《高速铁路设计规范（电力牵引供电部分）》的主要技术创新

朱飞雄

（铁道部经济规划研究院 提待高工，北京 100038）

《高速铁路设计规范》电力牵引供电部分的编制以科学发展观为指导，贯彻铁路建设新理念，瞄准世界一流水平，坚持原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新，广泛收集了与高速铁路（客运专线）设计有关的技术文件资料，系统总结了京津、合宁、合武、石太等高速铁路的经验，认真吸取了武广、郑西等高速铁路的建设、施工、设计、国际咨询等成果，大力开展了有针对性的科研攻关和试验测试，结合京津、武广、合武等线的联调联试工作，对规范的有关参数进行了现场验证，为我国高速铁路建设和中国铁路“走出去”提供了强有力的技术保障和支撑。

1 电力牵引供电系统设计更加安全可靠

电力牵引供电系统包括牵引变电、供电调度、接触网等子系统。根据高速铁路高速度、高密度、高可靠的特点，引入了高速铁路电力牵引供电系统的可靠性、可用性、可维护性和安全性（RAMS）的理念，给出了相关的参考指标要求，指导电力牵引供电系统的设备和装置的选型，通过高质量的技术装备构成高水平的电力牵引供电网络，实现（变电所值班）无人化、（设备）免维护和少维修、（运行）高可靠；明确了高速铁路应满足可靠稳定的供电质量、受流良好的弓网关系、动车组自动过分相等要求，并通过供电调度系统的全方位监控与信息化管理，实现了电力牵引供电系统监控自动化、远动化和运行管理智能化。

1.1 牵引变电子系统满足可靠稳定的供电质量要求

与普通的客货共线铁路相比，我国高速铁路具有高密度、长编组等特点，高速铁路的电力牵引负荷明显增大。16辆编组动车组以时速350 km、间隔3 min运行时，牵引变电所负荷瞬时可达170 MVA，高峰小时可达130 MVA，牵引供电专业开发应用了牵引供电计算仿真软件，计算各种运行状态参数（如接触网电压及电流分布、轨道电位等）与列车运行速度的关系，合理确定供电能力，满足高速铁路供电要求。

1.1.1 采用220 kV及以上电源，有利于节能和省地

铁路供电电压需要从牵引负荷大小、负荷特性、供电可靠性及电力系统供电条件和对电力系统的影响等方面综合考虑决定。除德国高速铁路采用铁路专用电网110 kV外，日本和法国高速铁路分别采用275 kV，西班牙高速铁路采用225 kV或400 kV。针对我国公共电网近年来已把220 kV电压等级向用户开放的新情况，提出了牵引变电所采用220 kV或330 kV供电。因220 kV比110 kV电压等级供电系统具有较强的负序和谐波承受能力，有利于牵引变压器采用容量利用率较高、设备较简单的单相结线，从而减少土地占用、节约电能。

1.1.2 采用2×25 kV供电方式，有利于高电能的传输

正线牵引网采用2×25 kV供电方式，有利于高电能的传输、接触悬挂的轻型化及系统匹配设计，有利于减少牵引变电所的数量，从而有利于减少外部电源的投资和减少电分相。因此，除德国高速铁路采用带加强线的直供加回流供电方式外，日本、法国和西班牙高速铁路均采用2×25 kV供电方式，我国目前已经实施的武广、郑西、合武、合宁客运专线和京津城际等时速250 km及以上铁路工程中正线均采用2×25 kV供电方式。

1.1.3 牵引变压器采用单相结线，有利于动车组高速运行

牵引变压器采用单相结线与采用三相结线相比，一是接触网上的电分相数量较少，有利于动车组高速运行；二是单相结线时的两极设备较之三相结线时的三极设备，电气施工安装及运营维护明显简化。但单相变压器容量较大，初、近期一般在40～80 MVA，能否采用单相变压器接入公共电力系统，取决于各地公共电网的具体情况，否则可采用三相V，v接线。牵引变压器除日本采用特殊结线外，欧洲高速铁路均采用单相结线。我国目前实施的武广、广深港客运专线广东境内牵引变电所均采用单相变压器结线。

1.1.4 采用高质量的技术装备，提高牵引供电系统的可靠性

研发应用了无维修和少维修的220 kV六氟化硫（GIS）组合电器和27.5 kV六氟化硫（GIS）开关柜等成套配电装置，使牵引供电设备由工地现场组装变为工厂化装配，明显提高了变电工程的质量和牵引供电系统的可靠性。

确定了牵引变电二次保护要求，牵引变电所采用了两种故障测距和数据同步采集方法，提高了故障点测距的可靠性和准确性。

1.2 供电调度子系统实现电力牵引供电系统的全方位监控与信息化管理

提出了“铁路供电调度系统”的新模式，即将原分别设置的牵引供电调度、电力调度两个子系统有机融合在一起，统一了技术平台。具有遥控、遥信、遥测等功能的铁路供电调度系统与变电所综合自动化系统对接触网自动检测、自动识别和自动报警，使电力牵引供电系统实现智能化和变电所（开闭所、分区所、AT所）无人值班。

牵引变电所的通信通道采用光纤，解决了实回电缆进所方式的远动系统通信质量不好、严重限制远动系统功能发挥的问题。实际应用证明提高了通信的可靠性，从而提高了远动系统的可用性。

