池州至黄山高速铁路电力设计探讨

卢 锋

(中铁上海设计院集团有限公司,上海 200070)

近年来，国内高铁技术快速发展，高铁与其他运输方式相比，具有准时、安全、舒适、运输量大、能耗少、节能环保等特点，逐步成为陆上运输的主力军[1]。因高铁速度很快，但凡一点纰漏，可能造成无法估量的损失，要保证高铁运输供电的安全性和可靠性，因此在工程建设的设计阶段做好高铁电力设计至关重要。

一般情况下，高铁电力供配电系统从地方变电站接引10 kV电源,或者通过设置铁路35/10 kV，110/10 kV变配电所主要给车站、货场、维修段所等生产、生活配套房屋等地区负荷较大或较为集中的铁路用户和沿线分散布置的铁路区间信号中继站、无线通信基站、光纤直放站、电力牵引各所用电、隧道检修照明等设施提供电源[2]。

本文将以池州至黄山350 km/h的高铁(以下简称池黄铁路)为例，着重介绍电力设计的各个方面，希望对高铁电力设计、施工、审图和建设管理单位有所裨益。

1 线路概况

池州至黄山高铁位于安徽省南部，线路大致呈东西走向，起点接轨宁安客专池州站，通过合安九客专沟通武汉方向，经由九华山、太平湖、黄山等风景名胜区，终点接轨黄山地区黟县东站与在建昌景黄铁路共站；近期黟县东至黄山北段本线与昌景黄铁路共线，远期结合杭黄直通线的建设时机，黟县东至黄山北段新建三四线，并新建黄山北直通场与杭黄直通线贯通至杭州方向，形成武汉至杭州间的快速客运通道。新建正线全长121.44 km。

本线是武汉至杭州快速铁路通道的重要组成部分，是连接九华山、黄山等风景名胜的黄金旅游线路，是一条以承担跨线中长途客流为主、旅游观光客流为辅、兼顾城际客流的客运专线铁路[3]。

2 既有供电设施情况

1)既有池州10 kV配电所规模为二进十一出，装机容量为4 688 kVA。高压柜采用KYN28柜，设有微机保护。既有宁安城际贯通调压器容量为630 kVA。

配电所两路电源均从地方引接专盘专线，分别为城南变电所121线、齐山变电所135线。其中121线大部分截面为120 mm2，引入配电所段为铝芯95 mm2电缆；135线截面为185 mm2。

2)既有池州站10/0.4 kV变电设施设置情况见表1。

表1 池州站10/0.4 kV变电设施

3)昌景黄铁路拟建黟县东10 kV配电所，配电所引接两路专盘专线，调压器为小电阻接地方式，高压开关柜采用GIS柜，设置微机保护。昌景黄铁路为贯通线接入设置了GIS柜。

3 电力供配电系统设计

3.1 外部电源及电源线路

3.1.1 九华山10 kV配电所外部电源

新建九华山10 kV配电所的两路电源均从地方引接专盘专线，电源线截面为240 mm2。其中电源一由地方光华110 kV变电所引接，长约9 km；电源二由地方朱备35 kV变电所引接，长约6 km，采用架空和电缆相结合的方式敷设。

3.1.2 黄山西10 kV配电所外部电源

新建黄山西10 kV配电所的两路电源均从地方引接专盘专线，电源线截面为240 mm2。其中电源一由地方太平110 kV变电所引接，长约9 km；电源二由地方焦村35 kV变电所引接，长约12 km。电源线采用架空和电缆相结合的方式敷设。

3.1.3 池州10 kV配电所外部电源

既有池州10 kV配电所电源一(城南变电所121线)引入配电所段为95 mm2铝芯电缆。

3.2 电力供电系统方案

3.2.1 全线供电方案

全线新建10 kV一级负荷贯通线和10 kV综合负荷贯通线各一回，采用全电缆线路敷设。电缆线路采用单芯非磁性金属铠装电缆，一级负荷贯通线缆截面为70 mm2，综合负荷贯通线缆截面为95 mm2。

10 kV一级负荷贯通线作为通信、信号等重要一级负荷的主用电源及沿线其他一、二级用电负荷的备用电源；10 kV综合负荷贯通线主要为沿线其他中小负荷供电，兼作重要一级负荷的备用电源。

