滬杭高速鐵路電力供電系統設計

徐 悌

(中鐵第四勘測設計集團有限公司，武漢 430063)

1 工程概況

滬杭高速鐵路連接上海與杭州，是中國“四縱四橫”客運專線網絡中滬昆客運專線的組成部分，該工程由上海虹橋站引出，經松江南、金山北、嘉善南、嘉興南、桐鄉、海寧西、余杭南引入杭州東站，并通過聯絡線與上海南站、杭州站相接，正線全長153.5 km，其中87%為橋梁工程，全線設車站9座、線路所3座、動車運用所1座。

2 電力供電方案

2.1 電力供電系統組成

滬杭高速鐵路電力供電系統主要由從國家電網公司接引的高壓電源線路、(20)10 kV變配電所、沿線2路10 kV電力貫通線路、站場及區間高低壓電力線路、10/0.4 kV變電所、箱式變、室外照明、動力配線、機電設備監控系統、消防自動報警系統、防雷接地等部分組成。全線電力遠動設施納入鐵路供電調度系統統一調度管理。

2.2 供電原則

(1)電力供電系統必須滿足客運專線安全、可靠供電的要求，并滿足免維護、少維修、10 kV及以上變配電所無人值守的原則要求。

(2)為保證各用電設備的可靠安全用電，電力供電系統應保證各級供配電系統的相互匹配，除發生大面積自然災害(如地震、戰爭、電網崩潰等)或故意損壞外，其可靠性滿足每天24 h的運輸需要(含“維修天窗”時間)。

(3)電力供電系統的主要設備標準為模數化、標準化、免維護、少維修。

(4)電力供電系統與鐵路行車和運輸安全密切相關，所有客運專線各個等級負荷的電源均自電力供電系統接引。

(5)與行車相關的一級負荷或重要負荷至少從供電網絡接取2路獨立電源。

3 電力設計主要內容

3.1 20(10)kV變配電所

3.1.1 (20)10 kV配電所設置

結合各站負荷情況和供電臂距離，全線新建松江南、嘉興南、桐鄉新共計3座(20)10 kV變配電所，由于站房建設工期往往與四電設備調試工期相矛盾，為減少建設工期，以上各所均為獨立建設房屋的變配電所;為節約建筑面積，房屋建筑形式為平房式。

3.1.2 變配電所規模及電源情況

松江南10 kV配電所從地方變電站接取兩路獨立專屏專線的10 kV電源;嘉興南10 kV配電所從地方變電站接取2路獨立專屏專線的10 kV電源，根據地方電網規劃及供電公司要求，電源線采用20 kV電纜，預留20 kV條件;桐鄉20/10 kV變配電所從地方變電站接取2路獨立專屏專線高壓電源20 kV電源。

配電所規模及電源情況見表1。

表1 (20)10 kV變配電所規模及電源情況

3.1.3 配電所電氣主接線

(20)10 kV變配電所采用單母線分段接線方式，為了減少初期投資和方便今后增容，經過技術經濟比較，桐鄉(20)10 kV變配電所主母線采用了20/10 kV變壓器降壓后供給車站綜合變壓器和貫通線，10 kV貫通線經調壓器調壓后設置貫通母線供電;10 kV主母線采用不接地系統，貫通線中性點采用低電阻接地系統，接地電阻不大于10Ω。

3.1.4 10 kV變配電所設備類型

10 kV高壓開關柜采用免維護、少維修SF6氣體絕緣開關柜(GIS)，斷路器為真空斷路器;10/10 kV調壓器采用干式調壓器。直流電源設備采用智能高頻開關鉛酸免維護電池直流電源柜。

3.1.5 10 kV變配電所繼電保護及自動裝置

配電所采用數字繼電器及通信裝置，實現全所電氣設備的測量、控制、保護等功能，并提供電力遠動接口;數字繼電器布置在高壓柜儀表單元上、通信裝置布置在控制室內。變配電所內設置視頻監控終端，并將攝像機分別布置在高壓室、調壓器等主要設備間，視頻信息通過綜合監控系統上傳到綜合調度中心。

