客運(yùn)專線牽引供電系統(tǒng)對(duì)電力電纜的影響分析

楊建興

0 引言

自2008年京津城際鐵路開(kāi)通后，國(guó)內(nèi)鐵路客運(yùn)專線已陸續(xù)開(kāi)通了石太、甬臺(tái)溫、溫福、武廣、鄭西、合寧等線。隨著新技術(shù)、新設(shè)備的采用，客運(yùn)專線各系統(tǒng)之間的相互兼容性要求越來(lái)越高。

在客運(yùn)專線電力供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施中，考慮到客運(yùn)專線多采用高架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，為保證電力供電可靠性及提高系統(tǒng)抗自然災(zāi)害能力，電力貫通線一般采用全電纜方式沿高架橋兩側(cè)電纜槽敷設(shè)，同時(shí)電纜金屬護(hù)層（屏蔽層和鎧裝層）的接地方式采用與綜合地線相連接方式，間接通過(guò)綜合地線構(gòu)成牽引供電系統(tǒng)的一部分，考慮到客運(yùn)專線牽引負(fù)荷大、行車密度高的特點(diǎn)，有必要研究牽引供電系統(tǒng)在正常運(yùn)行和故障情況下對(duì)電纜金屬護(hù)層的影響。本文以京津城際鐵路武清—天津供電臂為模型，利用運(yùn)行圖模擬仿真計(jì)算軟件，將綜合地線、電力貫通線的金屬護(hù)層納入牽引供電網(wǎng)絡(luò)模型，建立供電網(wǎng)絡(luò)模型，計(jì)算分析金屬護(hù)層單端接地時(shí)感應(yīng)電壓和雙端接地時(shí)感應(yīng)電流，從而對(duì)金屬護(hù)層的接地方式和截面提出相關(guān)建議。

1 電力供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)概況

在京津城際軌道交通工程電力供電系統(tǒng)中，沿京津城際鐵路設(shè)置2回獨(dú)立的10 kV電力線路（1回為一級(jí)負(fù)荷電力貫通線，另1回為綜合電力貫通線），向沿線電力設(shè)備供電，電源取自北京南站、亦莊站、永樂(lè)站、武清站、天津站設(shè)置的10 kV配電所。

電力供電系統(tǒng)主要為通信、信號(hào)的低壓設(shè)備供電，一般全線每隔0.5～3.0 km設(shè)置箱式變電站，每個(gè)變電站分別從一級(jí)負(fù)荷電力貫通線和綜合電力貫通線各引入1回10 kV電源，降壓為0.4 kV后，向低壓負(fù)荷供電。10 kV電力貫通線全部采用單芯銅鎧銅芯電纜，電纜截面為70 mm2。

1.2 金屬護(hù)層接地要求

1.2.1 內(nèi)部感應(yīng)電壓

京津城際電力貫通線電纜負(fù)荷電流一般為10～20 A，電纜短路電流一般為100～600 A。

按單回貫通電力電纜最長(zhǎng)3 km、電纜成品字形布置、金屬護(hù)層單端接地，經(jīng)計(jì)算，電纜負(fù)荷電流產(chǎn)生的最大感應(yīng)電壓為3.6 V，短路電流產(chǎn)生的最大感應(yīng)電壓為104 V（0.1 s）。

1.2.2 金屬護(hù)層接地方式選擇

對(duì)于電力供電系統(tǒng)本身，若金屬護(hù)層采用單端接地，雖然感應(yīng)電壓滿足標(biāo)準(zhǔn)值要求，但是系統(tǒng)短路、雷擊等故障時(shí)，系統(tǒng)保護(hù)可靠性、保護(hù)靈敏性降低，因此建議金屬護(hù)層采用雙端接地方式。