10 kV一级负荷贯通线及10 kV综合负荷贯通线区间分散设置箱式电抗器，补偿贯通线电缆容性电流[4]。

3.2.2 区间负荷供电

1)区间负荷分布及负荷等级:

区间负荷主要为通信基站、直放站、中继站、电气化所亭、警务区、隧道、岗亭等处照明及设备用电。其中与行车密切相关的通信、信号、灾害监测、隧道应急照明、消防用电设备、隧道防灾救援设备等负荷为一级负荷，为通信、信号等主要设备配置的专用空调、区间视频监控设备、立交泵站等负荷为二级负荷；其他为三级负荷。

2)区间负荷供电方案:

通信基站、直放站：设置环网远动箱变，取10 kV一级负荷贯通线电源降压后作为通信、灾害监测设备主用电源，取10 kV综合负荷贯通线电源降压后作为通信、灾害监测设备备用电源。

信号中继站：设环网远动箱变，取10 kV一级负荷贯通线电源降压后作为通信、信号、灾害监测设备主用电源，取10 kV综合负荷贯通线电源降压后作为通信、信号、灾害监测设备备用电源。

区间警务区：电源从就近区间箱变综合负荷贯通低压侧引接。

公安岗亭：优先考虑从地方引接一路低压电源或铁路箱变(岗亭距铁路箱变300 m以内时)引接低压电源，当以上电源引接困难时考虑采用太阳能供电。

隧道内负荷：长度5 km以下的隧道照明电源从就近区间箱变综合负荷贯通低压侧引接；长度5 km以上的隧道照明电源从就近区间箱变一级负荷贯通低压侧、综合负荷贯通低压侧分别引接，并经双电源切换后供电；隧道内插座箱电源从就近区间箱变综合贯通低压侧引接；射流风机主、备用电源从就近区间箱变综合负荷贯通低压侧、一级负荷贯通低压侧分别引接，并经双电源切换后供电。

牵引所亭：新建牵引变电所、分区所、开闭所等所用变的主、备用电源分别从10 kV一级负荷贯通和10 kV综合负荷贯通线引接。

3.2.3 车站负荷供电

1)池州站：改造车站既有高速场信号变电设施，将既有2×100 kVA箱变更换为2×160 kVA箱变，以满足增容的通信及信号设备用电需求。通信、信号设备主用电源引自信号箱变一级负荷贯通低压侧，备用电源引自信号箱变综合负荷贯通低压侧。

在综合维修工区内新增1×630 kVA箱式变电站一座，为新增综合维修相关负荷供电。箱变电源引自既有综合维修工区2号箱变环出柜。

2)九华山站：在车站新建一座室内10/0.4 kV综合变电所，变压器容量为2×400 kVA，为车站新增生产及生活设施设备供电。变电所两路电源分别引自九华山10 kV配电所站馈一、站馈二。

在车站新建一座室内10/0.4 kV信号变电所，变压器容量为2×100 kVA，为车站通信及信号设备供电。变电所两路电源分别引自10 kV一级负荷贯通、综合负荷贯通线。另从车站室内10/0.4 kV综合变电所低压侧引接一路电源作为信号设备的第三路电源。

3)黄山西站：在车站新建一座室内10/0.4 kV综合变电所，变压器容量为2×400 kVA，为车站新增生产及生活设施设备供电。变电所两路电源分别引自黄山西10 kV配电所站馈一、站馈二。

在车站新建一座室内10/0.4 kV信号变电所，变压器容量为2×100 kVA，为车站通信及信号设备供电。变电所两路电源分别引自10 kV一级负荷贯通、综合负荷贯通线。另从车站室内10/0.4 kV综合变电所低压侧引接一路电源作为信号设备的第三路电源。

在综合维修工区内新建一座室内10/0.4 kV综合变电所，变压器容量为2×500 kVA，为综合维修工区内负荷及车站咽喉区照明供电。变电所两路电源分别引自黄山西10 kV配电所站馈一、站馈二。

3.3 配电所设置

3.3.1 配电所分布及主接线

新建九华山10 kV配电所、黄山西10 kV配电所，改造既有池州10 kV配电所，接入在建昌景黄铁路黟县东10 kV配电所。

对既有池州10 kV配电所进行改造，将既有一级负荷贯通和综合负荷贯通调压器容量由630 kVA增容至800 kVA；增设池黄一级负荷贯通、综合负荷贯通馈出回路；增设1面微保屏和1面电度表屏；室外增设池黄一级负荷贯通和综合负荷贯通馈出隔离开关箱；其余均利用既有。