3.2 10/0.4 kV變電所

3.2.1 變電所的設置

各車站、動車運用所、綜合維修工區負荷集中的地方設10/0.4 kV變電所，車站綜合變電所設在站房內，綜合維修工區變電所獨立設置。10/0.4 kV變電所容量及分布見表2。

表2 10 kV變電所容量及分布 kVA

3.2.2 主接線型式

10/0.4 kV變電所均為2臺變壓器各一段低壓母線，兩段低壓母線分別運行，母聯斷路器斷開;當一路電源失電或一臺變壓器因故退出運行時，母聯斷路器自動合閘，由一路電源帶全所重要負荷。

10/0.4 kV變電所10 kV側設高壓環網開關柜，變壓器通過SF6負荷開關或配電所斷路器進行保護。

3.2.3 10/0.4 kV變電所設備類型及布置

高壓環網開關柜采用SF6負荷開關，變壓器采用帶防護罩的干式變壓器，低壓開關柜采用組合式柜型并配置數字化儀表。10/0.4 kV變電所低壓開關柜內設電力運動終端，所有低壓回路均納入電力遠動系統。

3.3 電力線路

3.3.1 10 kV電力貫通線路

全線設置10 kV一級負荷貫通線和10 kV綜合負荷貫通線各1回，全部采用電纜敷設。由京滬高速鐵路工程建設的虹橋220 kV變配電所引出，經松江南10 kV配電所、嘉興南10 kV配電所、桐鄉20/10 kV變配電所，引至杭州樞紐工程建設的杭州東站35/10 kV變配電所。全部采用交聯聚乙烯絕緣非磁鎧裝的單芯銅芯電纜，分別沿鐵路兩側預制電纜槽敷設。

3.3.2 20(10)kV變配電所電源線路

根據城市規劃、地形等環境因素采用電力電纜或架空線路。電力電纜采用交聯聚乙烯絕緣鋼帶鎧裝的三芯銅芯電纜，架空線路采用鋼筋混凝土電桿、鋼芯鋁絞線、鐵橫擔。

3.3.3 站場、段所電力線路

車站站場、動車運用所、綜合維修工區內高低壓電力線路全部采用電力電纜，一般沿溝敷設，局部地段直埋敷設，過路、過軌時穿管保護敷設。

3.4 10/0.4 kV箱式變電站

3.4.1 接線型式

10/0.4 kV箱式變電站10 kV側進出線及變壓器設高壓負荷開關，采用環網接線方式，箱式變電站內負荷開關均采用電動操作機構;在全線2回10 kV電力貫通電纜線路上每隔10～15 km左右分別分散設置箱式電抗器進行無功補償，補償貫通線電纜電容電流。

3.4.2 設備類型及布置

箱式變電站采用中壓預裝箱式變電站，氣體絕緣高壓環網開關，其操作電源采用交流并配置UPS電源作為備用。

沿線區間供電的箱式變電站采用基本統一模式。通信、信號雙電源專用箱變與通信基站、信號中繼站機房相鄰設置，其他箱變獨立設置。箱式電抗器與箱式變電站相鄰布置。

箱式變電站設氣體絕緣高壓環網開關間隔和變壓器、低壓開關、電力遠動終端間隔。所有高低壓回路均納入電力遠動系統。

3.5 電力遠動

(1)全線10 kV配電所配置的綜合自動化系統、車站站房電力遠動室10/0.4 kV變電所配置的監控裝置、區間接于貫通線上的箱變內高低壓回路均納入電力遠動系統。

(2)由電力遠動系統在全線2條10 kV貫通線供電的箱變處設置電力遠動終端，負責對2條10 kV貫通線及其供電的低壓回路的電流電壓數據的采集、監控;當貫通線出現相間短路、單相接地、斷相的情況下，迅速完成對其故障區段的定位、隔離及非故障區段的恢復供電工作。

