東非鐵路電力供電系統關鍵技術分析

谷千偉

0 引言

為使中國鐵路建設標準更好地運用于非洲鐵路，及國內電力設計經驗在非洲落地生根，并服務于“一帶一路”倡議和“中國制造2025”方針，東非地區采用中國標準建設的鐵路應運而生，如蒙內鐵路、內馬鐵路、亞吉鐵路、坦盧鐵路等[1]。本文以肯尼亞內馬鐵路為例，通過分析東非鐵路標準與中國標準不同之處，對5 個關鍵技術進行分析研究，以期為東非鐵路電力系統設計提供參考。

內馬鐵路全長120 km，共設置車站6 座。根據當地電源情況，全線利用既有Nairobi Terminus站66/11 kV 雙電源變電所，新建Ngong 站和Maai Mahiu 站66/33 kV 單電源變電所。由既有Nairobi Terminus站66/11 kV 變電所饋出一回11 kV貫通線至DK26+300 處；由Ngong 站66/33 kV 變電所饋出一回33 kV 貫通線至Maai Mahiu 站；由Maai Mahiu 站66/33 kV 變電所饋出兩回33 kV 貫通線，其中一回向小里程饋至Ngong 站，另一回向大里程饋至DK120 處。車站供電示意圖見圖1。

圖1 內馬鐵路車站供電示意圖

1 網絡電壓等級選擇

我國普速鐵路外部電源接引電壓多采用10 kV，具有投資小、易接取、相關設備成熟、運行經驗多等特點，電力貫通線也多采用10 kV 供電。

東非地區中壓系統一般有11、33 kV 兩種電壓等級，分別對應國內的10、35 kV。經調查，東非電能十分匱乏，電力線路建設標準低，電網運行不穩定，特別是中低壓電力線路斷電頻繁，供電可靠性低，普遍采用木質支柱，傾斜現象常見。內馬鐵路沿線11 kV 線路稀疏且停電現象嚴重，沿線未見33 kV 線路。若采用國內習慣做法，各車站接引11 kV 外電源，則存在對外接口談判任務繁重、外電施工工期長、外電質量差等問題。綜合考慮非洲當地用電設備容量和特性、電源線路長度、外電現狀及其近遠期規劃等因素，進行技術分析和經濟性比較，11、33 kV 相關技術參數比較如表1 所示。

表1 11、33 kV 電力系統壓降、造價、供電能力比較

因此，從造價、電能質量、壓降方面考慮，采用11 kV 鐵路供電系統不滿足規范要求，33 kV 系統能較好地適用于東非地區。

2 供電系統接地方式選擇

2.1 鐵路電力系統接地方式

按照TB 10008—2015《鐵路電力設計規范》[2]規定，中性點接地方式的選擇由線纜類型、持續供電能力、設備的絕緣水平、繼電保護要求和通信信號線纜的抗干擾要求等因素決定。

當電容電流較大時，國內外普遍采用消弧線圈或小電阻接地方式，如德國、法國、俄羅斯等國采用消弧線圈接地，美國采用小電阻接地，我國的北上廣深津等地區采用小電阻接地，其他城市多采用消弧線圈接地。

2.2 電容電流分析

當無架空地線時，架空線單相接地故障電容電流[3]計算見式（1）；電纜單相接地電容電流計算見式（2）。

式中：U為標稱電壓，kV；L為供電臂長度，km。

關于估算式的幾點說明：（1）式（1）中的“1.1”為考慮水泥桿、鐵塔提高10%；（2）同桿雙回架空線電容電流是單回的1.4 倍；（3）實測表明，架空線電容電流夏季比冬季提高10%；（4）考慮到電纜材料、線路T 接、諧波影響，電纜電容電流實測值在估算式基礎上增加20%；（5）對于變電所增容系數，11 kV 系統取1.16，33 kV 系統取1.13。

2.3 東非鐵路電力系統中性點接地方式選擇

根據式（1）、式（2），計入變電所設備增流因素后，Nairobi Terminus 站66/11 kV 變電所、Ngong站和Maai Mahiu 站66/33 kV 變電所單相接地故障電容電流如表2 所示。

表2 變電所單相接地故障電容電流

根據上述計算結果：3 座變電所單相故障電容電流均大于10 A，國內一般采用消弧線圈接地方式，可降低殘余電流并提高可靠性。根據肯尼亞當地電力局要求，所有電力系統必須采用有效接地方式。結合既有Nairobi Terminus 66/11 kV 變電所采用Y-Δ型繞組，故該變電所11 kV 側采用Zn 型接地變壓器以及小電阻接地裝置有效接地方式，實現零序保護可靠動作且兼具極好靈敏性；Ngong 66/33 kV 變電所和Maai Mahiu 66/33 kV 變電所采用Y-Y-Δ（開口）型繞組，33 kV 側直接接地方式，配套接地裝置以及零序過流和零序速斷保護。