新建10 kV配电所采用断路器分段的单母线接线，并设贯通母线段。一级负荷贯通、综合负荷贯通线分别经调压器调压后供电。配电所进出回路在配电所院内设置户外隔离开关箱。电源进线按当地供电部门要求设置计量装置，各馈出线设置电能计量装置。

3.3.2 保护配置

配电所的控制保护采用具有遥信、遥测、遥控、遥调、时钟等多功能的微机综合自动化系统，并提供远动接口。配电所继电保护及自动装置配置见表2[5]。

表2 配电所继电保护及自动装置配置表

3.3.3 设备标准及形式

10 kV高压开关柜采用GIS柜；10/0.4 kV变压器采用新型节能干式变压器，满足一级能效要求；10/10 kV调压器采用有载调压干式电力变压器；直流电源设备采用智能高频开关铅酸免维护电池直流电源柜；主母线上设磁控电抗器。

3.3.4 布置方式

配电所均采用两层楼布置，中间设置电缆夹层。高压开关设备、控制设备设置在二层；调压器、小电阻接地、电抗器等设备设置在一层独立房间内。

3.3.5 接地型式

主母线为不接地系统，贯通调压器中性点采用小电阻接地系统[6]。

3.3.6 无功补偿方案

无功补偿按配电所集中补偿和就地分散补偿相结合的方案设置。在配电所内设置动态无功补偿磁控电抗器，补偿后10 kV配电所进线功率因数不低于0.9。

3.4 高低压电力线路

3.4.1 10 kV一级负荷、综合负荷贯通线

全线设置10 kV一级负荷贯通线和10 kV综合负荷贯通线各一回，沿铁路两侧预制电缆槽敷设，电缆导线截面分别为70 mm2和95 mm2。采用交联聚乙烯绝缘非磁铠装的单芯铜芯电缆(YJV63-8.7/15 kV)，电缆过长度大于5 km的隧道时，采用阻燃型。

两回贯通线电缆不宜敷设于同一径路，无法避免时采取电缆管、槽等保护措施，当受条件限制同槽敷设时，应采用分隔措施。

单芯电缆金属层采用每段电缆一端采用单点直接接地方式，另一端采用经护层保护器接地方式。

1)当高压箱变负荷点距离大于3 km时，在高压箱变负荷点中间增设一处10 kV电缆对接箱，电缆进入对接箱一端金属层采用直接接地，出对接箱一端金属层应经护层保护器接地。

2)单芯贯通线电缆终端头的金属护层(金属屏蔽层和金属外铠)均应采取沿正常供电方向的单端直接接地方式，其中电缆的金属屏蔽层和金属外铠均应直接接地。两负荷点之间的单芯贯通线电缆应尽量避免出现中间接头，当无法避免时，应采用冷缩式直通接头，对于不超过3 km的贯通线单芯电缆中间接头金属外铠和电缆金属屏蔽应做好电气连接和相应的绝缘，对于超过3 km的贯通线单芯电缆中间接头的金属护层接地应按照箱变内10 kV单芯电缆终端头金属护层接地方式进行接地[7]。

区间设置固定补偿电抗器，电抗器采用星形接线，中性点不接地。

3.4.2 10 kV配电所电源线路

电源线一般采用YJV22-8.7/15 kV-3×240交联铠装电力电缆，跨越山区时采用架空导线LGJ-3×240或架空绝缘线JKLGYJ-240混凝土电杆架设。

3.4.3 区间及车站电力线路

区间及车站高低压电力线路均采用电力电缆敷设方式。高压电缆选用YJV22-8.7/15 kV型铜芯交联聚乙烯绝缘钢带铠装三芯电力电缆，低压电缆一般选用VV22-0.6/1 kV，YJV22-0.6/1 kV或WDZBN-YJY22-0.6/1 kV型铜芯铠装电力电缆。

3.5 电力远动系统

全线设置电力远动监控系统，在10 kV配电所、室内10/0.4 kV变电所、箱式变电站等处设电力远动终端。电力远动监控系统纳入综合SCADA系统，由牵引变电专业统一考虑[8]。

