陳建華

摘要：

在完善鐵路路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、解決偏遠(yuǎn)地區(qū)運(yùn)輸需求建設(shè)過(guò)程中，經(jīng)常需要在地處偏遠(yuǎn)、不發(fā)達(dá)地區(qū)建設(shè)鐵路，這就給鐵路電力設(shè)計(jì)提出了如何確定電力供電方案的問(wèn)題。在闡述鐵路建設(shè)過(guò)程中，對(duì)于外部電源匱乏的地區(qū)，經(jīng)過(guò)對(duì)建設(shè)10kV電力貫通線方案和自備電源方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，選擇合理的電力供電方案。

關(guān)鍵詞：

電源匱乏；風(fēng)光互補(bǔ)；供電方案

中圖分類號(hào)：

TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-3198（2014）04-0187-02

1 引言

某新建鐵路地處內(nèi)蒙古中南部草原地區(qū)，鐵路正線全長(zhǎng)約100公里，線路兩端均與既有線接軌，主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為Ⅳ級(jí)鐵路，單線，采用內(nèi)燃機(jī)車牽引。

本線沿線地方電源分布情況如下：兩端接軌站位于該地區(qū)兩個(gè)旗縣的主要城鎮(zhèn)，分別建有地方的35kV、110kV變電站，能夠?yàn)殍F路提供電源，鐵路沿線區(qū)間分布有少量牧區(qū)10kV農(nóng)電線路，配電線路長(zhǎng)且負(fù)荷點(diǎn)眾多，不適合為鐵路負(fù)荷供電，中間車站距離最近的地方變電站約30公里，故接引可靠外部電源十分不便。沿線太陽(yáng)能和風(fēng)能資源較為豐富，附近建有較大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，且已投產(chǎn)發(fā)電并運(yùn)行較穩(wěn)定。

本線用電負(fù)荷主要集中在兩端的接軌站和中間會(huì)讓站，區(qū)間分布有約30處小負(fù)荷通信用電點(diǎn)，沿線地形起伏不大，無(wú)隧道，沿線各站主要的用電負(fù)荷等級(jí)為二級(jí)和三級(jí)負(fù)荷。

結(jié)合《鐵路電力設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.2.1條“…當(dāng)所在地區(qū)偏僻，遠(yuǎn)離公共電網(wǎng)，設(shè)置自備電源較從外部取得電源技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理時(shí)，宜設(shè)置自備電源或在牽引變電所二次側(cè)設(shè)動(dòng)力變壓器取得電源”和《Ⅲ、Ⅳ級(jí)鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》第10.1.2條“…當(dāng)取得電源由困難時(shí)，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，可采用柴油發(fā)電機(jī)組等其他獨(dú)立電源?！焙偷?0.1.8條“鐵路長(zhǎng)度大于40km時(shí)，經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較可設(shè)置10kV電力貫通線”，考慮到本線的鐵路等級(jí)，有必要對(duì)本線是否設(shè)置電力貫通線和是否有必要利用自備電源源為鐵路沿線用電設(shè)備提供電源做經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，通過(guò)比選來(lái)選擇適合本線的電力供電方案，并總結(jié)類似地區(qū)鐵路電力供電方案選擇上的側(cè)重點(diǎn)。

考慮到沿線各車站內(nèi)站場(chǎng)低壓配電系統(tǒng)及室外照明等工程基本相同，不影響比選的結(jié)果，故比選的范圍僅限全線電力供電系統(tǒng)中電源線路及變配電設(shè)備部分。

2 比選方案的確定

2.1 方案一：新建電力貫通線方案

根據(jù)地方電源的分布情況，結(jié)合常規(guī)的鐵路建設(shè)電力供電方案，首先考慮的就是在鐵路兩端建設(shè)10kV鐵路配電所，沿線新建鐵路10kV電力貫通線為區(qū)間負(fù)荷和沿線匱乏電源的會(huì)讓站供電。從供電臂的長(zhǎng)度來(lái)看，100公里雖然已經(jīng)大大超過(guò)了電力設(shè)計(jì)規(guī)范中建議的常規(guī)供電臂長(zhǎng)度40公里至60公里的范圍，但結(jié)合本線的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和用電負(fù)荷的分布情況分析，區(qū)間開(kāi)站少，負(fù)荷相對(duì)較輕，經(jīng)過(guò)計(jì)算，常規(guī)的10kV電力貫通線仍可以滿足沿線供電需要。

