摘要：本文分析了铁路客运专线10kV变配电所及电力贯通线的特点，以及系统接地方式及补偿方式等与普速铁路电力贯通线比较发生的变化，阐述了随着行车密度的加大，为满足设备检修和非正常情况下不间断供电贯通线并网倒闸操作对供电安全的影响，结合现场实际提出了改进措施。

关键词：高铁贯通线  并网操作  运行安全  改进措施

The influence on safety of grid connected operation on 10kV high-speed railway power transmission line and improvement measures

Junyue Liu

（Beijing Railway Administration Tangshan power supply section  Tangshan 063000）

Abstract:

This article analyzed the characteristics of passenger-dedicated line’s10kVelectrical substationand distribution station and power transmission line. The author also compared the system grounding method and compensation mode with those of regular-speed railway’s power transmission line. In order to maintain equipment or in some abnormal situation, the switch has to be changed for grid connecting. While the power transmission line should besupplied with uninterruptible power with the increase of traffic density, the changing switchoperation could seriously affect the safety of power supply. This article discussed this influence and put forward improvement measures based on actual situation.

Keyword：power transmission line of high-speed rail, grid connected operation, operation safety, improvement measures.

1、前言

随着天津至秦皇岛高速铁路的建成通车，高速铁路已走进我们的生产生活当中，如何保证高速铁路电力供电设备的安全性和可靠性，成为了摆在高速铁路电力工作者面前的一个重要课题。而高速铁路的信号装置、通信系统、与行车有关的附属设备的供电是由变配电所和10kv电力贯通线来完成的，可谓至关重要，一旦电力贯通线运行出现接地或短路故障，将会严重影响到高速铁路列车的安全运行。

目前，由于多种因素的制约，加上高铁信号、通信设备都装有UPS电源，10kv电力贯通线故障对设备的影响还没有完全显现，贯通线的并网倒闸操作也没有纳入《高速铁路电力管理规则》。而在电力贯通线并网技术这方面，国内外的相关研究比较少，加之还没有实施的先例，可借鉴的经验也知之甚少。我国高速铁路列车建设和运营时间较短，加上动车组列车运行时间段大多集中在昼间，夜间停轮检修维护天窗时间较为富裕，电力设备的保养、检修可以在天窗内完成。但随着高铁线路建设里程的增加，全国高速铁路网全面形成后，高速动车组列车将全天时段运行，设备的检修天窗时段将被压缩，不能满足电力设备检修所需停电时间，易造成失检失修形成安全隐患。电力贯通线电缆线路通常铺设在高速铁路的轨道两侧的路基上电缆槽内，具备环网功能的变配电所分布在线路下方，如非电缆线路检修，基本上不用上线作业，所以说为减少对行车的干扰，又保障电力设备的保养维护的完成，行车时段内通过电力贯通线并网倒闸操作将需检修的电力设备分离出来完成检修，将纳入到我们的检修操作程序。同时信号、通信等行车一类负荷的高质量不间断供电需求也将促使我们变更检修操作程序。

由于高速铁路10kv电力贯通线路部分为全电缆线路，加上区间用电负荷较小，并网倒闸分合闸瞬间形成的励磁涌流造成线路过电压，也可能造成开关误动，扩大停电范围，对高铁列车安全运行造成影响。为此通过研究高铁电力设备的特点，分析10kv贯通线路并网倒闸操作中影响设备运行安全的各种因素，通过技术措施消除不良影响是我们需要认真研究的课题。

2、高速铁路10kv贯通线路与普速铁路比较的变化特点分析

2.1、铁路变配电所一般就近从地方110kv或35kv变电站接引两路10kV(35kV)电源，有的引自同一变电站不同系统母线，有的引自不同系统的两个变电站，通过变配电所各馈出装置向铁路站房及沿线负荷供电，而贯通线是通过有载隔离调压器隔离调压后由所内贯通馈出柜向区间10kv线路供电。铁路变配电所的间距（供电臂长度）一般为40km~60km，当电源条件有限时，可能达到70km。

2.2、普速铁路10kv贯通线采用导线架空为主，三相电缆直接入地敷设为辅的方式，用电负荷主要集中在车站，主要供电设备为架空变台或箱式变电站。架空线路单相接地电容电流较小，一般小于30A，因此贯通线一般不设置补偿装置，中性点采用不接地系统。近年来为了提高铁路沿线站点供电的可靠性，消除树害等外界因素影响，逐渐将贯通线采用三相电力电缆实现架空入地改造。

2.3、高速铁路10kv贯通线路采用三条独芯电缆形成全电缆线路，铁路沿线每隔3km左右有一处负荷点，设环网箱式变电站给信号、通信和与行车有关的附属设备供电。负荷点沿铁路线分布，且容量较小，而且多为一级负荷，要求不间断供电。

2.4、高速铁路10kv贯通线路三条独芯电缆线三相间存在较大的相间及相对地电容，故在正常运行和单相接地时都有电容电流流过线路，而且由于电缆线路的相间及相对地电容远大于架空线路，是架空线路的几十倍，长距离的电缆线路显著加大了供电系统的电容电流，导致沿线电压升高和功率因数降低，因此需加装电抗器补偿电缆线路的电容电流。补偿电抗器主要集中设置于配电所内，有的分散设置在沿线箱式变电站处，两种方式均有效解决了电压升高和功率因数降低问题。

