孫汝楊
在目前運(yùn)行的鐵路線路中,普速鐵路沿線電力貫通線路普遍采用以架空線為主、電纜為輔的混架型式,通過長期的運(yùn)行,已經(jīng)形成了一套成熟穩(wěn)定的電力系統(tǒng)方案,主要采取經(jīng)調(diào)壓器中性點(diǎn)不接地、貫通母線段不做補(bǔ)償、長距離電纜就地補(bǔ)償?shù)姆绞健=旮咚勹F路建設(shè)大規(guī)模開展,其橋隧占比較大,沿線電力貫通線路采用了全單芯電纜方式,在線路兩側(cè)綜合電纜槽內(nèi)敷設(shè)。
與架空線路相比,電纜線路對地電容電流是架空線路的30~100 倍。全線電纜線路的運(yùn)用顯著增加了沿線電力線路電容電流,使得末端電網(wǎng)電壓提高,同時也增加了線路上的無功損耗。
高速鐵路沿線電力貫通線采用全電纜方式,參照《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]12.2.10.3 條“全電纜線路宜采用低電阻接地方式”和12.2.10.4 條“低電阻接地方式的接地電阻宜按單相接地電流200 A~400 A、接地故障瞬時跳閘方式選擇”的設(shè)計(jì)原則,高速鐵路在接地型式、無功補(bǔ)償方式方面與普速鐵路存在較大差異,因此高速鐵路在供電可靠性、設(shè)備絕緣配合、綜自保護(hù)、人身安全及對沿線弱電線路的干擾等方面均與普速鐵路不同。
本文結(jié)合目前高速鐵路電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,提出一種沿線電力貫通線路的簡化模型,在此基礎(chǔ)上,對沿線無功補(bǔ)償方式、小電阻接地方式及感應(yīng)電壓等進(jìn)行分析,以期為高速鐵路沿線電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。
國內(nèi)鐵路工程主要采用10 kV 作為配電網(wǎng)絡(luò)電壓標(biāo)準(zhǔn)。高速鐵路用電負(fù)荷主要分為車站負(fù)荷與區(qū)間負(fù)荷。目前,高速鐵路相鄰車站間距一般為40~70 km,鐵路10 kV 配電所結(jié)合車站的分布情況,一般按照40~60 km 的間距進(jìn)行設(shè)置。區(qū)間用電負(fù)荷主要包括信號通信中繼站(50~80 kW/處/10~20 km),通信基站(直放站)(10~30 kW/處/3~5 km),視頻點(diǎn)(3~5 kW/處/按需),牽引變電所(50~80 kW/處/50~70 km)以及分區(qū)所、開閉所(20~40 kW/處/20 km),隧道、區(qū)間警務(wù)崗?fù)?、橋梁動力照明?fù)荷和一些接觸網(wǎng)開關(guān)站等小容量負(fù)荷。
高速鐵路沿線10 kV配電系統(tǒng)饋線由各個10 kV配電所內(nèi)經(jīng)過10 kV調(diào)壓器后饋出。電力貫通線又分為一級負(fù)荷電力貫通線路與綜合負(fù)荷電力貫通線路,分別采用10 kV YJV63-8.7/15kV單芯電纜,截面一般為70 和95 mm2。
本文按照上述一般用電負(fù)荷設(shè)計(jì)一種標(biāo)準(zhǔn)化模型,10 kV 配電所按照60 km 間距設(shè)置,調(diào)壓器電源引入側(cè)按照無限大容量系統(tǒng)考慮。設(shè)備設(shè)置詳見圖1。
圖1 區(qū)間電力貫通線路標(biāo)準(zhǔn)模型示意圖
在正常運(yùn)行情況下,長距離單芯電纜會產(chǎn)生對地電容,將在配電網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生容性無功電流,可能會降低功率因數(shù)、升高線路末端電壓、增加單相接地時瞬時弧光過電壓,因此,在高鐵沿線設(shè)置一定數(shù)量的固定電抗器補(bǔ)償裝置,以減少電容電流。
根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]12.2.9.2 條“以電纜為主的高壓電力貫通線路,宜采用貫通線上分散設(shè)置固定電抗器就地補(bǔ)償為主、在配電所集中設(shè)置無功自動補(bǔ)償為輔的補(bǔ)償方式”的設(shè)計(jì)原則,以及文獻(xiàn)[2]的研究,結(jié)合目前高速鐵路的設(shè)計(jì)情況,本模型在區(qū)間信號通信中繼站里程處,結(jié)合箱式變電站設(shè)置固定電抗器補(bǔ)償裝置,容量為114 kVar,詳見圖1。在配電所內(nèi)一般設(shè)置磁控電抗器進(jìn)行無功調(diào)節(jié),容量一般為400 和315 kVar。
