城际铁路20kV供电线路技术经济性分析

赵宗益

【摘要】将城际铁路20kV与10kV供电线路从电缆截面及绝缘选择、供电能力和供电距离、导线截面积、配电变压器功率损耗进行了技术经济对比，分析了20kV供电线路在城际铁路中应用的优越性。

【关键词】城际铁路；20kV；供电线路；技术经济性；

1引言

城际铁路电力供电系统主要是为除牵引供电系统以外的所有铁路设施提供电能，承担铁路沿线的车站以及信号设施的供电。20kV配电系统在国内有成功应用的先例，但目前我国铁路主要采用10kV电力供电系统，随着地方中压配电网20kV电压等级的发展，特别在东部城市密集区，城际铁路系统电力供电系统采用20kV电压等级也有了发展的条件、成为研究的热点，并在与10kV电压等级相比中表现出了很大的优越性。本文将从以下几个方面进行论述。

2 技术经济性分析

2.1 电缆截面积选择

导线截面原则上根据实际工况选择满足技术与经济条件的电线或电缆截面。铜导电性能好，抗腐蚀能力强，容易焊接，但铜线的价格高；铝线的最大缺点是机械强度低，允许应力小，为了加强铝线的机械强度，往往采用绞线，有时用抗张强度为1200N/mm2的钢作为芯线，铝线绞在钢芯外面，作导电主体，这种线即为钢芯铝绞线。

为了保证导线在运行中有足够的机械过载能力，要求电缆导线的截面积不能太小，因为导线截面积越小，其机械负载能力也越小。在GY326-1998《架空线路的导线架设工艺标准》对不同电压等级的配电线路和不同材料的导线分别规定了最小的允许截面积，如表2-1所示

表2-1 配电线路允许的导线最小截面积（mm2）

导线种类 10kV 1kV以下

居民区 非居民区

铝绞线 35 25 16～25

钢芯铝绞线 25 16～25 16～25

铜绞线 16 16 直径3.2～4.0mm

导线选择的内容可概括为两方面：

1.确定供电网络结构，导线型号、使用环境和敷设方式；

2.选择确定导线截面实际截面大小。

从导线安全运行的角度出发，至少应考虑满足两个基本的要求：架空线路承受机械强度的能力和导线发热最高允许工作温度。承受机械强度能力决定了导线的最小允许截面，参见表2-1。电缆芯线截面的选择还要按输送容量、经济电流密度、热稳定性、允许电压损失、敷设方式等一般条件校核。此外，主干线电缆截面应力求一致，预留容量，一次埋入。同一地区电缆截面不宜多余2～3种，必要时经过技术经济论证选取。

绝缘电力电缆的品种规范很多，交联聚乙烯电缆（XLPE）是上世纪60年代以后技术发展最快的电缆品种，目前中压配电网实用的几乎全部都是交联聚乙烯电缆。10kV电缆与20kV电缆在产品结构和制造工艺方面没有什么差别，所不同的只是耐压强度，或者说是绝缘厚度有所不同，电缆附件（电缆终端等）则还要考虑爬电距离。

2.2 電缆绝缘选择

根据Q/CSG 11061-2007《20kV配电设备技术标准（试行）》，当采用电力电缆时，20kV宜采用交联聚乙烯绝缘；电缆截面较大时，宜选用单芯、铜芯电缆。电缆缆芯与绝缘屏蔽或金属套之间额定电压应符合下列规定及表2-2：

1） 经低电阻接地的系统，接地保护动作不超过1min切除故障时，应符合100%的使用回路工作相电压的要求，即采用12/20kV电压的电缆；

2）低电阻接地以外的接地系统，应符合133%的使用回路工作相电压的要求，即采用18/20kV电压的电缆。

B类-单相接地故障时间<8h，

C类-A类、B类以外的条件

架空绝缘电缆 20（24）

2.3 供电能力和供电距离对比

对比20kV和10kV的配电系统，在供电容量，导线截面积、供电半径等方面的不同限制条件下，可作如下分析。

（2-1）

其中： S ——供电视在功率（配电容量）；

——额定电压等级；

——线路导线在环境条件下的持续载流量。

当保持线路导线截面和供电半径不变的情况下，用20kV电压等级取代10kV电压等级时有：

（2-2）

即当电压等级从10kV上升到20kV时，电网的配电容量将增大一倍，配电网容载比也会相应的提高一倍。

除此之外，供电距离不但受到输送功率大小的限值，同时它的大小将会受到允许电压降大小的制约。在国家标准GB/T12325-2008《电能质量供电电压允许偏差》中对各电压等级电压降作出了规定：20kV及以下三相供电电压偏差为标称电压的±7%。

