鐵路電力供電工程設計研究

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【摘要】對肯尼亞蒙巴薩至內羅畢新建標準軌鐵路項目電力工程建設過程中的實際問題進行分析。非洲當地環境及標準與我國相關規范存在較大差異。論文針對電力貫通線、無功補償、中性點接地方式、繼電保護的設置等方面進行對比分析，從而設計出安全、適用的鐵路供電系統。

【關鍵詞】電力貫通線；無功補償；中性點接地方式；繼電保護

1鐵路正線供電方式

肯尼亞國內電力基礎設施薄弱，蒙內鐵路沿線地方主干電網僅由一路既有132kV輸電線路構成，132kV、33kV、11kV變電站分布稀疏，短時間停電為常態，供電可靠性較低。線路途經肯尼亞國家野生動物保護區，該范圍內難以取得可靠的外部電源。鐵路用電負荷具有用電點分散，容量小，對供電質量要求高等特點。分散供電方案是最原始的供電方案，分散供電方案要求鐵路沿線地方電源資源豐富，車站及區間用電設備均可就近接引地方電源，供電線路較短，綜合投資較低。整條鐵路接引多處電源，運營維護階段有較高要求，國外鐵路普遍采用分散供電方案。集中供電方案是30多年前，我國鐵路電力技術人員根據中國國情，面對鐵路沿線電力網薄弱，電力供應匱乏，滿足不了鐵路的供應需要狀況，大膽創新的智慧結晶，此項技術經過30多年的不斷改進和完善，日臻成熟。該方案可靠性高，受到運營部門的歡迎。目前，我國絕大部分鐵路采用集中供電方案。依據對蒙內鐵路沿線環境及電源的調查，集中供電是較為合理的方案。鐵路全線采用33kV電力貫通線作為車站及區間設備的主供電電源，既能滿足鐵路用電安全可靠的要求，又便于運營維護。貫通線路采用架空與電纜混合線路敷設方式，具備架空條件的段落均優先采用架空線路，有困難路段部分采用電纜線路[1]。架空線路易受氣候影響，但造價低，便于搶修；電纜線路造價高，維護不如架空線路方便，但具有全天候特點，能更大限度地抵抗冰雪等自然災害。結合實際的用電需求及建設條件，蒙內鐵路采用架空與電纜混合線路型式。

2電力貫通線中性點接地方式

中性點接地方式與電壓等級、單相接地故障電流、過電壓水平及保護配置等有密切關系。電力貫通線中性點接地方式直接影響電網的絕緣水平、供電可靠性、連續性和運行的安全性，以及電力貫通線對通信線路及無線電的干擾。普速鐵路電力系統應用較多的中性點接地方式為中性點直接接地及中性點不接地方式。中性點直接接地的優點是系統的過電壓水平和變電設備所需的絕緣水平較低。中性點直接接地方式的缺點是發生單相接地故障時單相接地電流很大，必然引起斷路器跳閘，降低供電連續性，供電可靠性較差。中性點不接地方式的優點是發生單相接地故障時，不形成故障電流通路，通過接地點的電流僅為接地電容電流。當單相接地電容電流很小時，不會形成穩定的接地電弧，故障點電弧可以迅速自熄。熄弧后絕緣可自行恢復，而無須使線路斷開，可以帶故障運行一段時間，以便查找故障線路，單相接地電流很小，對臨近通信線路的干擾小。中性點不接地方式的缺點是發生單相接地故障時產生弧光重燃過電壓，過電壓造成電氣設備的絕緣損壞或開關柜絕緣子閃絡，系統絕緣水平要求高。當線路很長時，接地電容電流過大，超過臨界值，接地電弧不能自熄，容易形成間歇性的弧光接地或電弧穩定接地。間歇性的弧光接地可能導致危險的過電壓，穩定性的弧光接地會導致相間短路，使得線路跳閘。

