关键技术：全电缆线路方案工程应用

武广高铁工程中所设的两条10kV电力贯通线路具有以下特点：均为单芯铜铠装铜芯电缆，一条为一级负荷贯通线，截面为70mm2；一条为综合负荷电力贯通线，截面为95mm2。线路为轻负载线路。由于贯通线采用全电缆敷设，线路对地电容电流比相同长度的架空线路大得多。武广高铁沿线设置10kV配电所，10kV配电所距离为31～70km不等，而岳阳—汨罗段最长，长度约70km。以岳阳—汨罗段（70km）为例，综合负荷电力贯通线路每相对地电容电流可达31.7A。当线路处于空载状态发生单相接地短路时，如果不考虑线路电阻和电抗的存在，流经接地点的电容电流为正常状态下对地电容电流的3倍，即95.1A。

针对高速铁路电力系统中性点接地方式与无功补偿方案研究，应用了仿真计算、全面的比较分析等研究方法，针对10kV电力电缆对信号电缆产生的电磁干扰途径及作用机理研究，解决了高铁铁路10kV电力电缆与通信信号电缆平行间距问题。具体研究分析过程如下。

3.8.4.1　系统接地方式

1）电力行业标准的规定

主要指《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》（DL/T620-1997）中规定，要求3～10kV不直接连接发电机的系统和35kV、66kV系统，当单相接地故障电容电流不超过下列数值时，应采用中性点不接地方式。

（1）当超过下列数值又需在故障条件下运行时，应采用经消弧线圈接地方式。

A.3～10kV钢筋混凝土或金属杆塔的架空线路构成的系统和所有35kV、66kV系统，10A。

B.3～10kV非钢筋混凝土或金属杆塔的架空线路构成的系统，当电压为3kV和6kV时，对应30A；当电压为10kV时，对应20A；当电压为3～10kV电缆线路构成的系统时，对应30A。

（2）当6～35kV主要由电缆线路构成的送、配电系统，单相接地故障电容电流较大时，可采用低电阻接地方式，但应考虑供电可靠性要求、故障时瞬态电压、瞬态电流对电气设备的影响、对通信的影响和继电保护技术的要求。

2）武广高铁10kV电力贯通线系统接地方式研究

本铁路电力工程若简单采用中性点不接地方式，可能造成以下几点危害。

（1）单相接地短路时，流经接地点的电容电流为95.1A，大于电力行业标准30A的要求。

（2）发生单相接地故障时，若采用中性点不接地系统，中性点电位将发生改变，非故障相电压升高到线电压以上，对电气设备绝缘要求较高。

（3）单相接地时易造成电弧重燃，引起3倍以上的过电压，易损坏供电设备或造成多相短路事故。

（4）单相接地故障定位困难，不能迅速判断和切除接地故障区段。

因此，简单地采用中性点不接地系统是不能满足武广高铁10kV电力贯通线系统可靠性要求的。

以电缆线路为主的10kV配电线路，不同国家接地方式不同，既有中性点直接接地，又有经低电阻接地、经消弧线圈接地。国内外没有统一的规定，同一个国家不同城市接地方式也不相同，我国现有国家标准主要支持消弧线圈接地和低电阻接地方式。

3）本工程接地方式的研究结论

武广高铁10kV电力贯通线系统应采用中性点经低电阻接地运行方式，分析过程如下。

（1）中性点经消弧线圈接地方式主要有如下特点：运行可靠性高，发生单相接地故障时可继续运行2h；对瞬间故障能自动熄弧；故障点对地电位低；单相接地的异常过电压能抑制在2.8倍相电压以下；运行管理和继电保护比较复杂。

（2）中性点经低电阻接地方式主要有如下特点：单相接地的异常过电压能抑制在2.8倍相电压以下；继电保护简单；运行管理比较简单；供电可靠性较低；故障点对地电位高，对人身及设备安全不利；对通信、电子设备干扰较大。

考虑到武广高铁采用两条10kV电力贯通线供电，供电可靠性较高，而且全电缆线路发生瞬间故障的概率较低，单相接地时带故障运行反而会引起事故扩大，带来更大的危害。而中性点经低电阻接地可以最有效地抑制系统内部过电压，采用原标准的电气设施绝缘裕度增加，设备使用寿命延长，提高系统供电可靠性。