(3)電力遠動系統對電力被控設備處采集的模擬量數據(電流、電壓)可在調度端以圖形方式顯示，圖形中相鄰點間時間間隔最小為20 ms。

(4)由綜合視頻監控系統在全線各站的10 kV配電所統一配置視頻監視系統，負責對變配電所運行相關的場所進行監視。

4 新技術應用

(1)無功補償采用了在10 kV電力貫通電纜線路上分散設置電抗器補償為主、配電所集中設動態無功補償為輔的方式，起到了補償容性無功功率、降低線路容性電流、限制線路末端電壓上升的綜合作用，具有如下優點:電抗器維護較方便，可與區間箱式變壓器同時進行;分散補償能最大限度地降低線路容性電流，起到節能減排作用;投資相對較小，可采用箱式電抗器與區間箱式變電站相鄰布置;配電所集中設動態無功補償設置可以滿足電源進線功率因素要求，避免無功超標罰款。

(2)考慮到滬杭高速鐵路采用2條10 kV電力貫通線供電，供電可靠性較高，而且全電纜線路發生瞬間故障的概率較低等原因，10 kV電力貫通線系統采用中性點經低電阻接地運行方式，當發生單相接地故障，繼電保護裝置動作，及時切斷故障線路。由于采用了低電阻接地系統，中性點與大地之間用很小的電阻相連，一旦發生單相接地故障，就會產生高達幾百安培的接地電流，必須設置零序電流保護，迅速可靠地將這個電流切斷。低電阻接地系統中繼電保護的選擇性和靈敏度較好。

(3)由于綜合地線中有牽引供電系統回流通過，綜合地線中電流可達幾十安培甚至上百安培電流通過，如果電纜金屬層采用兩端接地，則電纜金屬層成為綜合地線的并聯回路，電纜金屬層長期有電流通過勢必會造成電纜發熱，甚至有電纜燒毀的危險，因此，滬杭線電力貫通線電纜金屬層的接地方式采用的是線路一端單點直接接地的方式，在線路另一端經電纜金屬護層電壓限制器接地。此種方式比采用線路兩端直接接地方式既保證了供電安全性又節省了投資。

(4)滬杭高速鐵路電力工程設計中采用了一系列新設備、新材料，如電力貫通線電纜采用不銹鋼鎧裝的單芯銅芯電纜、10 kV變配電所高壓開關柜采用了全封閉SF6絕緣開關設備(GIS)、低壓開關柜采用智能型模數化組合柜型;變壓器、調壓器采用干式節能型設備、區間負荷供電均采用統一模式的箱式變電站等。

(5)電力遠動系統實現了全線變配電所無人值班，可在調度臺上對全線的電力設施進行遙測、遙信、遙控。

5 結語

電力供電系統是確保調度指揮、信號、通信、旅客服務等系統重要負荷安全、可靠、不間斷運行的基礎設施，由于滬杭高速鐵路電力供電系統的設計采用了新技術、新材料，保證了供電的可靠性、安全性，也減少了運營單位的維修工作量。滬杭高速鐵路在試驗階段運行最高時速達到416.6 km，刷新世界鐵路運營試驗的最高時速。目前我國正在大量建設鐵路客運專線，希望本文對其他客運專線電力供電系統的設計具有一定的參考和借鑒作用。

［1］中華人民共和國鐵道部.TB10621—2009 高速鐵路設計規范(試行)［S］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［2］鐵道部專業設計院.鐵路工程設計技術手冊·電力［M］.北京:中國鐵道出版社，1991.

［3］中華人民共和國電力行業標準.DT/T620—1997 交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合［S］.

［4］中國電力企業聯合會.GB50217—2007 電力工程電纜設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2007.

［5］中華人民共和國鐵道部.TB10008—2006 鐵路電力設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2006.