电源匮乏地区铁路电力供电方案选择分析

陈建华

摘要：

在完善铁路路网结构、解决偏远地区运输需求建设过程中，经常需要在地处偏远、不发达地区建设铁路，这就给铁路电力设计提出了如何确定电力供电方案的问题。在阐述铁路建设过程中，对于外部电源匮乏的地区，经过对建设10kV电力贯通线方案和自备电源方案经济技术比较，选择合理的电力供电方案。

关键词：

电源匮乏；风光互补；供电方案

中图分类号：

TB

文献标识码：A

文章编号：1672-3198（2014）04-0187-02

1 引言

某新建铁路地处内蒙古中南部草原地区，铁路正线全长约100公里，线路两端均与既有线接轨，主要技术标准为Ⅳ级铁路，单线，采用内燃机车牵引。

本线沿线地方电源分布情况如下：两端接轨站位于该地区两个旗县的主要城镇，分别建有地方的35kV、110kV变电站，能够为铁路提供电源，铁路沿线区间分布有少量牧区10kV农电线路，配电线路长且负荷点众多，不适合为铁路负荷供电，中间车站距离最近的地方变电站约30公里，故接引可靠外部电源十分不便。沿线太阳能和风能资源较为丰富，附近建有较大规模的风力发电场，且已投产发电并运行较稳定。

本线用电负荷主要集中在两端的接轨站和中间会让站，区间分布有约30处小负荷通信用电点，沿线地形起伏不大，无隧道，沿线各站主要的用电负荷等级为二级和三级负荷。

结合《铁路电力设计规范》第4.2.1条“…当所在地区偏僻，远离公共电网，设置自备电源较从外部取得电源技术经济合理时，宜设置自备电源或在牵引变电所二次侧设动力变压器取得电源”和《Ⅲ、Ⅳ级铁路设计规范》第10.1.2条“…当取得电源由困难时，经技术经济比较，可采用柴油发电机组等其他独立电源。”和第10.1.8条“铁路长度大于40km时，经过经济技术比较可设置10kV电力贯通线”，考虑到本线的铁路等级，有必要对本线是否设置电力贯通线和是否有必要利用自备电源源为铁路沿线用电设备提供电源做经济技术比较，通过比选来选择适合本线的电力供电方案，并总结类似地区铁路电力供电方案选择上的侧重点。

考虑到沿线各车站内站场低压配电系统及室外照明等工程基本相同，不影响比选的结果，故比选的范围仅限全线电力供电系统中电源线路及变配电设备部分。

2 比选方案的确定

2.1 方案一：新建电力贯通线方案

根据地方电源的分布情况，结合常规的铁路建设电力供电方案，首先考虑的就是在铁路两端建设10kV铁路配电所，沿线新建铁路10kV电力贯通线为区间负荷和沿线匮乏电源的会让站供电。从供电臂的长度来看，100公里虽然已经大大超过了电力设计规范中建议的常规供电臂长度40公里至60公里的范围，但结合本线的技术标准和用电负荷的分布情况分析，区间开站少，负荷相对较轻，经过计算，常规的10kV电力贯通线仍可以满足沿线供电需要。

建设电力贯通线的方案需要建设与其配套的10kV配电所和外电源线路，考虑到本线的标准，同时为了节约工程投资，10kV配电所按照一路外接电源考虑，从而节约外部电源和高压配电设备的投资。

综上，该方案主要工程内容为建设约100余公里10kV电力贯通线路、2座单电源带调压器10kV配电所和相应的外部电源线路。

2.2 方案二：自备电源方案

本线沿线区间用电负荷小且分散，因此可以考虑采用设置自备电源方案。常规的自备电源主要采用柴油发电机组，结合当地可再生资源分布情况还可考虑太阳能风能等资源提供自备电源，考虑到本线主要需要解决沿线区间负荷的电源问题，而柴油发电机组在无法实现人员随时到位维护、加油等工作的情况下不适用于本线。该地区可再生能源中太阳能和风能的的分布均较为丰富，太阳能资源方面该地区年日照小时数达到了3000余小时，年辐射总量达到了130～150千卡/（cm2·年）（详见表1），故提出不建设电力贯通线，利用太阳能和风能互补发电及风光互补发电为铁路沿线负荷点提供电源的方案，拟通过比选确定最终方案。

该方案利用沿线丰富的太阳能和风能，在区间各个用电点建设小规模的太阳能、风能互补发电站为其供电，重点在于省去了配电所及外部电源线路的建设，在区间也不再需要建设电力贯通线，只需在各负荷点配套风光互补电源设备即可，有很强的布置灵活性。国外有类似方案成功应用的案例，如某矿石运输铁路，长达数百公里，标准大致相当于本线的Ⅳ级铁路，沿线区间均采用了太阳能电源装置为区间信号点、通信设备提供电源，供电质量能够保证需要，运行也很可靠。