明确供电段应设置供电复示系统，使供电段生产调度实时掌握现场设备运行状态，为制定检修管理计划提供科学依据。目前供电复示系统已成为生产调度的重要辅助管理工具。

1.3 接触网子系统满足受流良好的弓网关系要求

1.3.1 攻克了高速列车重联运行接触网关键技术难题

双受电弓与上方的接触线密切接触并顺畅滑行是接触网系统的核心技术。从动车组受电弓和接触网结构入手，以空气动力学、电工学等为理论基础，分析受电弓和接触网的动态特性和受流技术，应用我国《高速铁路隧道空气动力学效应对隧道内附属物有关技术标准的研究》成果，引入接触网-受电弓系统波动传播理论，规定采用接触网-受电弓动态仿真软件预评估高速受流，确定了我国高速铁路接触网-受电弓动态性能仿真评价指标参数，有效解决各种不同的接触悬挂类型、受电弓类型以及对应的弓网配合特性参数，在世界上首次实现接触网与时速350 km动车组联挂、双弓运行，高6.45 m（国外不大于5.3 m）的接触线适应时速250 km动车组运行。

1.3.2 奠定了接触网“简统化、标准化、系列化”的坚实基础

总结吸收我国高速铁路的建设运营经验，在我国《接触网“简统化、标准化、系列化”》科研成果的基础上，给出了我国高速铁路时速250 km、300 km、350 km接触网系统双弓或多弓取流时，各种接触悬挂方式的导线选型和张力标准等主要技术参数，为接触网实现“简统化、标准化、系列化”，简化工程设计、施工安装、加工制造和运营管理，开展高速铁路接触网通用参考图编制和形成拥有自主知识产权的接触网通用图奠定了坚实基础。

1.3.3 实现了接触网—受电弓系统的安全运行

提出了“线岔始触区”、“无线夹区”等新概念和站场道岔区接触网平面布置新方法，明确了受电弓动态包络线（范围）、道岔及锚段关节处受电弓始触区范围，确定了双层集装箱电气列车受电弓的动态包络线，摒弃了以往设计规范中接触网支柱在道岔区的“标准定位”方法，解决了以往受电弓通过道岔上方的接触网可能出现的钻弓、脱弓、打弓等安全问题及其他受流质量问题。

1.3.4 提高了接触网工程设计的经济合理性

接触线设计张力是关系到接触网工程概算的关键指标之一。以往接触线按20%磨耗规定其强度安全系数不小于2.0。通过接触线强度安全系数的优化，即：按接触线的制造工艺、运行环境、磨耗、下锚补偿装置和终端锚固线夹等的不同分别给出相应（折减）系数，间接提高了接触线允许使用张力，该方法更加接近实际，更能发挥材料本身的特性。几年来的实践证明既确保了运行安全，又提高了经济性。

1.3.5 降低了接触网工程的造价

根据高速铁路运营维护和桥梁检修的特点，控制接触网H型钢柱高度，使不运行双层集装箱的时速300 km以上铁路的H型钢柱高度由原8.5 m缩小为约7.4 m（桥梁地段）或约7.9 m（路基地段）；使设计运行双层集装箱的时速250 km以下铁路的H型钢柱高度由原9.5 m缩小为约8.55 m（桥梁地段）或约9.05 m（路基地段）。按H型钢柱（含镀锌费用）9 000元/t计算，时速300～350 km高速铁路每100双正线公里可降低工程造价约430万元。

1.3.6 保证了接触网与铁路整体的景观协调

开展的《高速铁路接触网与景观协调的工程技术研究》对国内外典型铁路的不同地点和区段的接触网安装方案、技术现状进行了调研，在对铁路用户需求和工程实例分析的基础上，应用景观设计和工业设计相结合的美学理论，对接触网的景观效果进行了分析和研究，研究成果纳入了规范条文及条文说明。

2 坚持系统集成创新，形成了满足我国高速铁路系统集成的标准和要求

坚持系统集成创新，通过系统集成的方法，使电力牵引供电工程内部各子系统之间、电力牵引供电工程与其外部各系统之间实现了技术标准匹配、技术接口完整、技术装备合理的目标，形成了满足我国高速铁路系统集成的标准和要求。

接口设计是高速铁路工程电力牵引供电设计的关键技术，接口设计主要包括电力牵引供电与铁路内部的路基、桥梁、隧道、轨道、通信、信号、信息、站场、动车组、综合接地、声屏障、房建暖通、给水排水、动车段（所）、综合调度、既有线运营公司等的接口，电力牵引供电与铁路外部的公共电网运营商的接口。针对以往电力牵引供电工程与其他工程接口产生的漏、误、差和相互衔接不佳，对变电工程的所址选择、接触网工程等的严重影响，以接口管理的形式，确定了大量的设计技术接口和工程实施接口，并得到了工程实施验证。

3 结束语

目前，我国是世界上高速铁路电力牵引供电工程技术最全、集成能力最强、运营里程最长、运行速度最高、在建规模最大的国家。我国电气化铁路无论列车最高运行速度、行车密度，还是供电负荷大小、技术装备水平都达到世界一流，形成了具有自主知识产权的高速铁路电力牵引供电工程技术标准体系。京津城际、武广及郑西客运专线铁路的运营实践表明，我国已基本形成了高速铁路电力牵引供电工程完整的理论体系、完整的数学模型和完整的评价标准。