铁路电力供电工程设计研究

 【摘要】对肯尼亚蒙巴萨至内罗毕新建标准轨铁路项目电力工程建设过程中的实际问题进行分析。非洲当地环境及标准与我国相关规范存在较大差异。论文针对电力贯通线、无功补偿、中性点接地方式、继电保护的设置等方面进行对比分析，从而设计出安全、适用的铁路供电系统。

【关键词】电力贯通线；无功补偿；中性点接地方式；继电保护

1铁路正线供电方式

肯尼亚国内电力基础设施薄弱，蒙内铁路沿线地方主干电网仅由一路既有132kV输电线路构成，132kV、33kV、11kV变电站分布稀疏，短时间停电为常态，供电可靠性较低。线路途经肯尼亚国家野生动物保护区，该范围内难以取得可靠的外部电源。铁路用电负荷具有用电点分散，容量小，对供电质量要求高等特点。分散供电方案是最原始的供电方案，分散供电方案要求铁路沿线地方电源资源丰富，车站及区间用电设备均可就近接引地方电源，供电线路较短，综合投资较低。整条铁路接引多处电源，运营维护阶段有较高要求，国外铁路普遍采用分散供电方案。集中供电方案是30多年前，我国铁路电力技术人员根据中国国情，面对铁路沿线电力网薄弱，电力供应匮乏，满足不了铁路的供应需要状况，大胆创新的智慧结晶，此项技术经过30多年的不断改进和完善，日臻成熟。该方案可靠性高，受到运营部门的欢迎。目前，我国绝大部分铁路采用集中供电方案。依据对蒙内铁路沿线环境及电源的调查，集中供电是较为合理的方案。铁路全线采用33kV电力贯通线作为车站及区间设备的主供电电源，既能满足铁路用电安全可靠的要求，又便于运营维护。贯通线路采用架空与电缆混合线路敷设方式，具备架空条件的段落均优先采用架空线路，有困难路段部分采用电缆线路[1]。架空线路易受气候影响，但造价低，便于抢修；电缆线路造价高，维护不如架空线路方便，但具有全天候特点，能更大限度地抵抗冰雪等自然灾害。结合实际的用电需求及建设条件，蒙内铁路采用架空与电缆混合线路型式。

2电力贯通线中性点接地方式

中性点接地方式与电压等级、单相接地故障电流、过电压水平及保护配置等有密切关系。电力贯通线中性点接地方式直接影响电网的绝缘水平、供电可靠性、连续性和运行的安全性，以及电力贯通线对通信线路及无线电的干扰。普速铁路电力系统应用较多的中性点接地方式为中性点直接接地及中性点不接地方式。中性点直接接地的优点是系统的过电压水平和变电设备所需的绝缘水平较低。中性点直接接地方式的缺点是发生单相接地故障时单相接地电流很大，必然引起断路器跳闸，降低供电连续性，供电可靠性较差。中性点不接地方式的优点是发生单相接地故障时，不形成故障电流通路，通过接地点的电流仅为接地电容电流。当单相接地电容电流很小时，不会形成稳定的接地电弧，故障点电弧可以迅速自熄。熄弧后绝缘可自行恢复，而无须使线路断开，可以带故障运行一段时间，以便查找故障线路，单相接地电流很小，对临近通信线路的干扰小。中性点不接地方式的缺点是发生单相接地故障时产生弧光重燃过电压，过电压造成电气设备的绝缘损坏或开关柜绝缘子闪络，系统绝缘水平要求高。当线路很长时，接地电容电流过大，超过临界值，接地电弧不能自熄，容易形成间歇性的弧光接地或电弧稳定接地。间歇性的弧光接地可能导致危险的过电压，稳定性的弧光接地会导致相间短路，使得线路跳闸。

3电力贯通线无功补偿

依据电力贯通线敷设方式的差异，铁路电力系统通常采用静态补偿或动态补偿方式。静态补偿设备包含并联电容器及并联电抗器，是传统的补偿方式，广泛应用于各类等级的普速铁路中。当贯通线路以架空线路敷设为主时，采用集中设置于电力配电所高压母线并联电容器进行补偿，用于补偿区间贯通线的感性无功。当贯通线路以电缆线路敷设为主时，采用分散设置于电力配电所及区间的并联电抗器进行补偿，用于补偿区间贯通线的容性无功。动态补偿设备包含静止无功功率补偿器及静止无功功率发生器，是新型补偿方式，广泛应用于各类等级的高速铁路中。磁控电抗器（MSVC）以磁饱和电抗器及并联电容器为基本元件，集成无功功率检测控制部件构成补偿装置，能够进行快速补偿，使功率因数保持合理水平，补偿装置运行稳定，占地面积小。静止无功功率发生器（SVG）以变流器及变压器为基本元件，集成二次系统部件构成补偿装置，通过变流器调节电压角度，动态控制无功功率吸收及发出。蒙内铁路设计阶段电力贯通线采用全架空方式敷设，电力贯通线无功功率呈感性，配电所内安装电力电容器进行补偿。但在施工实施阶段，因横跨电力贯通线与红线内的地方电力线路、地方建筑、公路的安全距离不满足当地标准等多种原因，部分电力架空线改为电缆，导致电力贯通线的容性无功功率增加。在配电所内，单纯地进行容性无功补偿已经无法满足现场生产运行的需求，需安装既可进行容性无功补偿又可进行感性无功补偿的装置。配电所选用磁控电抗器型高压静止无功补偿装置（MSVC），安装无功补偿装置前，负荷满载（负荷率90%）时，无功功率呈现感性，功率因数为0.85；负荷轻载（负荷率10%）时，无功功率呈现容性，功率因数为0.42；无法满足供电部门功率因数至少为0.9的要求。安装无功补偿装置后，负荷满载（负荷率90%）时，功率因数为0.93；负荷轻载（负荷率10%）时，功率因数为0.95；满足供电部门功率因数的要求。无功补偿装置需提供200kV•A容性无功功率及400kV•A感性无功功率，考虑越区供电的实际需求，MSVC选取的无功功率相应增加。

4配电所继电保护整定沿线

33kV电力贯通线路需设置相间电流速断、过电流及零序速断及过电流保护装置。贯通配电线路采用微机型线路保护装置，保护装置的过电流保护采用定时限“电流—时间”曲线进行整定。在33kV配电所电源引入过程中，当地供电部门提出其为本工程提供的33kV供电线路过电流保护采用反时限“电流-时间”曲线进行整定，并要求铁路33kV配电所线路过电流保护与供电线路过电流保护相互配合。由于采用中性点直接接地方式，电力贯通线发生接地短路或相间短路时，会产生较大的短路电流。针对故障电流的特点，分别设置二段式定时限电流保护。二段式相间电流保护分为过电流保护及无时限电流速断保护；过电流保护应躲过线路的过负荷电流；无时限电流速断保护应躲过线路末端短路时的最大三相短路电流；为了保护线路全长，可以降低选择性的要求，靠自动重合闸装置补救。二段式零序电流保护分为零序过流I段保护及零序过流II段保护；零序过流I段保护应躲过线路单相接地短路电流；零序过流I段保护应躲过其他线路接地短路时本线路供出的电容电流。

5结论

蒙内铁路采用电力贯通线替代国外铁路的分散供电方式，安装MSVC替代传统无功补偿装置，中性点接地采用直接接地方式替代普速铁路普遍采用的不接地方式，配电所进线采用反时限电流保护代替定时限电流保护，实践证明技术安全可靠，为同类型的海外项目提供借鉴与参考。