建設(shè)電力貫通線的方案需要建設(shè)與其配套的10kV配電所和外電源線路，考慮到本線的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)為了節(jié)約工程投資，10kV配電所按照一路外接電源考慮，從而節(jié)約外部電源和高壓配電設(shè)備的投資。

綜上，該方案主要工程內(nèi)容為建設(shè)約100余公里10kV電力貫通線路、2座單電源帶調(diào)壓器10kV配電所和相應(yīng)的外部電源線路。

2.2 方案二：自備電源方案

本線沿線區(qū)間用電負(fù)荷小且分散，因此可以考慮采用設(shè)置自備電源方案。常規(guī)的自備電源主要采用柴油發(fā)電機(jī)組，結(jié)合當(dāng)?shù)乜稍偕Y源分布情況還可考慮太陽(yáng)能風(fēng)能等資源提供自備電源，考慮到本線主要需要解決沿線區(qū)間負(fù)荷的電源問(wèn)題，而柴油發(fā)電機(jī)組在無(wú)法實(shí)現(xiàn)人員隨時(shí)到位維護(hù)、加油等工作的情況下不適用于本線。該地區(qū)可再生能源中太陽(yáng)能和風(fēng)能的的分布均較為豐富，太陽(yáng)能資源方面該地區(qū)年日照小時(shí)數(shù)達(dá)到了3000余小時(shí)，年輻射總量達(dá)到了130～150千卡/（cm2·年）（詳見(jiàn)表1），故提出不建設(shè)電力貫通線，利用太陽(yáng)能和風(fēng)能互補(bǔ)發(fā)電及風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電為鐵路沿線負(fù)荷點(diǎn)提供電源的方案，擬通過(guò)比選確定最終方案。

該方案利用沿線豐富的太陽(yáng)能和風(fēng)能，在區(qū)間各個(gè)用電點(diǎn)建設(shè)小規(guī)模的太陽(yáng)能、風(fēng)能互補(bǔ)發(fā)電站為其供電，重點(diǎn)在于省去了配電所及外部電源線路的建設(shè)，在區(qū)間也不再需要建設(shè)電力貫通線，只需在各負(fù)荷點(diǎn)配套風(fēng)光互補(bǔ)電源設(shè)備即可，有很強(qiáng)的布置靈活性。國(guó)外有類似方案成功應(yīng)用的案例，如某礦石運(yùn)輸鐵路，長(zhǎng)達(dá)數(shù)百公里，標(biāo)準(zhǔn)大致相當(dāng)于本線的Ⅳ級(jí)鐵路，沿線區(qū)間均采用了太陽(yáng)能電源裝置為區(qū)間信號(hào)點(diǎn)、通信設(shè)備提供電源，供電質(zhì)量能夠保證需要，運(yùn)行也很可靠。

該方案根據(jù)負(fù)荷容量及位置設(shè)置成套風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電設(shè)備，主要由室外太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)，室內(nèi)充電控制器、直流部分、逆變器及電能存儲(chǔ)蓄電池組構(gòu)成，根據(jù)用電負(fù)荷容量選擇相應(yīng)的充電及逆變?cè)O(shè)備，根據(jù)容量及備用電源時(shí)間需求配置相應(yīng)容量的蓄電池組，以備陰天、下雨、無(wú)風(fēng)等發(fā)電條件不好時(shí)為負(fù)荷提供電源，蓄電池組在建設(shè)投資中占相當(dāng)?shù)谋戎亍?/p>

3 各方案比較分析

3.1 成本分析

（1）建設(shè)成本。

建貫通線方案，主要投資包括三大塊內(nèi)容，配電所外部電源線路，10kV配電所，沿線電力貫通線路。該方案投資與鐵路線長(zhǎng)度成正比例增長(zhǎng)，粗略估算全線配電所、電源線路及電力貫通線的投資合計(jì)在2000萬(wàn)元左右。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電方案，單處負(fù)荷點(diǎn)成本較高，電源點(diǎn)投資較高，但本方案無(wú)需建設(shè)10kV配電所及電源線路、貫通線，因此單處較高的投資并不一定帶來(lái)項(xiàng)目整體的高投資；根據(jù)本線區(qū)間負(fù)荷點(diǎn)容量及需要后備電源時(shí)間，計(jì)算相應(yīng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電裝置的裝機(jī)容量及蓄電池組容量，初步估計(jì)投資在2400萬(wàn)元左右。