2.5、高铁10kv贯通电缆线路的接地电容电流受电缆几何尺寸、排列方式、地质条件、施工工艺等多种因素影响，离散性较大，单相接地故障电容电流一般超过30A。若系统中性点采用传统的不接地方式，当发生单相接地故障时，故障点的接地电弧不能自行熄灭，间歇性电弧产生的过电压容易造成相间短路，将使事故扩大，降低贯通线路运行的可靠性。根据DL/T620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》的规定：“10kV不直接连接发电机的系统，当单相接地故障电容电流不超过30A时，应采用不接地方式；当超过30A时又需在接地故障条件下运行时，应采用消弧线圈接地方式”。为此高铁10kv贯通系统中性点采用了消弧线圈接地方式。

3、高速铁路10kv电力贯通线在并网操作过程中对电力设备运行安全带来的不利影响

3.1、由于铁路变配电系统一般就近从地方110kv或35kv变电站接引两路10kV(35kV)电源，各变电站电源分别引自不同的电网，主变压器接线组别会有差异，制造厂家、工艺不同，短路电压标么值等参数也会有所差异。虽然变配电所安装了同一厂家、同一型号的有载调压变压器，相邻并网的两个10kv电力贯通线的配电所的电压幅值或相位差难免存在不一致的情况，并网操作会导致系统母线上出现环流，环流和母线运行的正常电流相叠加，会导致电力贯通线的负荷增大，以致造成变配电所贯通馈出柜电流保护动作。

3.2、基于节能方面的考虑各用电点箱变内的配变变压器多采用低阻抗节能变压器，致使系统阻抗较小。而在并网操作中为保证非检修或停电区段的不间断供电，不能采用分段送电和调整、分配负荷的方式控制一次合闸送电容量分级送电，大供电臂送电将形成大量变压器励磁涌流恶性迭加，出现较大的励磁涌流，造成的保护装置误动作，至使扩大停电范围，影响行车安全。

3.3、由于电力贯通线线路部分全部为独芯电力电缆,内部的电容量是非常大的，电力线路停电后，电力贯通线内部仍然会残留一部分电荷量，在停电操作后再次合闸送电向电缆输送电量时，将造成过电压的形成，直接威胁到高速铁路电力系统的绝缘性能，造成绝缘击穿以致造成变配电所断路器跳闸。在并网操作时，由于并网环流与电缆中容性电流叠加，其电流值远远大于并网两个变配电所馈出柜电流保护的整定值，将造成电流保护误动，中断供电，给高铁运输造成影响。

4、电力贯通线并网技术原理及影响因素分析

4.1、 10kv电力贯通线并网需要满足的四个条件：一是并网两个变配电所的电源频率相同，二是并网两个变配电所的母线电压接近相等，三是并网两个变配电所的相位相同，四是两个变配电所并网时电流不超过继电保护的整定值。当操作目的一经达到，应立即解列运行。

4.2、在10kv电力贯通系统中，电力负荷的来源主要是通信设备、信号设备、照明系统、远动房等，这些设备和系统在运行过程中所消耗的功率不是非常大，因而在电力贯通系统并网过程中，频率带来的负面影响基本可以不考虑，需要重点考虑的是并网过程中电压差以及相位差所造成的影响。因为，当两个电力贯通系统的频率和波形一致时，若电压幅值或相位不一致，则并网后会由于存在电压幅值或相位的差异而形成环流，在一些特殊情况下，这种环流的峰值会高达额定电流的十几倍甚至几十倍，直接造成电力线路烧毁，严重危害高速铁路的供电系统。系统母线上出现环流，环流和母线运行的正常电流相叠加，会导致电力贯通线的负荷增大，降低其所能承受的最大负荷量。并且，在相位差增大的情况出现时，系统母线中通过的电流也会相应增加，并网的不同变配电所存在的相位差并不会显著影响线路中各个点负荷的电压幅值高低，但会造成线路中各点负荷之间形成相位差，且点负荷之间的相位迟滞随着变配电所的相位差的增大而呈现增大的趋势。需要注意的是，无论投入变配电所的电压和原工作变配电所的电压幅值比是扩大还是缩小，系统母线中的电流都会出现增大的情况。在实际的并网操作过程中，变配电所的电压相位差和电压幅值比的不一致性是同时存在的，二者对系统母线造成的综合影响更加复杂。

4.3、为确保高速铁路信号、通信系统的不间断供电，电力贯通线路通常采用主备供电方式，基于信号、通信系统负荷较小，供电运行电流也较小，变压器空余容量较多，线路较长的特点，其继电保护的整定值设置一般也较小。如果高速铁路车流密度的增加，挤压设备维修保养天窗时间，贯通线并网操作纳入到《高速铁路电力管理规则》时，并网倒闸中分合闸瞬间，各变压器所产生的励磁涌流在线路上相互迭加、来回反射，产生了一个复杂的电磁暂态过程，在系统阻抗较小时，持续时间一般为2-5个周波。一般10KV贯通线路的主保护是采用两段式电流保护，即瞬时电流速断保护和过电流保护。瞬时电流速断保护由于要兼顾保护的灵敏度，动作电流值往往取得较小，特别在长线路或系统阻抗大时更明显，励磁涌流值很可能会大于保护装置的整定值，使电流速断保护误动。