1.3 金屬護(hù)層截面要求

1.3.1 單相短路電流

電力電纜發(fā)生單相接地時(shí)，故障電流需以電纜的金屬護(hù)層為回流通路。

根據(jù)計(jì)算，電力貫通線近端短路電流不大于600 A，遠(yuǎn)端短路電流約為200 A，持續(xù)時(shí)間一般不大于1 s。

1.3.2 金屬護(hù)層截面選擇

為滿足供電安全可靠性，對(duì)于電力供電系統(tǒng)本身要求，金屬護(hù)層的短時(shí)載流能力應(yīng)能滿足單相短路電流要求，并以此作為校核和選擇金屬護(hù)層截面的依據(jù)。

2 牽引供電系統(tǒng)影響仿真計(jì)算

2.1 牽引供電系統(tǒng)計(jì)算基礎(chǔ)資料

2.1.1 行車組織條件

仿真計(jì)算的行車組織條件按16輛編組，運(yùn)行速度350 km/h，緊密運(yùn)行追蹤間隔3 min考慮。

2.1.2 牽引供電系統(tǒng)主要相關(guān)參數(shù)

牽引供電系統(tǒng)主要相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1所示，牽引網(wǎng)導(dǎo)線型號(hào)見(jiàn)表2所示。

表1 牽引供電系統(tǒng)主要相關(guān)參數(shù)表

表2 牽引網(wǎng)導(dǎo)線型號(hào)一覽表

2.1.3 接觸網(wǎng)各導(dǎo)線空間幾何位置

接觸網(wǎng)各導(dǎo)線空間幾何布置按高架橋區(qū)段考慮，高架橋區(qū)段各導(dǎo)線的空間相對(duì)位置見(jiàn)圖1。

圖1 高架橋區(qū)段接觸網(wǎng)安裝示意圖

2.2 電力供電系統(tǒng)基礎(chǔ)資料

2.2.1 電力箱式變電站位置

武清—天津供電臂內(nèi)相關(guān)電力箱式變電站的位置見(jiàn)表3。

表3 電力箱式變電站位置一覽表

2.2.2 金屬護(hù)層相關(guān)技術(shù)參數(shù)

單芯銅鎧銅芯電纜70 mm2金屬護(hù)層（不同截面屏蔽層和外鎧組合）相關(guān)電氣參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 金屬護(hù)層電氣參數(shù)一覽表

2.3 牽引供電網(wǎng)絡(luò)模型

2.3.1 設(shè)定條件

（1）牽引變壓器接線型式為單相外V接線，牽引變電所內(nèi)不設(shè)AT變壓器。

（2）在牽引供電網(wǎng)絡(luò)模型中，每隔 600 m，上下行鋼軌各與綜合接地線相連接，每隔1 200 m，上下行鋼軌相連接，并與綜合接地線相連接。

（3）在牽引變電所、AT所、分區(qū)所處，鋼軌、保護(hù)線、綜合接線與電纜屏蔽層及金屬外鎧相連接。

（4）在高架橋段區(qū)段，電力電纜槽與鋼軌中心距離為2 500 mm，綜合地線與電纜槽相鄰。

（5）電纜敷設(shè)方式為品字形布置，在牽引供電網(wǎng)絡(luò)模型中，3根電纜的屏蔽層及金屬外鎧可按等效為1根導(dǎo)體考慮。

2.3.2 模型建立

根據(jù)電力貫通線金屬護(hù)層的2種接地方式，建立2個(gè)網(wǎng)絡(luò)模型。其中圖2為兩箱式站間電纜金屬護(hù)層雙端接地；圖3為兩箱式站間電纜金屬護(hù)層單端接地。

2.4 模擬計(jì)算結(jié)果

2.4.1 牽引供電系統(tǒng)引起的感應(yīng)電壓

當(dāng)電力貫通線金屬護(hù)層采用單端接地方式時(shí)，金屬護(hù)層未接地端的感應(yīng)電壓與電纜的長(zhǎng)度、在供電臂中的位置、牽引負(fù)荷電流有較大關(guān)系，與金屬護(hù)層截面大小沒(méi)有關(guān)系。

根據(jù)計(jì)算，正常運(yùn)行時(shí)，牽引負(fù)荷引起感應(yīng)電壓為45～243 V；短路情況下，牽引網(wǎng)短路電流引起感應(yīng)電壓為1 944 V（0.1 s）。