根據(jù)《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊 電力》[3]中相關(guān)計(jì)算方法,在正常運(yùn)行情況下,單芯電纜電容電流計(jì)算式為
其中:Ic為線對地的電容電流,A;ω為角速度,ω= 2πf = 314;C為單芯電纜對地的電容,F(xiàn)/km;l為電纜線路長度,km;Uφ為相電壓,V。
95 mm2和70 mm2單芯電纜對地工作電容分別為0.240 μF/km和0.217 μF/km,考慮到沿線變電所等設(shè)備增加的接地電容情況,其附加值增加16%[4]。高速鐵路10 kV配電所內(nèi)每個調(diào)壓器所帶電力貫通母線段共同為上行與下行2 個供電臂提供高壓電源;區(qū)間每15 km設(shè)置1 座114 kVar的固定電抗器補(bǔ)償裝置,其無功補(bǔ)償電流值為6.58 A(感性電流IL),每公里補(bǔ)償電流約為0.438 8 A。
該模型下,沿線電力貫通線在正常工作情況下的電容電流如表1 所示。
表1 沿線電力貫通線正常運(yùn)行電容電流值
在10 kV 配電所內(nèi)集中設(shè)置的無功自動補(bǔ)償裝置主要為磁控電抗器,對沿線電力貫通線的容性電流進(jìn)行調(diào)節(jié),并進(jìn)一步提高電力貫通母線段上的功率因數(shù)。
根據(jù)《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊 電力》[3]中相關(guān)計(jì)算方法,在單相短路故障情況下,電力貫通線接地相的電容電流計(jì)算式為
其正常相的電容電流計(jì)算式為
可見,區(qū)間固定電抗器在單相短路情況下,由線間電壓產(chǎn)生的補(bǔ)償電流為正常情況下的倍流經(jīng)接地點(diǎn)的補(bǔ)償電流為正常情況下的3 倍(3IL)[4]。
沿線最遠(yuǎn)處出現(xiàn)一處單相接地故障情況下,得出數(shù)據(jù)如表2 所示。
表2 沿線電力貫通線單相接地電容電流值
從表2 中可以看出,當(dāng)95 mm2全電纜線路出現(xiàn)一處單相短路故障時,其接地相與正常相上的電容電流均出現(xiàn)大于10 A的情況,要保證單相接地短路電弧不重燃,需將單相接地電容電流控制在10 A以內(nèi)[2],因此還需10 kV配電所內(nèi)無功自動補(bǔ)償裝置進(jìn)行進(jìn)一步補(bǔ)償。
文獻(xiàn)[5]中接地電阻值計(jì)算方法:
其中:R為中性點(diǎn)接地電阻器的阻值,Ω;Un為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓,kV;Ic為系統(tǒng)單相接地的電容電流,A;K為系數(shù),為單相對地短路時電阻電流與電容電流的比值,一般為1.1~1.5。
根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中12.2.10.4 條“低電阻接地方式的接地電阻宜按單相接地電流200 A~400 A、接地故障瞬時跳閘方式選擇”的設(shè)計(jì)原則,中性點(diǎn)接地電阻值為9.6~26.24 Ω,考慮到沿線電容電流與綜自保護(hù)配合等多種情況,鐵路10 kV供電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地阻值通常選取10 Ω。
高速鐵路大部分工程中區(qū)間信號、通信等弱電線纜與電力電纜會在路基綜合電纜槽內(nèi)平行敷設(shè),電力電纜在運(yùn)行過程中,不僅對電纜自身的金屬護(hù)套產(chǎn)生感應(yīng)電勢,也會在弱電線纜的護(hù)套上產(chǎn)生感應(yīng)電勢。
依據(jù)《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]附錄F中感應(yīng)電勢的計(jì)算方法,單芯電纜在呈等邊三角形敷設(shè)時,感應(yīng)電勢可忽略不計(jì),平行敷設(shè)時感應(yīng)電勢計(jì)算式為