由以上标准和规程的要求便可以计算出中压配电网受电压降约束下的最大供电距离。

线路电压降的百分比计算公式如下：

（2-3）

其中：R、X为配电线路的阻抗值和电抗值；

r、x为单位长度配电线路的电阻值和电抗值，L为线路长度；

P、Q为线路输送的有功功率和无功功率。

由上可得两电压等级电压损失比为：

（2-4）

当负荷相同时，则 ；如果20kV输送功率增加一倍，也有 。

由式（2-3）可得，最大供电距离的公式如下：

（2-5）

即根据线路的在某一电压等级下的最大电压降落百分数 和每条线路上的额定输送容量即可计算得出相应的最大供电距离L。

由以上公式可以得出，对于20kV和10kV来说，如果最大电压降落百分数相同且输送容量大小相等，则20kV的最大供电距离是10kV的4倍；如果最大电压降落百分数相同的情况下，考虑20kV输送容量提高到10kV 的2倍，则20kV的最大供电距离也会是10kV最大供电距离的2倍。

2.4 导线截面积对比

当供电容量和供电距离不变时，取相同的最大电压降落百分数，则根据式（2-3）有

（2-6）

将单位长度导线电阻 ， 、 代入上式有

（2-7）

根据式2-7可以看出，若供电容量和距离不变时，相对于10kV，20kV电压可以较大的减小线路电缆的截面积（具体数值要因线路电抗而异），进而减少了线路建设投资。

以长株潭和广珠城际铁路供电系统设计方案中的电缆导线型号为例，设线路负载率为50%，功率因数为0.95，计算单回中压线路的输送容量如表2-3。

表2-3 中压配电线路输送容量

电缆导线型号 安全电流（A） 线路负载率 功率因数 电压等级（kV） 线路有功（kW）

YJV22-300 630 50% 0.95 10 5183

20 10366

YJV22-120 375 50% 0.95 10 3085

20 6170

YJV22-35 190 50% 0.95 10 1563

20 3126

由表2-3可以看出，如果适当的提高配电电压等级便能够有效提高的线路中的传送功率并且能够减少变电站出线间隔的需求数量。在城际铁路就近取用地方配电电源时，选用20kV电源受到容量限制的可能性就比10kV电源小。

2.5 功率损耗对比

配电电压升压后，极大地降低了线路损耗，但亦可能增加配电变压器的损耗。线路功率损耗为：

（2-8）

在输送功率与线路截面积相同的条件下，线路损耗与运行电压的平方成反比。电压由10kV升至20kV后，输送相同功率，线路电流减少50%，线路电能损耗可降低75%。

对于相同容量的配电变压器，负载损耗和空载损耗随着电压的升高而增加。20kV和10kV配电变压器的空载及短路损耗相差不多，而电压升高至35kV时，配变的负载损耗要比10kV高25%左右，空载损耗高10%左右。以S9系列配变为例，其损耗参数如表2-4所示。

表2-4 S9系列配变的损耗参数

配变容量

（kVA） 变比（kV） 空载损耗P0（kW）

（比例） 短路损耗PK（kW）

（比例）

500～800 35/0.4 0.761.05（1.12～1.07） 6.55～9.35（1.28～1.25）

20/0.4 0.68～0.98（1～1） 5.66～8.25（1.11～1.10）

10/0.4 0.68～0.98（1～1） 5.1～7.5（1～1）

由上述分析可以，20kV电压不仅相对于原来的10kV电压大大降低了线路损耗，而且配电变压器的损耗也并未明显增加。综合考虑，20kV有着明显的节能降耗优势。

3.结束语

综上所述，对于20kV和10kV来说，如果最大电压降落百分数相同且输送容量大小相等，则20kV的最大供电距离是10kV的4倍；若供电容量和距离不变时，相对于10kV，20kV电压可以较大地减小线路电缆的截面，减少了线路建设投资，且配電变压器的损耗也并未明显增加，因此，在城际铁路中应用具有一定的优势。

参考文献：

[1] GB/T12325-2008电能质量 供电电压允许偏差[S]. 北京：中国标准出版社。

[2] GBT 6451-2008 油浸式电力变压器技术参数和要求[S].北京：中国标准出版社。

[3] Q/GDW 156-2006国家电网公司城市电力网规划设计导则[S]. 北京：中国标准出版社。