高速鐵路電力系統的探討

閻德志

【摘 要】 當前，隨著我國經濟發展和人民生活質量的改善，高速鐵路在人們旅程中占據著越來越重要的地位。其運行速度快、安全服務好的特點，受到廣大民眾的青睞。在高速鐵路各系統中，鐵路電力系統是保障運輸安全高效不可或缺的專業之一。本文簡要闡述了高速鐵路電力系統的特點，分析了電力貫通線路存在的問題，探討了解決問題的辦法，為高速鐵路安全運輸提供安全可靠的電力保障。

【關鍵詞】 高速鐵路 電力 系統 探討

高速鐵路電力系統是由地方供電公司管理的公共電網供電、鐵路專業部門和單位自行管理的電力網絡。主要由鐵路沿線變、配電所及綜合貫通和一級貫通線路、站房變電所及高低壓輸配系統、站區電力設施組成。承擔著為高速鐵路沿線行車運輸、鐵路生產及生活供電任務。安全可靠不間斷供電是高速鐵路電力系統的基本屬性，為此，對高速鐵路電力系統相關問題進行探討，具有十分的現實意義。

1 高速鐵路電力系統的特點

1.1 高速鐵路對電力系統的要求

高速鐵路各專業設備點多分散。按其用電設備負荷又可分為區間負荷和車站負荷，區間負荷主要包括通信、光纖直放站、信號中繼站、隧道照明及應急設施、牽引變電所操作電源、沿線監控設施等；車站負荷主要包括信號、通信、客服、消防設施、防災系統、自動電梯、站房照明及應急照明、售票系統等。一批技術密集、自動化程度高的諸如車站計算機聯鎖、調度集中、車機聯控、G網通信、工業監控、信號自動閉塞等設備投運，對鐵路電力系統提出了更高的要求，電力系統自身自動化水平也在不斷提高，高速鐵路車、機、工、電、輛等運輸系統中任何一個環節如果突然停電或供電質量超標，都可能導致運輸阻塞、甚至引起列車顛覆、造成旅客傷亡等事故。因此，除不可抗拒的原因外，高速鐵路電力系統的可靠性應符合每日24小時的鐵路運輸需求和不同負荷等級的供電要求，一級負荷必須可靠供電，其可靠性體現在，當電力系統中的一路外部電源停電時或一條線路停電時或一個元器件停電時，不能中斷向一級負荷供電；一級負荷規定由兩路獨立且分別供電至負荷末端處，重點是一路電源故障或事故時，另一路電源不同時遭到損壞使兩路電源同時癱瘓而中斷供電。二級負荷在條件許可時提供兩路高壓電源，如不能滿足時可提供一路高壓電源。三級負荷無論高低壓單電源供電，非正常情況下許可做停電處理。

1.2 電力系統簡化的接線形式

高速鐵路電力貫通線路是獨特的區別于供電網絡的一種接線方式，是采用沿鐵路沿線輻射狀的網絡結構，分別稱作綜合貫通線路和一級貫通線路，分別設置在鐵路兩側或同一電纜廊道不同的支架上或同一電纜溝具有彼此間防護設施內。在高速鐵路沿線，每隔30—50km配置一座變配電所，通過貫通線路將各個變配電所之間相互連接，相鄰變配電所構成互為供電的系統，車站及區間負荷采用并聯式供電模式，電源分別取自貫通線路或變配電所。這種電力系統的接線形式簡化，易于連接和維護管理。

1.3 電力系統配置水平

高速鐵路運營具有“三高”特點，即高密度、高速度、高可靠性，為此對電力系統提出可靠性更高的要求，電力先行：在非正?；蛴袨暮η闆r下，電力系統應遲于行車設備損壞之后而損壞且先于行車設備恢復前而恢復；高可靠性：增強抵御自然災害的能力，體現在設備進屋、線路入地，基本達到電力系統運行不受自然外部環境的影響。應用SCADA系統，全程監控，實行調度一體化，實現快速切除電力設備故障并能及時恢復非故障設備供電，強化了電力系統的可靠性；在高速鐵路電力系統中，采用新設備、新技術、新工藝，配置在變配電所采用少維修或免維護設備，配置在站區變配電設備中采用遠動智能箱變，配置在貫通線路上采用交聯單芯電纜等，從而有效地提高了供電安全可靠性。

2 高速鐵路電力貫通線路存在問題及解決辦法

由于高速鐵路遍布全國乃至全球的差異性，其所涉及的電力貫通線路較長，且需要供電系統更為可靠和穩定，這就需要實時采用全新的供電技術，對高速鐵路的運行做出可靠性保障[3]。