（3）结论。武广高铁10kV电力贯通线系统采用中性点经低电阻接地运行方式。当发生单相接地故障，继电保护装置动作，及时切断故障线路。由于采用了低电阻接地系统，中性点与大地之间用很小的电阻相连，一旦发生单相接地故障，就会产生高达几百安培的接地电流，必须设置零序电流保护，迅速可靠地将这个电流切断。低电阻接地系统中继电保护的选择性和灵敏度较好。但当10kV单相接地故障电容电流小于30A时，为节约成本，可采用中性点接地电抗器补偿，以电弧自熄并兼顾线路容性残流均衡为选择补偿度的原则，对目前铁路电力电抗器补偿设计的0.75补偿度提出了修正。

武广高铁的电力工程，首次结合供电可靠性对铁路通信信号的影响，提出了长大干线10kV电力电缆系统中心点接地方式及无功补偿方案：以电缆为主的贯通线路，当单相接地故障电容电流大于30A、小于150A时，可采用小电阻接地（或直接接地方式）和消弧线圈接地方式；当单相接地故障电容电流大于160A时，宜采用小电阻接地；全电缆线路宜采用小电阻接地；小电阻接地下的单相金属性接地电流应限制在350A以内。

3.8.4.2　系统无功补偿方案

1）问题分析

由于武广高铁10kV电力贯通线系统采用全电缆方式，电缆线路对地存在电容，故在正常运行或单相接地时都有电容电流流过线路，又因为电缆线路相间及对地电容远大于架空线路，电缆线路的电容电流亦远大于架空线路的电容电流，可能造成以下几点危害。

（1）引起主变压器或调压器过载。

（2）单相接地时易造成电弧重燃，引起3倍以上的过电压，易损坏供电设备或发展成多相短路事故。

（3）贯通线电缆的分布电容产生的容性无功，会导致系统容性无功过剩，线路末端电压上升。(www.xing528.com)

2）解决措施

针对此问题，武广高铁首次在全线两条10kV电力贯通电缆线路上每隔10km左右分别分散设置了箱式电抗器，起到了补偿接地电容电流、补偿容性无功功率、降低线路容性电流、限制线路末端电压上升的综合作用，该方案具有如下优点。

（1）维护较方便，可与区间箱式变压器同时进行。

（2）贯通线故障隔离时，剩余段补偿仍然均匀。

（3）能有效降低线路容性电流。

（4）投资相对较小，不需设置专用房屋，可采用箱式电抗器与区间箱式变电站相邻布置。

3.8.4.3　电缆接地方式

按照《电力工程电缆设计规范》（GB50217-2007）第4.1.10条规定，未采取能有效防止人员任意接触电缆金属护层的安全措施时，金属护层的正常感应电势不得大于50V，采取相应措施后不得大于300V。根据《高速铁路设计规范》条文解释12.4.5，列车按300km/h速度3min间隔追踪运行时，单位长度纵向感应电压最大为38V/km。对于武广高铁的现场情况，两个箱式变电站之间的单回最长电缆长度不超过3.5km，当电缆一端接地，并以“品”字形布置时，单回最长电缆金属护层的感应电压为133V，大于50V。

武广高铁电力贯通线电缆金属护层的接地方式采用的是线路一端单点直接接地的方式，并且在线路另一端经电缆护层电压限制器接地。如果采用线路两端直接接地方式，又因为电缆金属屏蔽层在正常和故障情况下都有感应电流通过，实际上是把电力电缆金属屏蔽层作为铁路贯通地线使用。如此一来电缆金属屏蔽层就需要满足一定的载流量要求，其截面积一般不能小于16mm2，从而增加了贯通线电缆投资。

3.8.4.4　高速铁路电缆平行间距研究

1）需求分析

长期以来，我国普通铁路10kV电力贯通线路采用架空线路为主，为了避免电力电缆与通信信号电缆之间的影响，一般要求电力电缆与通信信号电缆分别设在铁路不同侧。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。在桥梁区段的电力电缆槽如图3.29所示，隧道内的电力电缆槽如图3.30所示。

图3.29　桥梁电力电缆槽设置图

图3.30　隧道内电力电缆槽布置图

受到条件所限，这些电缆之间相邻的平行距离如此之近，很可能通过电磁耦合方式彼此紧密联系在一起。当牵引供电系统和10kV电力电缆正常或故障运行中，产生的电磁场交链了处于同一电磁环境中的信号电缆，在信号电缆的芯线中会感应出电势。该感应电势可能危及信号系统的正常运行、危及信号系统设备的绝缘、危及检修工作人员的人身安全。因此，关于最小允许平行间距的研究至关重要。

