10kV电缆长大线路在普速铁路供电线路中的应用

殷 茵，尤立宝

0 引言

目前，普速铁路10 kV 电力线路以架空电力线路为主，架空电力线路的导线大部分采用裸导线进行架设，近年来树害及其他自然灾害造成的故障频发，对沿线重要负荷的安全可靠供电造成了极大威胁。据运行统计，2006年以来发生多次倒树及冰害、雪害停电故障，严重影响了通信信号等一级负荷的供电。某铁路局2013年普速铁路电力线路故障停电分析中，树害占42%，地方电源波动占20%，雷电影响占18%，线路设备故障占11%，其他原因占9%。从分析中可知由树害及雷电天气导致的 10 kV 电力线路接地故障占铁路电力线路故障的60%左右，因危树及雷电引发的设备故障给安全行车秩序带来巨大隐患。针对因环境、危树等引起的线路故障，解决方案有增加运营维护人力、与林业部门签订长期修剪协议、更换绝缘导线、改变架空径路、线路全电缆入地等5 种。

各个铁路局目前采用第2、3、4 种方案居多，但是并不能完全消除由于环境和危树等引起的线路故障，并且每年都需要持续投资，也并未有效减少运营维护成本。高铁建设中，10 kV 电力线路采用全电缆敷设方式，从根本上消除了外界环境引起的线路故障。能否针对普速铁路的特点，将高铁技 术结合既有现状进行适当改造，在解决运营安全问题的同时也提升设备运行品质，成为目前亟待解决的课题。下文针对全电缆敷设在普速铁路的应用做一探讨。

1 架空线路与高压电缆线路方案的比较

架空线路的优点是结构简单，架设方便，投资少；散热条件好；发生故障便于查找及处理。缺点是易受环境条件，如冰、风、雨、雪、温度、化学腐蚀、雷电等的影响，发生短路、接地故障几率大；既有线路改造时还会产生青苗及征地等大量的纠纷，并导致投资增加等问题，不易架设。

电缆线路的优点是不易受周围环境和污染的影响，送电可靠性高；可敷设于铁路路基坡脚，较少产生青苗及征地问题。缺点是成本高，一次性投资费用比较大；电缆故障测寻与维修较难。

铁路建设初期，资金和物资短缺，高压电缆及其配件难以满足输配电工程所需，如今高压电缆制造工艺趋于成熟，护层及绝缘层材料绝缘水平也大大提高，电缆头制作工艺及材料先进，电缆头本身故障率大大降低；各个车站均已按电力远动功能设计，并配置了电缆线路故障探测仪，因此，普速铁路10 kV 电力线路完全具备改造条件，改为全电缆线路后，电缆故障区段判断时间大大缩短，电缆故障测寻与维修较难的缺点也逐步改善，全电缆方案优势将得到充分发挥。

2 接地方式的选择

由于高压电缆长大线路具有很高的电容电流，危害性极大，同时结合电缆结构的特殊性，铁路10 kV 配电系统接地方式发生很大变化，需要进行详细计算和认真比选。

三相交流电力系统中发电机或电源变压器（调压器）中性点与大地间的电气连接方式，称为电网中性点接地方式。中性点接地方式涉及电网的安全可靠性、经济性，同时直接影响系统设备绝缘水平的选择、过电压水平及继电保护方式、通讯干扰等。

目前普速铁路10 kV 电力系统普遍采取中性点不接地方式，属于小电流接地系统。在小电流接地系统中发生单相接地故障时，由于中性点非有效接地，故障点不会产生大的短路电流，因此允许系统短时间带故障运行。这对减少用户停电时间，提高供电可靠性是非常有意义的。既有铁路10 kV 电力线路以架空线路为主，裸露在空气中的架空线路受自然环境影响极易发生单相接地，但相当部分接地故障属于瞬时故障，能够自行恢复正常供电，因此在中性点不接地方式下，允许系统短时带故障运行，不影响区间负荷连续用电，确保了供电可靠性。

《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》（DL/T620-1997）第3.1.2 条：“3～10 kV 不直接连接发电机的系统和35 kV、66 kV 系统，当单相接地故障电容电流不超过下列数值时，应采用不接地方式；当超过下列数值又需要在接地故障条件下运行时，应采用消弧线圈接地方式：3～10 kV 电缆线路构成的系统，30 A。”经消弧线圈接地系统，发生单相接地故障时暂时允许运行2 h，在单相接地时，其它两相对地电压要升高到线电压，即升高为原对地电压的倍。

国内110 kV 及以上电网一般采用大电流接地方式，即中性点有效接地方式，包括中性点直接接地和中性点经低电阻接地。这样中性点电位固定为地电位，发生单相接地故障时，非故障相电压升高不会超过1.4 倍运行相电压；暂态过电压水平也较低；故障电流很大，继电保护能迅速动作于跳闸，切除故障，系统设备承受过电压时间较短。