圖2 武清—天津供電臂網(wǎng)絡(luò)模型（雙端接地）圖

圖3 武清—天津供電臂網(wǎng)絡(luò)模型（單端接地）圖

2.4.2 牽引供電系統(tǒng)引起的感應(yīng)電流

當(dāng)電力貫通線金屬護(hù)層采用雙端接地方式時(shí)，金屬護(hù)層感應(yīng)電流與牽引負(fù)荷電流大小、電纜截面、在供電臂中位置有較大關(guān)系。根據(jù)計(jì)算，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，在變電所出口處，金屬護(hù)層（不同截面屏蔽層和外鎧組合）的感應(yīng)電流大小（有效值）見(jiàn)表5。

表5 金屬護(hù)層感應(yīng)電流一覽表

3 牽引供電系統(tǒng)影響分析

3.1 金屬護(hù)層接地方式

當(dāng)電纜金屬護(hù)層采用單端接地時(shí)，牽引供電系統(tǒng)引起的感應(yīng)電壓超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)允許值。為減小感應(yīng)電壓，可采用減小電纜單段長(zhǎng)度，但勢(shì)必引起中間接頭過(guò)多，影響供電可靠性和維護(hù)運(yùn)營(yíng)。因此，建議電纜金屬護(hù)層采用雙端接地方式。

3.2 金屬護(hù)層截面選擇

對(duì)于電纜金屬護(hù)層（屏蔽層及外鎧）的載流能力（持續(xù)載流量）與其截面大小可看成線性正比關(guān)系，暫按每mm2載流2 A的能力進(jìn)行考慮，繪制載流曲線（實(shí)際的載流能力曲線應(yīng)由廠家對(duì)所生產(chǎn)的電纜的各種屏蔽層及外鎧截面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試所得）。

不同電纜屏蔽層及外鎧截面的載流能力及感應(yīng)電流曲線如圖4所示。

圖4 屏蔽層及外鎧截面其載流能力及感應(yīng)電流曲線圖

由圖4可以看得，隨著電纜屏蔽層和外鎧截面的不斷加大，其牽引回流增加趨于平穩(wěn)；在電纜屏蔽層及外鎧估算的載流量曲線下，與感應(yīng)回流曲線的交叉點(diǎn)的截面應(yīng)為電纜屏蔽層和外鎧最經(jīng)濟(jì)、最合理的選擇，其截面大小為（16+8）mm2。

結(jié)合各種情況，對(duì)于金屬護(hù)層的屏蔽層和外鎧，其載流能力建議為48 A和24 A。

4 結(jié)束語(yǔ)

客運(yùn)專線是一個(gè)整體系統(tǒng)工程，內(nèi)部各子系統(tǒng)之間相互獨(dú)立又相互影響，電力貫通線的電纜金屬護(hù)層作為客運(yùn)專線綜合接地系統(tǒng)的重要組成部分，其接地方式及截面大小的選擇，不僅關(guān)系到電力供電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，而且也關(guān)系到牽引供電系統(tǒng)及其他系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，因此，在電力供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電纜金屬護(hù)層的接地方式和截面選擇應(yīng)統(tǒng)籌考慮，確保鐵路客運(yùn)專線行車安全。

[1]電氣化鐵道設(shè)計(jì)手冊(cè)-牽引供電系統(tǒng) 鐵道部電氣化工程局電氣化勘測(cè)設(shè)計(jì)院[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，1988.

[2]Kie?ling, Puschmann, Schmieder.電氣化鐵道接觸網(wǎng)[M].中鐵電氣化局集團(tuán)譯.北京：中國(guó)電力出版社，2004.

[3]楊照輝，楊建興，吳炳章.京津城際客運(yùn)專線鐵路電力供電系統(tǒng)[D].2008年鐵路電氣化新技術(shù)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2008.

[4]牛金平，李晉.鐵路客運(yùn)專線單芯電力電纜金屬護(hù)套接地方式研究[D].2008年鐵路電氣化新技術(shù)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2008.