其中:L為電纜金屬層的電氣通路上任一部位與其直接接地處的距離,km;I為電纜導(dǎo)體正常工作電流,A;Eso為單位長度每安培的正常感應(yīng)電勢,V/(km·A)。
根據(jù)某廠家電纜參數(shù)計(jì)算可得 70 mm2與95mm2電纜的Eso相近,取較大值0.117 6 V/(km·A)。按照800 kV·A的調(diào)壓器滿負(fù)載運(yùn)行時工作電流為36.951 5 A,感應(yīng)電動勢不超過50 V計(jì)算,單芯電纜平行敷設(shè)的長度不應(yīng)超過11.51 km。
高速鐵路中信號電纜主要采用屏蔽層分段單端接地方式,且沿線設(shè)置有1 Ω的貫通地線供其可靠接地連接;高速鐵路設(shè)置區(qū)間綜合電纜槽,強(qiáng)電槽與弱電槽之間采用50 mm 的物理間隔。依據(jù)文獻(xiàn)[7]中的相關(guān)研究,平行敷設(shè)的電力電纜對信號電纜芯線的縱向感應(yīng)電壓(每公里所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢)為3.560 V/km;電力電纜“品”字形敷設(shè),其值為2.236 V/km。按信號電纜芯線縱向感應(yīng)電壓容許值為60 V 考慮,信號電纜容許連續(xù)敷設(shè)的長度分別為16.85 km 和26.83 km。
本文主要從供電可靠性、絕緣配合、綜自保護(hù)、人身安全及對弱電線的干擾等方面進(jìn)行分析探討。
目前,高速鐵路區(qū)間電力貫通線基本采用雙環(huán)網(wǎng)供電[8]的方式,如果采用全電纜型式,可很大程度避免外界不確定因素對沿線貫通線路的影響。
由于采用全電纜線路,區(qū)間及配電所內(nèi)均需采取感性無功補(bǔ)償措施,當(dāng)沿線電力負(fù)荷較輕時,貫通母線段上會有較大比重的無功功率,嚴(yán)重時功率因數(shù)會出現(xiàn)負(fù)值。相反,當(dāng)無功補(bǔ)償率過高或出現(xiàn)過補(bǔ)償?shù)那闆r時,不僅會使單相短路電流殘留值過高,只能靠小電阻接地系統(tǒng)抑制短路電流峰值,而且還會在正常情況下得到較低的功率因數(shù),加大電網(wǎng)產(chǎn)生不明諧振的概率。
從表1 和表2 中可以看出,在選取合適的無功補(bǔ)償方案確保單相故障接地電容電流控制在10 A以下,使得電弧不重燃,再結(jié)合小電阻接地系統(tǒng)的阻尼作用和調(diào)壓器容量或區(qū)間實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷容量,可以為沿線負(fù)荷提供一個安全可靠的供電系統(tǒng),并提升貫通母線段上的功率因數(shù)。同時,通過配電所內(nèi)調(diào)壓器與無功補(bǔ)償裝置的設(shè)置,可以很好地控制線路末端電壓[4]。
較之前普速鐵路采用的架空線與電纜混合的方式,采取多種措施可保證較高的供電可靠性和較好的供電質(zhì)量。
在小電阻接地系統(tǒng)下,當(dāng)沿線出現(xiàn)單相接地故障,正常相電壓不會大于倍相電壓,且持續(xù)時間較短;同時,小電阻接地可限制弧光過電壓,使電容電流殘值通過電阻很快釋放;整個供電系統(tǒng)在正常運(yùn)行及單相故障情況下不會產(chǎn)生很高的過電壓(不超過2.6 倍)。因此,小電阻接地系統(tǒng)降低了貫通母線段上高壓柜、高壓避雷器及沿線電力電纜、高壓設(shè)備的絕緣水平,使其與其他設(shè)備之間的絕緣配合有更好的選擇。
在配電所小電阻裝置接地側(cè)裝設(shè)零序互感器,至少配置饋出零序過流、饋出零序速斷保護(hù)和調(diào)壓器零序過流保護(hù)。當(dāng)發(fā)生單相短路故障時,故障線路供電臂可通過電流速斷保護(hù)和零序保護(hù)進(jìn)行快速選擇性跳閘。由于發(fā)生單相短路故障會有很大的短路電流通過小電阻接地設(shè)備,從而在短路電流值保護(hù)靈敏度、不同保護(hù)整定配合及故障類型判斷方面均有積極作用。