3電力貫通線無功補償

依據電力貫通線敷設方式的差異，鐵路電力系統通常采用靜態補償或動態補償方式。靜態補償設備包含并聯電容器及并聯電抗器，是傳統的補償方式，廣泛應用于各類等級的普速鐵路中。當貫通線路以架空線路敷設為主時，采用集中設置于電力配電所高壓母線并聯電容器進行補償，用于補償區間貫通線的感性無功。當貫通線路以電纜線路敷設為主時，采用分散設置于電力配電所及區間的并聯電抗器進行補償，用于補償區間貫通線的容性無功。動態補償設備包含靜止無功功率補償器及靜止無功功率發生器，是新型補償方式，廣泛應用于各類等級的高速鐵路中。磁控電抗器（MSVC）以磁飽和電抗器及并聯電容器為基本元件，集成無功功率檢測控制部件構成補償裝置，能夠進行快速補償，使功率因數保持合理水平，補償裝置運行穩定，占地面積小。靜止無功功率發生器（SVG）以變流器及變壓器為基本元件，集成二次系統部件構成補償裝置，通過變流器調節電壓角度，動態控制無功功率吸收及發出。蒙內鐵路設計階段電力貫通線采用全架空方式敷設，電力貫通線無功功率呈感性，配電所內安裝電力電容器進行補償。但在施工實施階段，因橫跨電力貫通線與紅線內的地方電力線路、地方建筑、公路的安全距離不滿足當地標準等多種原因，部分電力架空線改為電纜，導致電力貫通線的容性無功功率增加。在配電所內，單純地進行容性無功補償已經無法滿足現場生產運行的需求，需安裝既可進行容性無功補償又可進行感性無功補償的裝置。配電所選用磁控電抗器型高壓靜止無功補償裝置（MSVC），安裝無功補償裝置前，負荷滿載（負荷率90%）時，無功功率呈現感性，功率因數為0.85；負荷輕載（負荷率10%）時，無功功率呈現容性，功率因數為0.42；無法滿足供電部門功率因數至少為0.9的要求。安裝無功補償裝置后，負荷滿載（負荷率90%）時，功率因數為0.93；負荷輕載（負荷率10%）時，功率因數為0.95；滿足供電部門功率因數的要求。無功補償裝置需提供200kV•A容性無功功率及400kV•A感性無功功率，考慮越區供電的實際需求，MSVC選取的無功功率相應增加。

4配電所繼電保護整定沿線

33kV電力貫通線路需設置相間電流速斷、過電流及零序速斷及過電流保護裝置。貫通配電線路采用微機型線路保護裝置，保護裝置的過電流保護采用定時限“電流—時間”曲線進行整定。在33kV配電所電源引入過程中，當地供電部門提出其為本工程提供的33kV供電線路過電流保護采用反時限“電流-時間”曲線進行整定，并要求鐵路33kV配電所線路過電流保護與供電線路過電流保護相互配合。由于采用中性點直接接地方式，電力貫通線發生接地短路或相間短路時，會產生較大的短路電流。針對故障電流的特點，分別設置二段式定時限電流保護。二段式相間電流保護分為過電流保護及無時限電流速斷保護；過電流保護應躲過線路的過負荷電流；無時限電流速斷保護應躲過線路末端短路時的最大三相短路電流；為了保護線路全長，可以降低選擇性的要求，靠自動重合閘裝置補救。二段式零序電流保護分為零序過流I段保護及零序過流II段保護；零序過流I段保護應躲過線路單相接地短路電流；零序過流I段保護應躲過其他線路接地短路時本線路供出的電容電流。

5結論

蒙內鐵路采用電力貫通線替代國外鐵路的分散供電方式，安裝MSVC替代傳統無功補償裝置，中性點接地采用直接接地方式替代普速鐵路普遍采用的不接地方式，配電所進線采用反時限電流保護代替定時限電流保護，實踐證明技術安全可靠，為同類型的海外項目提供借鑒與參考。

【參考文獻】

【1】TB10008—2015鐵路電力設計規范[S].

作者:王剛 單位:中交機電工程局有限公司