综合上述分析，民乐矿区与成矿相关的英安斑岩成岩年龄为228±56 Ma～220.79±1.02 Ma，流纹斑岩的形成年龄234.8±2.4 Ma，辉铜矿矿石的成矿年龄为220 Ma(黄震，2005)，其成矿年龄总体与矿区火山岩、英安斑岩的成岩年龄一致，指示英安斑岩的成岩时代和矿床成矿时代属于同一时期。

《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》 （DL/T620-1997）第3.1.4 条：“6～35 kV 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要求以及本地的运行经验等。”《高速铁路设计规范（试行）》TB10621-2009：经调压器供电的10 kV 电力贯通线路，全电缆线路宜采用低电阻接地方式，接地故障按瞬时跳闸方式选择。

普速铁路既有10 kV 电力线路，一个供电臂长度为60～80 km，电缆单相接地电容电流为

Ic= (95 + 1.44S)×Ur×l / (2 200 + 0.23S)

式中，S 为电缆截面，mm2；Ur为线路额定线电压，kV；l 为线路长度，km；Ic为接地电容电流，A。

以60 km 的供电臂为例，若采用截面为70 mm2的电缆线路，经计算单相接地电容电流约为53 A。

（1）方案一：中性点经低电阻接地方式。该方案能对接地故障迅速做出反应，不会引起事故范围扩大。

存在问题：由于配电所需具备跨所供电和反向供电能力，全电缆改造区段终端配电所一段自闭为全电缆线路，另一段自闭仍以架空线路为主，架空线路受自然环境因素影响较大，一旦发生线路单相接地，即使是瞬时故障，线路能自行恢复正常运行，配电所保护装置也立即动作跳闸，不能在发生单相接地故障后运行2 h 以供查找故障的运行模式。

存在问题：电力电缆区段发生单相接地故障时，故障电流小，继电保护不能迅速动作于跳闸，切除故障，系统设备承受过电压时间较长。

（3）方案三：中性点不接地方式。该方案可带故障运行2 h，不中断供电。

由于接地方式主要取决于单相接地电容电流，单相接地电容电流又取决于电缆截面和电缆线路长度，以供电臂为单位进行改造时，经计算单相接地电容电流约为53 A，超过30 A 的规定范围，按照有关规范要求，不能采用中性点不接地方式。若仅对危树区段进行电缆改造，如长度小于35 km，可实现供电臂短的区段故障电容电流小于30 A，从而采用中性点不接地方式，实现配电所自闭线路与贯通线路统一接地方式。

存在问题：受线路长度影响较大，若该供电臂其他部分再发生局部改造，故障电容电流很容易大于30 A，该方案只在短期内可行。

综上分析，得出结论：方案三只能短期内适应局部改造的情况，从长远来看，并不可取。而方案一和方案二理论上皆可行，所不同的是，发生线路单相接地后，是瞬时切断还是延时2 h 内查找故障点再切断的保护方式，可具体结合运营单位实际运营情况选择。由于高压电缆一旦接地几乎即为永久接地，高压电缆不易散热，接地后电缆温度升高，处理不及时容易发展为更严重的事故，从而中断供电，且供电臂较长，单相接地电容电流较大，因此建议选择经小电阻接地方式，发生电缆接地故障后立即切断，利用电力远动系统及配电所微机保护装置，在电缆线路发生单相接地故障后，迅速进行手动隔离故障线路段，恢复非故障线路段的供电。

3 保护设置

由于全电缆线路故障电容电流较大，需设置电抗补偿，本段采用集中与分散相结合的补偿方式，即在配电所设电抗器集中补偿，区间各车站设置箱式电抗器分散补偿，以各车站分散式电抗器补偿为主，配电所集中补偿为辅。

在普速铁路线路中，如10 kV 供电线路全部采用电力电缆线路，需要加强和完善配电所微机保护和电力远动系统，使故障线路的检测，各种物理量的采集、处理更有效和完备，增加电力电缆在线监测功能并结合先进的测试仪器，使电力线路发生单相接地故障后，能够迅速确定故障点并予以排除，缩短非故障区段恢复供电时间，提高供电可靠性。

4 结语

综上所述，在长大普速铁路改造中，一般涉及电力线路里程较长，一条线路往往由2～3 个铁路局分段管理，且改造费用较高，除非是整条线路全线改造，否则无论是选择以上3 种接地方式中的哪一种，均会存在改造区段终端配电所在进行反向或跨所供电时接地方式不合理的情况。因此，建议改造时终端配电所自闭（贯通）母线按上下行进行分段，分别设置调压器，架空电力线路为主的供电侧调压器采用中性点不接地方式，全电缆（或以电缆为主）电力线路的供电侧调压器采用中性点经小电阻的接地方式，并分别设置补偿装置。