纜依次通過每個降壓變電所環(huán)入、環(huán)出方案，也可按跟隨式降壓變電所設(shè)置。

經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比選合理時，可將部分車站、場段及與車站相鄰的區(qū)間降壓變電所設(shè)置為跟隨式降壓變電所。跟隨式降壓變電所內(nèi)部故障對中壓供電網(wǎng)絡(luò)影響較小，且跟隨式降壓變電所不設(shè)置交直流屏、35kV進線采用負荷開關(guān)，能節(jié)省投資。

在車站只設(shè)置1座降壓所，其余車站范圍內(nèi)的變電所按跟隨式降壓變電所考慮，全線有21座車站范圍內(nèi)的變電所可設(shè)置為跟隨式降壓變電所，可省投資約200余萬。

針對區(qū)間變電所，綜合考慮控制電源供電距離和電纜投資，將距離車站1.5km以內(nèi)的區(qū)間變電所按跟隨式降壓變電所設(shè)置。全線有5座區(qū)間變電所可設(shè)置為跟隨式降壓變電所，綜合考慮增加的電纜投資和節(jié)省的交直流屏等，與采用傳統(tǒng)的中壓供電環(huán)網(wǎng)電纜依次通過每個降壓變電所環(huán)入、環(huán)出方案相比，可省投資近300余萬。

綜合經(jīng)濟技術(shù)比選，推薦某工程部分車站、區(qū)間變電所按跟隨式降壓變電所設(shè)置。

4 研究推薦方案

通過上述研究比選后，結(jié)合某工程的特點，電力供電方案采用集中35kV雙環(huán)網(wǎng)，車站、區(qū)間變電所35kV側(cè)采用斷路器，車站、區(qū)間變電所設(shè)置母聯(lián)斷路器，部分車站、區(qū)間變電所按跟隨式降壓變電所設(shè)置。

【參考文獻】

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【2】TB 10009—2016 鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范[S].

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【5】陳怡心，謝紹峰，管亞敏，等.海內(nèi)外基于牽引供電系統(tǒng)的電力供電方案研究[J].電氣化鐵道，2018（1）：92-96.