郑西客运专线接触网供电线架空连网方式研究

刘长利

(中铁第一勘察设计院集团有限公司电气化处,西安 710043)

1 概述

郑西客运专线设计时速 350km,是我国首批开工建设的高速铁路项目之一。为满足高速度、高可靠性、高安全性的运营要求,客运专线在设计、制造、安装调试等方面均与普速铁路存在较大的差异。在接触网供电线连网技术方面,由于我国客运专线普遍采用 AT供电方式,平均每 15km交错设置牵引变电所、AT分区所、AT自耦所,馈线较多且连网点密集,存在影响高速铁路运营安全的风险点,一旦发生故障跳闸引起动车组失电停车,将会造成不良社会影响。

2 郑西客运专线牵引供电方式及馈线选型

2.1 牵引供电方式

郑西客运专线高速列车采用大功率交直交动车组,具有线路高峰期短时集中负荷较明显、动车组负荷大及需要满功率运行等特点。牵引供电系统采用了AT供电方式,牵引变电所将高压电源(220kV或 330 kV)降压为单相工频 AC2×25kV向接触网供电,为高速列车提供电能。AT供电方式需要采用正馈线并设置 AT自耦所,较一般带回流线的直供方式复杂。

2.2 牵引变电所、分区所、AT所馈线选型

供电线连网方式涉及的馈线种类有供电线(T)、正馈线(F)及中性线(N)。牵引供电计算考虑了馈线截面及载流量满足 350km/h动车组高峰期负荷电流要求,郑西客运专线牵引变电所、AT分区所、AT自耦所馈线选型如表1所示。

表1 牵引变电所、AT分区所、AT自耦所馈线选型[1]

3 现有供电线连网方式的分析

3.1 供电线连网方式的分类

根据牵引变电二次侧设备选型,以及路基、桥梁等工程环境的不同,供电线连网方式可分为架空方式与电缆方式,国内外技术调研结果如表2所示。

3.2 架空方式与电缆方式的对比分析

我国以往普速铁路接触网用单芯电缆敷设、维护条件较差,受牵引负荷交变及谐波过电压的影响[2],电缆终端头、中间接头故障较多,雷电引起的击穿事故也较多,铁路运营部门对电缆方式存在顾虑。

在近期开通的几条客运专线项目中,虽然高标准、严要求,但仍存在电缆敷设杂乱无序、上桥方式多种多样、多种电缆同槽同沟敷设、电缆头现场制作未按工艺实施等不尽人意的地方,施工质量是决定成败的关键环节。

另外,电缆方式还需要考虑如下问题:(1)在严寒地区,电缆需采取防冻措施以避免电缆积水部位冻裂;(2)较长距离的电缆故障不易检查发现,抢修及恢复的用时较长。资料表明,美国北卡罗来纳州计划将其架空电力线路改建成地下电缆线路,曾经对架空电力线路和地下电缆线路进行了可靠性指标分析,结果如表3所示。

表2 架空方式与电缆方式的国内外情况

表3 1998～2002年北卡罗来纳州架空电力线路和地下电缆线路可靠性指标[3]

报告还分析到,地下电缆线路初装时故障较多,3～4年后几乎无故障,但到其寿命后期(15～20年后)故障率显著增加,难以定位及修复。另外,地下电缆线路的供电中断率虽为架空电力线路的一半,但其停电持续时间却比架空电力线路长 58%,且建设成本是架空电力线路的 10倍。

4 “门型架构”连网方式新技术

在郑西客运专线设计中,在提高供电线连网可靠性方面进行了专题调研和技术攻关,首创了高可靠、简洁的“门型架构”架空连网方式,运行效果良好。其技术核心是。

(1)供电线连网点采用新型的“门型架构”,沿线路方向设置在路肩上,并且上下行线路各布置一组形成供电线跨越连网,如图1所示。支柱、横梁结构与高铁景观达到和谐统一。

图1 新型“门型架构”连网方式

(2)牵引变电所(或分区所、AT所)27.5kV侧采用 GIS开关柜时,在围墙内由电缆转成架空线路,并在户外电缆头处设氧化锌避雷器,如图2中左图所示。供电线径路上遇到障碍(如建筑物、电力线路、军事区、环境保护区等)时应避绕,杆塔基础施工存在征地拆迁、青苗赔偿等问题,如图2中右图所示。

图2 架空方式的出线(左图)及独立架设径路(右图)