3.6 其他系统

3.6.1 动力、照明系统

动力配线采用放射式和树干式结合的混合式配线网络。动力设备控制按工艺要求一般采用就地控制、自动控制、远程控制相结合的方式。大型电动机采用星-三角、软启动或变频启动的方式。

3.6.2 消防应急照明和疏散指示系统

在各单体内按GB 51309—2018消防应急照明和疏散指示系统技术标准要求，设置相应的消防应急照明和疏散指示。

3.6.3 防雷及接地系统

根据GB 50057—2010建筑物防雷设计规范、TB 10180—2016铁路防雷及接地工程技术规范，充分考虑建筑物、构筑物的结构特点，尽量利用建筑物、构筑物的金属导体及金属屋面作为接闪器，非金属屋面部分设置接闪线，以达到与建筑物的造型有机结合的效果。利用建筑物、构筑物的钢柱或柱内主钢筋作为防雷引下线，利用建筑物、构筑物钢筋混凝土基础内的钢筋作为接地装置[9]。

接地采用TN系统，一般建筑物电源引入处设接地装置一处，所有正常时不带电的电气设备外壳均应与PE线可靠连接，接地电阻值不大于10 Ω。较大车站及独立信号楼接地采用联合接地装置，利用每根桩基内的两根主钢筋作垂直接地极，利用结构承台和拉梁中的水平主钢筋作水平接地连线，由此构成接地网，接地网接地电阻值不大于1 Ω。

为防止暂态过电压的干扰，如沿电源线来的雷电波、主开关操作、无功补偿电容器等负荷的投入和切除而产生的过电压波，通信、信号及其他智能系统设备的380/220 V供电电源根据设备的重要性，分别采取不同级别的过电压保护等措施。

沿线车站及区间电力设施、贯通电缆线路及站内高低压电缆线路金属护套均纳入综合接地系统，其中贯通电缆线路金属护套采用单点接地方式，即一端金属护套与综合贯通地线可靠相连，未接地的一端装设护层保护器以限制电缆金属护套上的过电压。在铁路购地界以外的架空线路独立设置接地装置。

3.6.4 火灾自动报警系统

沿线信号中继站、配电所、人员密集场所及设有气体灭火的设备用房等场所按照GB 50116—2013火灾自动报警系统设计规范设置火灾报警系统。

3.6.5 安全监控系统

在10 kV配电所内设置安全监控系统，由设在主控站的监控设备对多个远程现场供电设施进行监测、控制。本系统由主控站、通道、被控站三部分设备构成，10 kV配电所作为被控站设置安全监控柜一面，并设置门禁系统、火灾报警系统、温湿度传感器、碎窗探测器、电子围栏、缆式线型差定温火灾探测器、视频摄像头等终端设备。安全监控系统纳入数据维护通道，由牵引变专业统一考虑。

3.6.6 隧道防灾救援监控系统

在岭上村隧道、棠棣岭隧道、上田岭隧道内设置防灾救援监控系统。监控系统具备远程监控功能，按监控主站、主控制器、就地控制器三级组网构架控制设计。监控系统对隧道内(含紧急出口、避难所、紧急救援站隧道内部分)应急照明、紧急救援站隧道外照明、隧道防灾风机、消防泵及防护门等设备进行监控[10]。

监控主站及维护终端设置于黄山西综合维修工区，监控终端设置于九华山、黄山西、黟县东站的行车室，主控制器分别设置于岭上村隧道、棠棣岭隧道、上田岭隧道靠近隧道口的洞室内，就地控制器设置于隧道风机、消防泵、排水泵、应急照明及防护门等附近。就地控制器具备远动功能，采用光口传输、光纤组网。

在紧急救援站通道与正洞连接处设置集中监控盘，集中监控盘对救援站内的防灾设备具备优先控制权。在应急救援时，可一键启动防灾设备，并通过主控制器将防灾设备的运行工况反馈至监控主站及监控终端。

3.7 各类型设备选型及主要技术标准

3.7.1 主要设备选型

主要设备选型如表3所示。

表3 主要设备选型

3.7.2 主要技术标准

1)10 kV GIS高压开关柜：10 kV高压GIS开关柜设备用于户内安装，主要由金属柜体、真空断路器、三工位隔离开关；电流/电压互感器、避雷器、谐振消除装置、接地开关和表计等元器件构成。