该方案根据负荷容量及位置设置成套风光互补发电设备，主要由室外太阳能电池板和风力发电机，室内充电控制器、直流部分、逆变器及电能存储蓄电池组构成，根据用电负荷容量选择相应的充电及逆变设备，根据容量及备用电源时间需求配置相应容量的蓄电池组，以备阴天、下雨、无风等发电条件不好时为负荷提供电源，蓄电池组在建设投资中占相当的比重。

3 各方案比较分析

3.1 成本分析

（1）建设成本。

建贯通线方案，主要投资包括三大块内容，配电所外部电源线路，10kV配电所，沿线电力贯通线路。该方案投资与铁路线长度成正比例增长，粗略估算全线配电所、电源线路及电力贯通线的投资合计在2000万元左右。

风光互补发电方案，单处负荷点成本较高，电源点投资较高，但本方案无需建设10kV配电所及电源线路、贯通线，因此单处较高的投资并不一定带来项目整体的高投资；根据本线区间负荷点容量及需要后备电源时间，计算相应风光互补发电装置的装机容量及蓄电池组容量，初步估计投资在2400万元左右。

（2）电费支出。

新建贯通线方案自建成投运起即需持续支付电费，且电费在运营中占据较大一笔支出，而风光互补发电方案则无需支付电费，较建设贯通线方案能够节省一大笔长期、稳定的支出。

（3）维护成本。

新建贯通线方案的维护成本主要是日常人力支出，需要雇佣相应数量的电力工人巡视、维护线路，更换破损绝缘子，定期检修变配电设备；

风光互补发电方案，采用点式供电电源配置，大大降低了线路维护成本和人员配置成本，单套发电设备的维护成本虽然比较高，但总体维护成本不高，运营支出不高，经济性较好。

（4）设备更新改造周期。

新建贯通线方案，根据以往的铁路线路大修经验，一般架空电力线路的大修周期不超过十五年；配电所高压开关柜设备技术成熟，设备更换周期也能够达到十五年。因此整体设备更新改造周期为十五年，寿命期接近时即需逐段开展线路大修，逐所开展设备更新改造。

风光互补发电设备中蓄电池是占较大投资比重的设备，但也是使用寿命比较短的设备，从实际使用效果来看，蓄电池的更新周期约为5至8年，大大短于架空线路和高压配电设备的更换周期，因此，设备折旧设备成本更高。

3.2 维护人员数量和技术要求

新建贯通线方案，沿线需要建设与铁路全长几乎同等长度的贯通线，包括架空线路和电缆线路，还需要建设配电所和电源线路，这些线路和变配电设施均需要人员检修维护，并需要维持一定的规模，以便形成日常巡检力量和应急抢修队伍，该方案是传统铁路建设方案，对技术维护人员要求是多但技术要求不高。

风光互补发电方案中设备数量相对较少，电力线路数量大大减少，总体维护工作量较少，但由于风光互补发电设备的技术密集度较高，电力电子设备较多，因此对于维护人员技术水平要求较高，需要经过专业技术培训方能胜任，因此该方案对设备维护人员的要求是少而精。

3.3 方案灵活性

（1）建贯通线方案。

对于沿线新增负荷可随时增加相应的变压器，并校核电力贯通线导线截面和调压器容量，不满足要求时对相应导线或调压器进行改造，因此引起的改造工程将可能是全线性的，改造工程量较大，改造周期较长，投资较高。

（2）自备电源方案。

对于任何新增负荷，均需增加相应的电源装置设备，但不涉及到全线性的改造，相对而言工程改造规模小，改造方案更简单，但仅对负荷点量变化不多情况有优势，当负荷点很多时，单套风光互补发电装置的成本较增加一套变电台成本要高出数倍之多，成本压力变大。

4 结论

综上所述，本线仍适宜采用建设电力贯通线的常规方案，该方案在当前的经济、技术条件下在经济性和供电可靠性上有着比较均衡的优势。

同时，通过对本工程电力供电方案的比选分析，我们也意识到随着太阳能技术的进一步普及，太阳能发电及电能存储设备成本和维护成本将逐步降低，使得太阳能、风能供电方案优势凸显，对于区间负荷少的线路，采用风光互补发电供电方案仍旧有重要的经济价值。

参考文献

[1]铁路电力设计规范（TB10008-2006）[S].

[2]Ⅲ、Ⅳ级铁路设计规范（GB50012-2012）[S].

[3]铁路光伏发电系统及应急柴油发电站技术规范（TB 10039-2012）[S].