(3)沿铁路架设的供电线应注意保持与接触网、跨线桥等电气安全距离,供电线跨越接触网时,在最大弛度时距承力索等带电部分垂直距离不小于 3m;供电线距跨线桥底部静态间隙不小于 500mm,动态间隙不小于 200mm[4～5],并装设绝缘护套。

(4)供电线支柱和基础按照《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001)和 《铁路工程抗震设计规范》(GB50111—2006)设计,抗震设防烈度为 8度,基础抗倾覆安全系数 k＞1.5,确保基础和结构安全可靠,避免倒杆影响铁路运输安全[6～7]。

(5)成排独立架设的供电线路均设防雷措施,柱顶悬挂架空地线兼做避雷线[4,8],在供电线连网点设置氧化锌避雷器[8]。

4.1 “门型架构”的结构设计

在“门型架构”的构造设计方面,在满足机械强度和电气绝缘距离的前提下,针对铁道部关于客专接触网支柱和硬横跨的设计规定和指导意见,如接触网支柱采用 H型钢柱、硬横梁尽量轻型化等展开研究。“门型架构”采用了 11m高的 H型钢柱,支柱型号为GHT240B/11。经静态力学计算和 ANSYS有限元结构分析后,进一步缩小横梁外形尺寸,采用了 12m长的轻型双槽钢焊接型横梁,横梁与支柱采用刚接形式,如图3所示,现场安装效果如图4所示。

H型钢柱顶部露头 750mm,用于安装双极电动隔离开关,供电线连网通过隔离开关跳线与接触网连接。氧化锌避雷器安装在隔离开关底座上并与开关接线端子连接,如图5所示,由于避雷器不设与接触网或正馈线的电连接跳线,当雷电击穿时不会脱落至接触网,确保运行安全。

图3 “门型架构”的构造(单位:mm)

图4 “门型架构”安装效果图

图5 柱顶隔离开关和避雷器安装(左图为俯视图)

“门型架构”的 H型钢柱侧面限界 3.0m,为避免影响路基稳定性和破坏路肩电缆槽,支柱基础采用了φ700mm钻孔灌注桩,由站前土建施工单位在路基碾压完成和电缆槽开挖前预留[4]。

我国高速铁路的桥梁比例较大,对于供电线连网点的梁面至地面高差不大于 24m时,均有条件采用“门型架构”连网方式。设计要点为:(1)桥梁不用预留电缆上桥的爬架槽道及孔洞;(2)馈线出所、独立架设线路、“门型架构”等设计内容不变,H型钢柱基础改由箱梁预留[4];(3)桥下地面铁塔最高 35m,供电线跨越桥梁上正馈线时应保持电气绝缘间隙。

4.2 “门型架构”连网方式的特点

“门型架构”连网方式具有如下特点。

(1)采用 H型钢柱和轻型双槽钢焊接梁,景观上与高速接触网协调一致。

(2)上下行馈线集中连网,F/AF/N线布局同变电所馈线一致。

(3)双极电动隔离开关动作时架构较稳定、无晃动现象。

(4)支柱基础由路基、桥梁预留,避免对土建工程及附属结构的破坏。

(5)工程投资仅为全电缆连网方式的十分之一。

5 结论和建议

郑西客运专线是我国第一条高速铁路技术消化、吸收并实现国产化的项目,在充分调研、分析基础上研发的“门型架构”连网方式,兼顾了高可靠和景观性,工程易实施,节省投资,成功投入运行后状况良好。

我国“十二五”发展规划中的京沪高铁、城际铁路和多条客运专线进入建设高潮期,随着采用 AT供电方式的电气化铁路项目增多,供电线连网的可靠性问题逐步得到重视。建议根据工程环境及气候条件确定供电线连网方式,对于路基地段和轨面地面高差≤24m桥梁区段,宜采用“门型架构”连网新技术。

[1] 中铁第一勘察设计院集团有限公司.郑西客运专线通信、信号、电力、电气化工程补充初步设计 电气化分篇[R].西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司,2008.

[2] 焦剑扬,刘明光,成辉海.牵引供电电缆线路事故分析与对策[J].大众用电,2006(7).

[3] 李新捷.架空线路与地下电缆线路的利弊比较[J].国际电力,2005(9).

[4] TB10020— 2009,高速铁路设计规范(试行)[S].

[5] TB10009—2005,铁路电力牵引供电设计规范[S].

[6] GB50011— 2001,建筑抗震设计规范[S].

[7] GB50111—2006,铁路工程抗震设计规范[S].

[8] 罗国辉.输电线路的防雷措施与技术应用分析[J].广东科技,2008(8):72-73.