（2）電費(fèi)支出。

新建貫通線方案自建成投運(yùn)起即需持續(xù)支付電費(fèi)，且電費(fèi)在運(yùn)營(yíng)中占據(jù)較大一筆支出，而風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電方案則無(wú)需支付電費(fèi)，較建設(shè)貫通線方案能夠節(jié)省一大筆長(zhǎng)期、穩(wěn)定的支出。

（3）維護(hù)成本。

新建貫通線方案的維護(hù)成本主要是日常人力支出，需要雇傭相應(yīng)數(shù)量的電力工人巡視、維護(hù)線路，更換破損絕緣子，定期檢修變配電設(shè)備；

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電方案，采用點(diǎn)式供電電源配置，大大降低了線路維護(hù)成本和人員配置成本，單套發(fā)電設(shè)備的維護(hù)成本雖然比較高，但總體維護(hù)成本不高，運(yùn)營(yíng)支出不高，經(jīng)濟(jì)性較好。

（4）設(shè)備更新改造周期。

新建貫通線方案，根據(jù)以往的鐵路線路大修經(jīng)驗(yàn)，一般架空電力線路的大修周期不超過(guò)十五年；配電所高壓開(kāi)關(guān)柜設(shè)備技術(shù)成熟，設(shè)備更換周期也能夠達(dá)到十五年。因此整體設(shè)備更新改造周期為十五年，壽命期接近時(shí)即需逐段開(kāi)展線路大修，逐所開(kāi)展設(shè)備更新改造。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電設(shè)備中蓄電池是占較大投資比重的設(shè)備，但也是使用壽命比較短的設(shè)備，從實(shí)際使用效果來(lái)看，蓄電池的更新周期約為5至8年，大大短于架空線路和高壓配電設(shè)備的更換周期，因此，設(shè)備折舊設(shè)備成本更高。

3.2 維護(hù)人員數(shù)量和技術(shù)要求

新建貫通線方案，沿線需要建設(shè)與鐵路全長(zhǎng)幾乎同等長(zhǎng)度的貫通線，包括架空線路和電纜線路，還需要建設(shè)配電所和電源線路，這些線路和變配電設(shè)施均需要人員檢修維護(hù)，并需要維持一定的規(guī)模，以便形成日常巡檢力量和應(yīng)急搶修隊(duì)伍，該方案是傳統(tǒng)鐵路建設(shè)方案，對(duì)技術(shù)維護(hù)人員要求是多但技術(shù)要求不高。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電方案中設(shè)備數(shù)量相對(duì)較少，電力線路數(shù)量大大減少，總體維護(hù)工作量較少，但由于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電設(shè)備的技術(shù)密集度較高，電力電子設(shè)備較多，因此對(duì)于維護(hù)人員技術(shù)水平要求較高，需要經(jīng)過(guò)專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)方能勝任，因此該方案對(duì)設(shè)備維護(hù)人員的要求是少而精。

3.3 方案靈活性

（1）建貫通線方案。

對(duì)于沿線新增負(fù)荷可隨時(shí)增加相應(yīng)的變壓器，并校核電力貫通線導(dǎo)線截面和調(diào)壓器容量，不滿足要求時(shí)對(duì)相應(yīng)導(dǎo)線或調(diào)壓器進(jìn)行改造，因此引起的改造工程將可能是全線性的，改造工程量較大，改造周期較長(zhǎng)，投資較高。

（2）自備電源方案。

對(duì)于任何新增負(fù)荷，均需增加相應(yīng)的電源裝置設(shè)備，但不涉及到全線性的改造，相對(duì)而言工程改造規(guī)模小，改造方案更簡(jiǎn)單，但僅對(duì)負(fù)荷點(diǎn)量變化不多情況有優(yōu)勢(shì)，當(dāng)負(fù)荷點(diǎn)很多時(shí)，單套風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電裝置的成本較增加一套變電臺(tái)成本要高出數(shù)倍之多，成本壓力變大。

4 結(jié)論

綜上所述，本線仍適宜采用建設(shè)電力貫通線的常規(guī)方案，該方案在當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件下在經(jīng)濟(jì)性和供電可靠性上有著比較均衡的優(yōu)勢(shì)。

同時(shí)，通過(guò)對(duì)本工程電力供電方案的比選分析，我們也意識(shí)到隨著太陽(yáng)能技術(shù)的進(jìn)一步普及，太陽(yáng)能發(fā)電及電能存儲(chǔ)設(shè)備成本和維護(hù)成本將逐步降低，使得太陽(yáng)能、風(fēng)能供電方案優(yōu)勢(shì)凸顯，對(duì)于區(qū)間負(fù)荷少的線路，采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電供電方案仍舊有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

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