根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]12.4.5 條“10 kV電力貫通線電纜金屬層宜采用在線路一端或中央部位單點(diǎn)直接接地、另一端經(jīng)護(hù)層保護(hù)器接地方式,電纜金屬層連續(xù)長度不宜大于3 km”的設(shè)計(jì)原則,在每處高壓負(fù)荷用電點(diǎn)沿同一個方向單端設(shè)置護(hù)層保護(hù)器接地,從標(biāo)準(zhǔn)模型中可知,高壓負(fù)荷用電點(diǎn)間距一般不會超過3 km。
全電纜線路在連續(xù)敷設(shè)時,在金屬層會產(chǎn)生感應(yīng)電壓,應(yīng)盡量采取品字形敷設(shè)方式和全換位周期敷設(shè)方式;同時,采用在線路一端單點(diǎn)直接接地、另一端經(jīng)護(hù)層保護(hù)器接地方式,以減小感應(yīng)電壓值,從而避免檢修人員發(fā)生觸電等危險(xiǎn)。按照每3 km 左右做一組護(hù)層保護(hù)器接地估算,線路上感應(yīng)電壓最高可達(dá)13.04 V,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于50 V 的安全電壓。
發(fā)生單相短路故障時,故障電流較大,在故障點(diǎn)和小電阻裝置接地點(diǎn)處會形成較大的接觸電壓和跨步電壓。如斷路器很快斷開,可降低附近人員觸電風(fēng)險(xiǎn),同時還應(yīng)加強(qiáng)配電所或區(qū)間高壓設(shè)備處的防跨步電壓觸電、防接觸電壓觸電等措施,進(jìn)一步降低觸電風(fēng)險(xiǎn)。
通過文獻(xiàn)[7]可知,電力電纜會對弱電線纜產(chǎn)生感應(yīng)電壓,由于高速鐵路信號中繼站間距一般不超過15 km,滿足信號線纜連續(xù)敷設(shè)的條件。在沿線條件允許的情況下,應(yīng)盡量增加電力電纜與弱電線纜之間的間距,電力電纜采用“品”字形敷設(shè)方式可有效降低其對弱電線纜的影響。
(1)目前高速鐵路配電所內(nèi)10 kV 調(diào)壓器容量基本穩(wěn)定,所內(nèi)無功補(bǔ)償裝置最大容量也基本選定,因此,區(qū)間無功補(bǔ)償裝置容量和間距的合理選擇對區(qū)間全電纜電力貫通線正常運(yùn)行和單相故障狀態(tài)下的電容電流起到了決定作用,可保證貫通母線段上功率因數(shù)達(dá)到要求,可與調(diào)壓器共同調(diào)節(jié)末端電壓質(zhì)量。區(qū)間無功補(bǔ)償度的選擇尤為重要,在75%最佳補(bǔ)償度、最佳功率因數(shù)補(bǔ)償、末端電壓質(zhì)量、單相故障電容電流控制在電弧不重燃等不同目標(biāo)的選擇上,如何達(dá)到最佳的配合效果,需根據(jù)不同工程情況進(jìn)行計(jì)算選擇。
(2)對于全電纜貫通線路,在配電所內(nèi)采取小電阻接地的有效接地方式,使得配電所貫通母線側(cè)過電壓水平和設(shè)備絕緣水平較低;同時,可以利用該接地方式下單相接地電流較大的特點(diǎn)加設(shè)零序保護(hù),進(jìn)一步提高保護(hù)靈敏度和故障判斷準(zhǔn)確度。建議在出現(xiàn)短路故障的情況下,快速切斷電源,通過電調(diào)和綜自系統(tǒng)改變供電方案,繼續(xù)為區(qū)間負(fù)荷提供可靠電源,并對故障點(diǎn)進(jìn)行判斷和檢修。
(3)采用小電阻接地方式,短路電流變大,在配電所接地處和故障點(diǎn)處防止接觸電壓、跨步電壓方面,需進(jìn)一步采取措施,降低觸電風(fēng)險(xiǎn)。
(4)在沿線電力電纜敷設(shè)過程中,為降低對弱電線纜的影響及自身感應(yīng)電壓,盡量采用“品”字形敷設(shè)方式,增加強(qiáng)弱電線纜之間的距離。同時,在弱電線纜的接地方式上,建議采取降低電力電纜對其產(chǎn)生感應(yīng)電壓的措施。
(5)由于站區(qū)內(nèi)高壓電力系統(tǒng)采用不接地型式,為了統(tǒng)一配電所內(nèi)高壓設(shè)備的參數(shù),建議仍按照不接地系統(tǒng)的參數(shù)配置高壓設(shè)備。
(6)由于高速鐵路與普速鐵路在供電系統(tǒng)上存在較大不同,運(yùn)營單位需在維護(hù)檢修操作流程及方案上提出相應(yīng)的應(yīng)對措施。