高速铁路与普速铁路电力系统分析与比较

高速铁路与普速铁路电力系统分析与比较
【摘要】高速铁路除了列车营运速度达到一定标准外，供电系统也有了很大提升。

做为高速铁路动力——铁路电力系统系统，也发生了巨大的变化。

本文根据高速铁路负荷分布特点，对高速铁路与普速铁路电力系统进行了分析、比较，并对其特点进行了梳理。

【关键词】高速铁路；普速铁路；电力系统；补偿方式；接地方式
0 概述
京沪高速铁路客运专线是《中长期铁路网规划》中投资规模大、技术含量高的一项工程，也是我国第四条引进国际先进技术的高速铁路。

随着京沪高速铁路客运专线的正式投入运营，我国高速铁路的建设技术日臻成熟。

与普速铁路相比，高速铁路除了列车营运速度达到一定标准外，车辆、路轨、操作、供电都有了很大提升。

作为高速铁路动力——铁路电力系统，也发生了巨大的变化。

1 电力线路不同
普速铁路电力线路一般采用架空线敷设，京沪高铁全线采用全电缆敷设。

名称与普速线不同，分为一级贯通及综合贯通，其中一级贯通为单芯70mm2铜芯电缆，综合贯通为单芯95mm2电缆，单芯铜芯非磁铠装。

高速铁路上使用的是单芯电缆，为了防止在电缆钢带上产生涡流，导致钢铠发热，长时间运行烧坏电缆，故采用非磁材料护铠，一般采用铝铠、铝合金铠、不锈钢铠等非磁材料，从而不在电缆外铠装层上产生涡流。

同理，单芯电缆在敷设时，为了防止闭合此路产生涡流，施工时必须注意：电缆的固定必须采用非磁材料做抱箍进行固定，在电缆穿越铁路、公路时，若单相电缆穿管，必须使用PVC等非磁材料管，严禁使用钢管、铁管等导磁性能好的材料。

若使用铁管或钢管，必须三相同穿一根铁管或钢管。

2 补偿的不同
架空电力线路，多数故障为瞬时故障，能够自行恢复。

线路对地电容电流很小，正常运行时电容电流约为0.026A/km，单相接地时电容电流约为0.078A/km。

正常运行时，60km架空线路电容电流约为1.6A；单相接地时，60km架空线路电容电流约为 4.7A。

普速铁路线路用电设备还包括照明、电机和电子类，总体呈感性，普速铁路变电所设置高压电容器补偿功率因数。

高速铁路一级负荷贯通线为全电缆线路，多数故障为永久性故障，不能自行恢复。

线路对地电容较大，正常运行时电容电流约为0.33～04A/km，单相接地时电容电流约为1.1～1.3A/km。

正常运行时，60km电缆线路电容电流约为20～
24A；单相接地时，60km电缆线路电容电流约为66～78A。

因此，高铁线路的全电缆线路由于充电电流的影响，出现容性无功倒送。

为此，京沪高铁补偿采用的是加装电抗器补偿的方案，区间一般每隔12KM设置一台100Kvar的电抗器。

同时，在两端配电所集中设可投切电抗器补偿，一般设置三台电抗器，分别是36Kvar、72Kvar、144Kvar，集中解决线路中欠补偿的问题，可以根据线路中功率因数的大小，适当进行投切电抗器，达到满足补偿的要求。

3 系统中性点接地方式不同
在普速中，因自闭贯通线多为架空线，瞬时性故障较多，调压器一般采用中性点不接地系统。

在高铁中，由于贯通线全部采用电缆敷设，使对地电容电流大大增加。

同时，电缆故障一般为永久性故障，如果不能及时迅速的切除故障点，将产生过电压现象，特别是发生间歇性故障时，故障点将出现多次重燃，将产生较高的过电压现象。

当中性点连入电阻后，会提供给健全相的电容上的电荷一个泄放转移的通道，由于电阻是个耗能设备，在回路中起到一个阻尼的作用，不仅能抑制电弧重燃过电压，而且可以防止铁磁谐振过电压。

3.1 小电阻接地方式的优点
中性点经电阻接地方式，瞬时性故障后保护动作跳闸，可以最大限度的保证正处中心区接地点的人员安全，将事故影响减小到最小。

虽然不如消弧线圈那种方式下，事故时可以坚持运行1～2个小时，但是它可以立即切除故障，最大限度的保证了核心城区的人身安全，减少了事故影响。

采用小电阻接地方式，具有如下优点：
（1）经小电阻接地这种接地方式可以降低弧光接地过电压倍数，破坏谐振过电压的发生条件。

（2）当发生单相接地故障时，可以准确迅速地判断出故障线路，并在很短的时间内切除，使设备耐受过电压的时间大幅度缩短，防止系统设备绝缘水平降低，使系统运行的可靠性增加。