关于强电线路对弱电线路危险影响的容许值，国内外相关规程都有基本相同的要求。我国《电信线路遭受强电线路危险影响的容许值》（GB6830-86）中规定：在强电线路处于正常运行状态时，信号电缆芯线上的纵向电动势允许值为60V；在强电线路处于故障运行状态时，对于电信明线线路允许通信导线上的纵向电动势值为430V，而对于电缆电信线路允许电缆芯线上的纵向电动势值为电缆直流试验电压的60％或交流试验电压的85％。

铁路通信、信号部门的电磁兼容规范规定电力电缆与通信信号电缆之间平行间距为0.6m。国家当时设计规范《电力工程电缆设计规范》（GB50217-94）中规定：不同使用部门的电缆间距，最小间距为0.5m，且该规范没有考虑到高速铁路牵引供电对信号电缆的干扰。国外由于信号制式不同，标准也不尽相同，如法国、德国在咨询京沪高速铁路和武广高铁后得出的结论就不一致。铁道部有关部门也多次召开专家研讨会，讨论是否能将电缆平行间距进一步减小，但由于缺乏计算和试验的科学依据，一直没有结论。为此，该项目于2005年1月由铁道部建设司批准立项研究（铁科字〔2005〕8号），其目的是将研究成果写入相关设计规范，指导设计。

2）主要研究方法

首先开展了收集与项目相关资料，调研了高速铁路重点建设工程对项目成果的需求，并与国外咨询公司进行了双向学术交流，掌握项目工作的基础与研究工作方向；研究10kV电力电缆对通信信号电缆产生的电磁干扰途径及作用机制，掌握电磁干扰的分析方法并建立相应的计算模型；分析计算10kV电力电缆系统不同形式接地短路情况下，产生电磁干扰的影响电流大小与分布；建立电力电缆对通信信号电缆产生纵向电磁感应电势的仿真计算模型，计算各种影响因素条件下信号电缆芯线的纵向电磁感应电势；考虑电气化铁路供电系统的综合影响，仿真计算了牵引供电系统对通信信号电缆的电磁影响，指出最不利情况下为10kV电力电缆故障与牵引供电系统合成对通信信号电缆产生影响。在实验室条件下，采用原型模拟试验的方法，开展了电力电缆与通信信号电缆电磁影响的实验室模拟实验，测量了10kV电力电缆与通信信号电缆同沟敷设与不同沟敷设条件下感应电势与影响电流的关系，验证了计算方法的正确性；在实际电气化供电系统中，利用已有的信号电缆空线对和临时敷设的信号电缆，现场测量了牵引供电系统对通信信号电缆的电磁干扰影响，验证了计算方法的正确性。本项目详细研究了电缆平行间距、通信信号电缆的屏蔽系数、接地电阻、通信信号电缆接地方式、综合接地系统、10kV电力电缆供电容量、接地短路形式等的影响，得到了各种运行条件下10kV电力电缆与通信信号电缆间允许的最小间距与最优的布置方式。

3）结论

经以上研究，本工程中首次提出10kV贯通线电力电缆与通信信号电缆允许的最小平行间距（100mm）研究结论，并提出当电力电缆与信号电缆平行铺设的距离超过最大允许距离时，应在信号电缆芯线对其屏蔽层间加装保护器的过电压保护措施。该值的采用，与原规范中的电缆平行间距0.6m相比，节约了巨大的工程投资费用。

3.8.4.5　电力贯通线材料选型的研究

长期以来，我国铁路电力贯通线采用的都是三芯电缆，武广高铁电力贯通线采用的是三根单芯电缆。虽然投资有所增加，但其优点很多，主要有如下几点。

（1）单芯电缆与柜内终端连接时，可避免交叉，使电气安全间距较宽裕，改善了安装作业条件。

（2）70mm2三芯电缆用直径2500mm运输成盘长度大约为500m，70mm2单芯电缆用直径2500mm运输成盘长度大约为1200m，可见单芯电缆运输成盘长度大约为三芯电缆运输成盘长度的1.25倍，在工程运用中可尽量减少电缆中间接头，增强运行可靠性。

（3）单芯电缆较同截面的三芯电缆载流量增加约10％，可使电缆截面选择降低一档。

（4）单芯电缆发生单相故障时，单芯电缆只更换故障相电缆，并且单相故障，难以发展成为相间短路。

（5）容许弯曲半径较小，有利于电缆敷设。

虽然理论上单芯电缆优点很多，但是毕竟贯通线采用单芯电缆运行经验不足，有待在运行管理中进一步摸索、探讨其规律特点。