2)10 kV高压环网柜：10 kV高压环网开关柜用于户内安装，采用紧凑型SF6气体绝缘的充气式环网柜(独立气室)，主要由高压环网型柜体、负荷开关/负荷开关熔断器组合；电流/电压互感器、避雷器、护层保护器、电缆头、带电显示器、接地开关等元器件和表计等元器件构成。

3)0.4 kV低压开关柜：0.4 kV低压开关柜采用固定分隔开关柜。电源柜设置浪涌防雷保护装置[11]，各配电柜各回路配置电动操作机构和电力多功能仪表，各断路器设电子脱扣器。

4)交、直流电源装置：所用交流电源采用两路进线，分别由两段10 kV进线母线的所用变供电两路电源进线应满足同时投入(断开母联开关)和单电源运行两种运行方式的要求，另外还可自动切换，同时设有电气闭锁和机械闭锁，所有开关均设电动操作机构并纳入电力远动系统。

直流电源设备采用智能高频开关铅酸免维护电池直流电源柜[12]。交、直流电源装置均设置浪涌防雷保护装置。

5)综合自动化系统设备：各种保护单元应满足选择性、速动性、灵敏性、可靠性的要求，实施对供电系统各种故障设备或故障区段的快速隔离，保证供电系统的可靠供电。

所有保护测控单元功能应具有独立性，应不依赖于所内通信网络。当通信网络故障时，不应影响装置本体的功能及所有通过硬线实现的安全自动控制功能。具有便携机维护用通讯接口；每套保护测控单元负责一台开关柜内断路器的保护、测量与控制，自带操作回路，不需附加设备和外加继电器即可直接跳合断路器。

保护测控单元应设置参数整定密码，参数的修改应在输入密码后才能设置。保护配置可通过软件完成，在设备投运时所有未用保护都应处于闭锁状态。

各间隔单元应具有完善的自检功能；至少两套以上整定值；8份以上的保护动作和对应的故障录波数据；128份以上事件及告警报告。

6)磁控电抗器：采用动态无功补偿装置控制器、10.5 kV 300 kvar磁控电抗器及附属设备。

7)箱式变电站：箱式变电站采用分箱式气体绝缘环网柜，设置三工位SF6负荷开关，其操作电源采用交流并配置UPS作为备用；变压器回路采用带熔断器负荷开关保护。箱式变电站的高、低压开关均设置电动操作机构，并纳入电力远动系统。

8)调压器：10 kV调压器采用SCZ-NX1系列环氧树脂浇筑有载调压干式电力变压器，包括干式真空有载分接开关、有载分接开关控制器等。

9)变压器：变压器采用环氧浇筑线绕SC-NX1干式变压器，自冷(AN)/强迫风冷(AF)。变压器满足GB 20052—2020三相配电变压器能效限定值及能效等级Ⅰ级能效标准要求。

4 结语

基于上述介绍，高铁电力设计主要内容推荐如下：

1)10 kV一级负荷贯通线(截面为70 mm2)和10 kV综合负荷贯通线(截面为95 mm2)各一条，采用交联聚乙烯绝缘非磁铠装的单芯铜芯全电缆方案，以沿线分散设置的高压并联补偿电抗器补偿为主、配电所补偿为辅，补偿电缆容性电流，保证线路可靠供电。贯通线采用中性点经小电阻接地的运行方式。贯通电缆金属护层采用线路一端单点直接接地方式，并在线路另一端经电缆护层电压限制器接地。

2)在负荷集中处设置10 kV配电所，采用单元式微机保护和综合自动化系统，并设置安全监控。在信号楼内合建综合变电所和通信信号变电所。在综合维修工区设置室内10/0.4 kV变电所。区间负荷采用箱式变电站供电，由两回贯通线采用环网柜接引10 kV电源。

3)设置铁路电力远动系统能够实现调度中心对全线电力线路及信号电源运行情况的实时监测控制，保证铁路行车供电。

4)设置火灾自动报警系统和隧道防灾救援监控系统。

目前我国还在大量建设高铁，希望本文对其他高铁的电力供配电系统的设计具有一定的参考价值。