2.1 長大貫通電纜接頭監控問題及解決辦法

目前，我國高速鐵路設置貫通線路有二條，分別是綜合和一級貫通線路，基本配置為全電纜模式，電纜選型為交聯聚乙烯非磁鎧裝單芯銅芯電纜，敷設在預制好的電力電纜溝槽中或廊道內支架上。貫通電纜一般采用70或95mm2單芯銅芯電纜，按照廠方生產工藝可生產長度達3km無中間接頭電纜，根據高鐵供電需求現場設計每個供電區段線路可達7—9km，在其線路中設有1～2套中間接頭箱，在箱內進行電纜頭相連接，每個區段三相貫通電纜共有3—6套中間接頭箱。

高速鐵路電力設備實行遠程監控模式，而高鐵貫通電纜接頭目前屬于在線監測真空地帶，又屬于故障易發區域，大多電纜中間頭敷設在橋梁或隧道內及護網內，一旦發生電纜頭故障，造成貫通線路開口運行，在高鐵運行條件下又不能及時排查或恢復，供電可靠性降低，對高鐵安全供電造成嚴重的影響。其解決方法是，研發一套遠程監測系統， 正常時實時監測高鐵貫通線電纜中間接頭運行工況，形成狀態監測、歷史記錄數據庫；異常時即時告警，實時自動區分故障區間、故障電纜，并自動提示接頭與本體異常數據，確定電纜頭故障點所在里程。

2.2 貫通線電容電流補償問題及解決辦法

當電力系統運行時，由于貫通電纜線路具有相對地及相間電容，在單相接地和正常供電時，均有電容電流流過。全電纜貫通線路與架空線路相比，電容量提高了幾十倍，導致高速鐵路電力貫通線路無功功率增大幾十倍。為使電力貫通線路及整個電力系統平衡無功功率，在貫通線路上或分散補償或集中補償，配置了并聯電抗器，以此來抵消這部分容性無功功率。并聯電抗器按照全貫通線路滿載運行配置容量，由于高速鐵路電力負荷率較小，可達20—30%，在這樣輕載或空載情況下，電抗器投入多，造成過補償，電抗器投入少，造成欠補償，電抗器投入多少，才能滿載無功功率的平衡，即功率因數達到90%及以上呢？在這樣輕載或空載情況下，不考慮電抗器投切的暫態過程，還存在由于電容電流還將引起電纜線路末端電壓的抬升的問題。綜合上述運行情況存在的問題，解決的方法是，利用貫通線路的“天窗”時間，對貫通供電臂采取逐個或間隔電抗器投切試驗，在配電所監控器上檢測供電臂功率因數值和末端電壓值，直至達標滿足運行條件。

2.3 貫通單芯電纜護層接地問題及解決辦法

貫通單芯電纜金屬護層單端接地時，感應環流的影響小，其優點是損耗小發熱小，其缺點是感應電壓有可能超限。降低感應電壓的方法是雙端接地或縮短單端長度。而雙端接地時，因其可靠接地的外露可導電部分，其感應電壓不會導致人身傷害，而產生的環流導致電纜本體發熱，長期運行將導致絕緣損壞加速絕緣老化；縮短單端長度，增加中間接頭，影響供電可靠性。目前從設計的角度采用金屬護層連續長度不大于3km考慮，在一端護層接地，另一端加裝護層電壓限制器，這樣既保證了金屬護層適當長度，又考慮了金屬護層感應電壓最大值不超標。問題是護層電壓限制器安裝在電纜接頭箱內，損壞不良不易發現，擊穿時造成雙端接地方式運行，久而久之絕緣損壞，感應電壓增大，危及人身安全。解決辦法是，周期檢測護層電壓限制器，發現不良及時更換。

3 結語

綜上所述，隨著我國社會的發展與科技的進步，使得高速鐵路得以快速發展，作為高速鐵路電力系統發展尤為迅速，電力新技術新設備推廣應用，使得高速鐵路所消耗的能源及所使用的資源逐漸減小，同時保障高速鐵路運輸更加的快速和安全，為我國高速鐵路相關技術填補空白，更為高速鐵路提高運行維護管理水平提供參考依據。

參考文獻：

[1]李勇，王江峰，何正友，黃立敏.高速鐵路牽引供電系統動態模擬綜合實驗系統的設計與實現[J].電力系統保護與控制，2014，09（12）13：123-128.

[2]楊大麗.高速鐵路電力供電系統中新技術新設備的分析與研究[J].科技視界，2014，05（03）09：219-220.

[3]張涼永.高速鐵路全電纜電力貫通線的電容電流及其容性無功補償分析[J].高速鐵路技術，2015，06（02）01：27-31+37.