长大干线10kV电力线路方案的研究与优化

具体包括系统方案、接地方式及无功补偿关键技术的研究。

3.8.3.1　系统方案研究

结合初步设计中间审查意见“区间负荷暂按两条10kV贯通线进行下阶段的工作，进一步调查国外高速铁路供电模式，研究合理可行的供电方案”的用户需求，在修改初步设计阶段通过研究国外高速铁路供电现状，对武广高铁供电方案进行了比选研究，确定了电力线路的主要供电方案。

通过调研目前全世界几个有代表性国家，如日本、韩国、法国、德国、西班牙的高速铁路供电现状，可以发现亚洲和欧洲的供电方案不同：日本和韩国均设有电力贯通线，与我国铁路供电方案基本相似；法国设有局部一条电力贯通线；德国、西班牙则不设电力贯通线，区间负荷取自接触网或地方电源。

结合我国既有铁路和国外高速铁路的供电方案，高铁供电方案一般采用全线设两条10kV贯通线，除初期投资和年运行费用较其他方案高以外，其运行稳定、运行经验丰富、设备技术成熟、安全可靠。因此提出双贯通线供电方案作为修改初步设计阶段推荐的供电方案。修改初步设计中，将两条10kV电力贯通线全部改为电缆，相对于初步设计电力贯通线采用架空裸导线、架空绝缘导线和电缆入地的混合方式，全电缆方案具有其相应特点，综合分析如下。

（1）当10kV电力贯通线主要采用架空裸导线时，需要综合分析其方案的特点，架空裸导线的主要优点是：①工程造价低；②抢修方便，容易排除故障，迅速恢复供电；③使用寿命较长。其缺点是：架空线路长年累月暴露在荒郊野外，经常要遭受狂风暴雨、雷电、冰害等恶劣的自然环境及自然灾害的侵蚀和考验，并容易遭受外力破坏，容易引起断线、绝缘子污闪、损害、雷击事故等，因此事故率比电缆线路要高。而且还占用耕地。例如，2004年12月中旬，湖南部分地区大雪，平山塘—衡山间双回10kV架空电力贯通线路断线，停电达16h，严重影响正常的行车运输，不能保证车站通信信号等重要负荷的不间断供电。

（2）当10kV电力贯通线采用架空绝缘电缆时，需要综合分析其方案的如下特点，架空绝缘导线与用裸导线架设的线路相比，该种线路主要优点有：①绝缘导线可以防止外物引起的相间短路，有利于改善和提高配电系统的安全可靠性；②有利于铁路两侧绿化工作，减少线路沿线树木的修剪量；③节约了架空线路所占用的空间，便于架空线路在狭小通道内穿越；④节约线路电能损失，线路电抗仅为普通裸导线线路电抗的1/3；⑤减少导线腐蚀，国外研究报道黑色交联聚乙烯寿命，在一般自然条件下达到50年以上。缺点是：①架空绝缘导线的允许载流量比裸导线小，加上塑料层以后导线的散热较差；②单位造价高于裸导线路约1倍；③雷击现象仍然存在。雷击后因为绝缘线电弧部位被固定，所以比裸导线更易烧断，造成绝缘线的熔断时间比裸导线快。

（3）当10kV电力贯通线采用电缆敷设时，其方案的特点即电缆线路埋地后的主要优点是：①受外界因素（如雷电、风害、冰害、人为故障等）的影响小，提高了供电可靠性；②沿电缆沟敷设电缆，工程隐蔽，不影响环境、市容和人身安全；③电缆线路的维修工程量比架空电力线路少；④节约线路电能损失，降低电压损失，同等截面情况下，铜芯交联聚乙烯的载流量与钢芯铝绞线的载流量基本相等，电压损失约为钢芯铝绞线的1/2。缺点是：单位造价高于裸导线路约2.5倍；发生故障的抢修时间比裸导线要长。

各种线路方案的主要特点对比见表3.19。

表3.19　电力线路方案的技术经济比较表(www.xing528.com)

综上所述，各种方案均有明显的优缺点，从高速铁路供电可靠性、社会发展对环境美化的要求、维护工作量最小化、减少高压电缆过轨次数以及高铁铁路整体性要求等角度综合考虑，两条10kV电力贯通线全部采用电缆、分别沿铁路两侧预制电缆槽敷设。一级负荷贯通线设于铁路下行方向左侧，综合贯通线设于铁路下行方向右侧。

3.8.3.2　武广电力工程的电力线路实施方案

上述基本方案形成后，在后期实施阶段，铁道部决定对本线通信、信号、牵引供电及电力系统采用四电系统集成的项目管理方式，武广高铁各项目建设相关单位，围绕新的用户需求，在站后四电工程设计方面，按系统集成的方式开展了相应工作。铁道部《关于武广高铁乌龙泉至花都段通信、信号、电力、电气化工程补充初步设计的批复》（铁鉴函〔2008〕729号），正式同意根据四电集成方案对四电工程初步设计进行调整。

确定了实施方案后，在应用过程中面临以下新的实际技术难题，如果不及时或有效地加以解决，必然影响方案的可实施性和经济性。

关键技术之“高速铁路电力系统中性点接地方式与无功补偿方案研究”，属于其中问题之一。究其原因，长期以来我国铁路采用架空线路为主，系统中性点采用不接地方式；按照上述方案研究和推荐意见，武广高铁工程中第一次作为长大干线的高速铁路，10kV贯通线大量使用电缆线路作为电力线路，带来了一系列新的实际应用的技术难题。比如，由于长距离电缆线路的对地电容电流远大于架空线路，带来了系统中性点接地方式的选择及无功补偿问题。在确定系统中性点接地方式时，还必须充分研究电力电缆短路对通信信号的影响。

关键技术之“高速铁路电缆平行间距”，属于其中问题之二。因为在高速电气化铁路建设中，由于空间走廊和建设成本的限制，铁路两侧必须并列敷设电力、通信信号电缆。这些电缆之间相邻距离近、平行距离远，存在电磁耦合关系，如果不加以研究处理，相应的感应电势是否可能危及信号系统的正常运行和人员的人身安全的疑问不消除，将难以在工程中推广实施长大干线10kV电力电缆线路方案。

为此，在本项目的前期科学研究过程和方案可行性研究阶段，通过调研、理论研究、仿真计算、现场测试、专家咨询等多手段，首次研制出满足我国高速铁路电力供电要求的中性点接地方式和系统容性无功功率的补偿方法，研究完成高速铁路电缆平行间距的关键技术研究，为工程的顺利实施奠定了技术基础。为后续的其他工程推广应用10kV电力贯通线电缆方案，促进行业标准《新建时速300～350km高铁专线铁路设计暂行规定》（铁建设〔2007〕47号）、《高速铁路设计规范》相应标准的形成，乃至对高速铁路电力供电技术进步发挥了积极作用。

以下对上述关键技术的研究内容、方法和主要结论，做必要的展开分析与说明。