3 變電所無功補償設置

東非鐵路設計標準較低、里程短，66/33 kV 變電所采用高壓集中無功補償裝置，33/0.4 kV 箱式變電站采用低壓集中無功補償裝置。既有Nairobi Terminus 66/11 kV 變電所原無功補償容量能滿足新增內馬鐵路DK0～DK26+300 供電臂要求。Ngong站和Maai Mahiu 站66/33 kV 變電所供電臂采用架空線和電纜混合供電方式，經分析采用SVG 雙向動態無功補償裝置。

內馬鐵路DK31+900—DK120+000 采用33 kV架空線和電纜混合的供電方式，根據全線供電線纜數量，取以下兩種極端情況分別作為無功補償容量選擇的上、下限值：（1）變壓器感性無功容量取計算容量的5%，經計算，當變壓器負載率5%，功率因數cosα= 0.95 時，補償情況如表3 所示；（2）當變壓器負載率85%，功率因數cosα= 0.95 時，補償情況如表4 所示。經分析，系統所需補償輸出計算容量為?400～1 600 kVar。

表3 變壓器補償情況（負載率5%，cos α = 0.95）

表4 變壓器補償情況（負載率85%，cos α = 0.95）

考慮東非地區氣候溫度、海拔、線路施工誤差、設備生產誤差等因素，建議補償容量不小于計算容量的1.1 倍，即可取?450～1 800 kVar。根據現場無功補償裝置運行狀態監測，目前運轉狀態良好，無功補償后功率因數完全滿足當地電力局要求。

還需要特別指出：（1）無論是施工臨時用電還是永久工程用電，必須設置無功補償，以滿足當地電力局對功率因數的要求，否則將面臨較大罰款；（2）考慮到東非鐵路經常停電，補償容量按照跨區跨所供電考慮，即Ngong 66/33 kV變電所和Maai Mahiu 66/33 kV 變電所均補償?450～1 800 kVar。

4 高低壓保護設置

一般情況下，東非鐵路電力系統高低壓保護設置情況與國內相同，在過流保護和缺相保護方面要求較高，本節僅對此進行分析。

4.1 反時限過流保護

反時限過流保護的特性是保護裝置動作時限與短路電流成反比，裝置越靠近電源，保護動作時間越短。在我國，反時限過電流保護逐漸被廣泛應用于配電線、變壓器、電動機等系統中[4]。

東非地方電力局提出，高壓進線側過流保護及零序保護必須設置為反時限保護，鑒于此，建議今后東非鐵路電力項目設計（圖紙及技術規格書）中，規定高壓進線處過流保護及零序保護增設可選反時限保護。

4.2 缺相保護

國內電力設備缺相保護的設置情況：對于單臺容量小于1 000 kV·A 的干式變壓器和單臺容量小于800 kV·A 的油浸式變壓器，高壓側采用熔斷器保護，不要求高壓設備設置欠壓和缺相保護；對于低壓設備，除熔斷器保護的連續運行的電動機外，一般不設置缺相保護，低壓線路缺相時，三相電流不平衡，漏電保護裝置作用于跳閘，如空調插座、普通插座等[5]。

考慮到東非地區電能質量差，高低壓缺相保護動作的現象頻發，對于變壓器高壓側采用熔斷器的情況，必須在變壓器低壓出線斷路器處設置缺相保護，以確保高低壓設備安全運行。

5 鐵路貫通線路優化

東非地區土壤以黑棉土為主，常年無冰，我國鐵路電力架空線相關圖集不能滿足東非環境的要求，需要對電桿、橫擔、拉線、拉盤、卡盤、底盤、檔距等進行重新設計。

另外，還需要強調拉線絕緣子的設置。在國內，鋼筋混凝土電桿拉線僅當拉線從導線之間穿過時才設置拉線絕緣子，其他情況一般不裝設拉線絕緣子。在東非地區，設置拉線絕緣子的情況普遍存在，鐵路電力貫通線必須采用拉線絕緣子。

6 結語

本文借鑒蒙內鐵路、內馬鐵路、亞吉鐵路、坦盧鐵路等的建設經驗，以內馬鐵路為例，總結了東非鐵路和中國鐵路在電力供電系統設計方面的差異，分析采用33 kV 供電系統比較適合電網匱乏的東非地區，供電系統必須采用中性點有效接地方式，施工用電和永久工程用電均需設置無功補償和按照跨區跨所計算補償容量，必須設置反時限過流保護和缺相保護，電力架空線圖集的設計和設置拉線絕緣子的必要性等5 個方面。本文通過借鑒國內項目經驗，將國內鐵路設計標準加以優化，與中非鐵路電力設計標準相結合，對其他非洲鐵路建設項目具有借鑒意義。