（3）中性点经电阻接地的配网系统中，当中性点电阻阻值不是很大时，当接地电弧熄弧后，零序残荷将通过中性点电阻提供的通路泄放掉，所以当发生下一次燃弧时，其过电压幅值和从正常运行情况发生单相接地故障时的情况相同，并不会象中性点不接地或经消弧线圈接地系统，由于多次燃弧、熄弧而使过电压幅值升高。

（4）不接地运行方式，当发生单相接地故障时，目前是采用选线装置来寻
找故障点，这种方式很不准确，而且易引发其它故障（如相间故障）；采用手动逐路拉试，影响供电可靠性。

采用低电阻接地后，可以通过继电保护及时将故障线路跳开，无需人工进行查找切除。

3.2 小电阻接地运行方式评价
3.2.1 供电可靠性
10kV中性点不接地或经消弧线圈接地方式与中性点经小电阻接地方式或直接接地方式相比，最大的优点是在发生单相接地故障时，该系统可带单相接地故障运行2小时，获得足够的时间排除故障，以保证对用户的不间断供电，但这一优点在以电缆为主的高铁电力运行中并不突出。

首先当发生接地故障时不应带故障运行，若长时间带故障运行，还可能造成电缆着火。

另外，从实际运行情况看，单相接地故障引发的相间短路故障较多，反而扩大了停电范围，尤其是当发展为母线短路故障时，相当于变压器出口短路，从而可能造成变压器损坏。

而小电阻接地方式运行情况分析：①绝缘事故的降低，对供电可靠性的间接提高降低了母线绝缘故障的概率；②保护配置得当，可不降低供电可靠性，对以电缆线路为主的配电网中的架空线路，可依靠自动重合闸来减少停电时间，由于重合闸的成功率较高，所以对用户的停电时间不会有所增加。

3.2.2 有利用降低谐振过电压
中性点经电阻接地方式由于在零序网络中接入了电阻，是消除PT谐振过电压的有效方法之一。

从限制PT谐振过电压的角度出发，一般认为在单相接地故障电流中，如果电阻电流大于容性电流，就可以有效地限制PT谐振过电压，而这对一般网络是很容易满足的。

变电站在中性点不接地时，采用单相接地熔丝熔断来激发出的基频PT谐振，在投入中性点接地电阻后，接地熄弧后零序电压很快衰减为零，基频谐振被消除；分频谐振采用了和激发基频谐振同样的方法，投入电阻后，接地消失后零序电压很快消失，谐振被消除；高频PT谐振采用空投母线的方法，在中性点不接地时，经三次空投，均激发出稳定的二倍频谐振，在投入接地电阻后再次空投均未出现谐振现象。

另外，当采用中性点经电阻接地以后，中性点电阻对PT谐振过电压有很强的抑制作用。

3.2.3 保护方式的采用
中性点经低电阻接地后，保护的配置可以通过时间进行配合，使故障停电范围缩到最小。

对单相故障而言，故障电流增大，并有零序电流产生，因而保护配置应增加零序保护。

根据经验，保护配置宜采用不同时限的零序电流保护，保护配置还应考虑：
①线路采用零序电流互感器和反应工频电流值的零序接地保护作为单相接地主保护，作用于跳闸。

②保护整定值躲过本段电容电流。

③零序动作定值的整定原则：零序速断0.2s，对快速开关而言，级差可以选为0.3秒或者0.5秒。

如果用户端选为0秒，则开闭站可选为0.3或0.5秒；出线开关0.6或1.0秒动作，母联开关选0.9或1.5秒动作。

4 高压设备选型不同
高速铁路与普速铁路电力系统在高压设备选型上也有较大变化。

4.1 高压开关柜选用GIS高压柜，采用SF6气体绝缘。

它包括一座变电站中除变压器以外的一次设备，其中有断路器、隔离开关、接地开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、母线、电缆终端、进出线套管等。

GIS高压柜有灭弧能力强、节省空间、可以模块化组合、快速安装，缩短项目周期、全密封设计，减少外部侵害等优点。

4.2 高压电缆头采用全密封式插接电缆头，高压避雷器采用插接式避雷器，密闭性好，可以有效减少外部的侵害。

4.3 高压电压互感器多采用外置式，检查方便，并有效的减少占用空间。

4.4 调压器及变压器全部采用干式变压器，有效的降低了维护工作量，并可以防止爆炸起火对设备带来的影响。

5 结束语
京沪高铁电力系统贯通线为全电缆线路，分为一级贯通及综合贯通。

采用在两端配电所集中设可投切电抗器进行补偿，集中解决线路中欠补偿的问题。

系统中性点采用小电阻接地方式，保护装置配合不同时限的零序电流保护作用于跳闸。

GIS气体高压开关柜在现代高速铁路中的应用进一步提高了供电的灵活性和可靠性。

【参考文献】
[1]廖宇.高速铁路电力供电系统的研究[J].西南民族大学学报，2008（3）.。