4.4、高铁10kv贯通独芯电缆线路的接地电容电流受电缆几何尺寸、排列方式、地质条件、施工工艺等多种因素影响，离散性较大，一般分析表明，小则为0.4～0.6A/km，大至1.1～1.3A/km，按一个供电臂长度为50km计算，接地电容电流高达60A。在并网操作时，由于并网环流与电缆中容性电流叠加，其电流值远远大于并网两个变配电所馈出柜电流保护的整定值，将造成电流保护误动。长距离电缆线路还会导致在停电后，电力贯通线内部仍然会残留一部分电荷量，并在停电操作后再次合闸送电向电缆输送电量时，将造成过电压的形成，直接威胁到高速铁路电力系统的绝缘性能。

5、对10kv电力贯通线并网操作对运行安全的影响影响的改进措施

5.1、配电所系统相位差、电压差以及二者联合对电力贯通系统并网造成影响的改进措施

在并网操作过程中，参与并网操作的两个10kv电力贯通线的配电所的相位差、电压差如存在不一致的情况时，根据实际情况可进行仿真试验，同时也可根据电力贯通系统的相关数据进行合理推算，通过计算得到并网过程中形成的环流峰值和线路能够承载的最大环流值或安全环流值之间的大小关系，确定配电所电压相位差和电压差同时存在对电力贯通系统造成的影响，进而对并网方案进行调整：①两所有载调压器调整电压使之电压接近；②调整相邻变配电所有载调压器线圈的接线组别；③增加所需接线组别的隔离变压器；④适当调整继电保护装置的整定值等。要确保电力贯通系统并网时安全运行，实现最优并网方案。

5.2、并网倒闸过程中合闸时励磁涌流影响的改进措施

5.2.1、采用高阻抗有载调压器（8%），增加系统阻抗，降低励磁涌流的数值。

5.2.2、由于励磁涌流有一明显的特征，就是它含有大量的二次谐波，一般持续时间较短，大约2-5个周波，一开始涌流很大，几个周波后逐步衰减到零。为了消除励磁涌流可能造成的保护装置误动，我们利用励磁涌流这个特点，在速断保护装置中加入一短时间的延时，避开励磁涌流的最大值，就可以防止励磁涌流引起的电流速断保护装置的影响。这种方法最大优点是不用改造变配电所贯通馈出柜的继电保护装置，虽然会增加故障时间，但此故障时间小于信号、通信系统等具有双路电源的倒路时间，不会对信号、通信系统运行造成影响，10kv贯通系统中由于有隔离调压器，对电力系统也影响较小。为了保证可靠的躲过励磁涌流，我们在10KV贯通线路的主保护的限时电流速断保护和过电流保护中，限时电流速断采用0.2S的时限，就能达到避免由于线路中励磁涌流造成的保护装置误动作。

5.3、对于线路部分全部为独芯电力电缆的电力贯通线合闸操作或并网操作过程中出现操作过电压和并网环流与电缆中容性电流叠加的影响的改进措施。

5.3.1、为消除操作过电压和容性电流对高铁行车供电的影响，针对铁路供电线路稳态容性电流的特点和区间开口作业检修的方式，采用并联电抗器的方式进行补偿，以限制工频电压升高。为确保不过补、欠补，通常在线路首末端采取集中补偿与分散补偿相结合的形式对线路进行补偿，集中补偿电抗器安装在变配电所内，分散式补偿安装在各用电点的箱变内。集中补偿采用磁控电抗器或分组投切电抗器来调节补偿容量，分散补偿采用固定容量电抗器。但要注意电缆贯通线路补偿量不应大于70％。

5.3.2、在变配电所内和分散用电点箱变内，断路器负荷侧加装系统用配电型氧化锌避雷器，限制断路器操作过电压。同时也可根据现场情况采用带有并联电阻的断路器更换变配电所内普通断路器。

6、结束语

基于我国高速铁路发展迅速的现状，随着旅客客流的增加，高铁动车组车流密度还要增加，夕发朝至列车的开行将夜间长时间设备维修天窗大大压缩，行车设备全天24小时不间断供电也将成为基本要求。研究高速铁路10kv电力贯通线并网操作对供电安全的影响，通过技术改造完善并网技术，为势在必行的并网操作做好准备具有现实意义。在高速铁路电力贯通线并网实施过程中，还要时刻注意相邻变配电所的电压相位差和电压幅值比的变化情况，搜集相关参数变化对系统母线造成的不良影响情况，经过科学计算适时改进措施，将不良影响控制在可控、可接受的范围内，保证并网后的电力贯通系统可以安全运行，为高速铁路提供安全、稳定、可靠的信号和通信电源，保障高速铁路系统的安全运行。

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编辑：《电源工业》杂志