高速铁路电力供电系统

001第三章 高速铁路电力供电系统高速铁路电力岗位维修人员，必须掌握高速铁路电力专业基本知识。

了解高速铁路电力供电系统和电力SCADA 系统基本原理和设计特点。

第一节 电力供电系统一、电力系统概述电力系统是由发电厂、变电站、输电线、配电系统和负荷组成的有机整体，是现代社会最重要、最庞杂的系统之一。

通常把包括动力、发电、变电、输电、配电及用电的全部系统称为动力系统。

将电力系统中输送、变换和分配电能的整个环节称为电力网。

它们的关系如图3-1所示（以水力发电为例）。

图3-1 动力系统、电力系统和电力网示意图（一）发电厂发电厂就是将煤、水力、原子能等一次能源转换为电能——二次能源的工厂。

按照发电厂所使用的一次能源不同，发电厂可分为火力发电厂、水力发电厂、原子能发电厂等，火力发电和水力发电在我国电能生产中占有很大的比例，除此之外，还有风力、地热和太阳能发电等。

（二）电力网电力网担负着将发电厂和电能用户连接起来组成系统的任务，它对于电力系统的可靠性和经济性运行有着重要的意义。

图3-2是电力系统组成示意图，虚线框内是电力系统的电力网部分。

电力网由各种电压等级的输、配电线路和变（配）电站（所）组成。

电力网的任务是将电能从发电厂输送和分配到电能用户。

按其功能常分为输电网和配电网两大部分，输电网是由220 kV及以上的输电线路和与其相连接的变电所组成，是电力系统的主要网络，其作用是将电能输送到各个地区的配电网或直接输送给大型企业用户。

配电网是由110 kV及以下的配电线路和与其相连接的配电所（或简单的配电变压器）组成，其作用是将电能输送到各类用户。

为了减少电流在输电网络上产生的电能损耗，在远距离的输电网中，一般采用超高压（330 kV以上）输电方式。

发电厂的发电机端电压不可能过高（一般为6～10 kV），电能用户的电压也不可能很高（一般为10 kV及以下），因此，电力网还担负着改变电压等级的作用，这就是变（配）电所（站）。

变电所（站）由电力变压器和配电装置组成，它是改变电压和分配电能的场所：将电压升高的称为升压变电所（站），将电压降低的称为降压变电所（站），而配电所（站）只负担分配电能的任务。

图3-2电力系统组成示意图（三）电能用户电能用户主要包括工矿企业、铁路企业和居民区等。

002工矿企业、铁路企业的电能一般取自电力系统，为了在企业内部合理、经济、可靠地分配、使用电能，往往大型企业又建构自己的供电系统。

二、高速铁路电力系统高速铁路电力系统承担着铁路运输生产调度指挥、通信信号、旅客服务等系统供电任务，是确保铁路安全、稳定、高效运营的基础设施之一。

高速铁路供配电系统主要由外部电源、变（配）电所、沿线两回高压电力贯通线路、站场电力线路构成。

为了提高高速铁路电力系统的管理水平和应急处置能力，应用先进的计算机和通信技术，将高速铁路电力设备纳入电力SCADA（数据采集与监视控制系统）系统进行远程监视和控制。

高速铁路电力系统示意图如图3-3所示。

图3-3高速铁路电力系统示意图（一）高速铁路电力系统构成1. 高速铁路电力系统的外部电源高速铁路供电电源应优先采用公共电网中可靠的外部电源。

当技术经济合理时，可与牵引变电所共用电源，外部电源应保证高速铁路电力供电的安全性、可靠性、可用性和可维护性。

一般情况下，高速铁路的配电所设置两路独立的10 kV外部电源，当枢纽地区用电容量较大，10 kV电源无法满足供电要求时，可与当地供电公司协商接引相互003独立的两路110 kV外部电源，变压后供贯通线路及枢纽动力照明负荷。

2. 电力变（配）电所高速铁路电力变（配）电所采用免维护、少维修设备，按照无人值班设计，通过SCADA系统远动操作、监视。

两路电源供电的10 kV变（配）电所应采用单母线分段接线，向区间10 kV贯通线路供电的变（配）电所应设有载调压器及专用母线段。

1）110 kV、10 kV变（配）电所①设置及其规模。

根据铁路用电负荷性质和特点，每间隔40～60 km设置铁路变（配）电所1座，向沿线一级负荷和综合负荷贯通线路供电，相邻所对贯通线路形成互供条件，需要时还可跨所供电。

110 kV变电所宜采用户外装置，在用地困难的情况下可采用户内气体绝缘配电装置（GIS）；35（10）kV变（配）电所宜采用户内成套配电装置。

②变（配）电所电气主接线。

10 kV变（配）电所电气主接线：双电源10 kV变（配）电所采用单母线分段接线，单电源10 kV变（配）电所采用单母线接线；综合负荷贯通线、一级负荷贯通线分别经调压器调压后供电。

全电缆10 kV贯通线，供电可靠性较高，发生瞬间接地故障的概率较低，接地系统按低电阻方式设计，当发生单相接地故障，继电保护装置动作，能及时切除故障区段，最大限度地恢复正常供电。

实验证明，当长电缆线路不投入线路电抗进行补偿，可安全送电80 km，但末端电压会升高7%。

为确保电网安全运行，在长电缆线路上设置电抗器，起到补偿接地电容电流、补偿容性无功功率、降低线路容性电流，限制线路末端电压上升等综合作用。

变（配）电所电气主接线图如图3-4所示。

③ 10 kV变（配）电所设备类型及布置高压开关柜采用免维护、少维修SF6气体绝缘全封闭组合电器（GIS），断路器采用真空断路器；高压无功补偿采用先进的补偿技术，进行动态跟踪补偿；变压器采用智能化、低损耗干式变压器；调压器采用干式；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。

高压开关设备及调压器分别布置在独立的房间内，变压器及低压柜布置在一个房间内。

④ 10 kV变（配）电所继电保护及自动装置。

变（配）电所采用综合自动化系统，利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信号处理技术，对配电所的二次设备（包括测量、信号、保护、控制、自动和远动装置等）进行功能的组合和优化设计，从而实现对变（配）电所的主要设备（变压器、电容补偿装置和输、配电线路等）进行自动监视、测量、控制和保004护，以及与调度通信等综合性的自动化功能。

它由保护测控单元、当地监控单元、现场总线、视频监控单元和通信单元等组成。

005006在低电阻接地系统中，中性点与大地之间用很小的电阻相连，一旦发生单相接图3-4 变（配）电所电气主接线图地故障，就会产生高达几百安培的接地电流，必须迅速可靠地将这个电流切断，必须设置零序电流保护。

由于馈出母线侧采用不接地系统，贯通母线侧采用低电阻接地系统，为确保电网安全运行，取消馈出母线与贯通母线联络开关。

以电缆为主的电力贯通线，发生瞬间接地故障的概率较低，多为永久性故障，由调度指挥备用电源投入，有利于故障处理和恢复正常运行状态，防止扩大故障范围，因此备自投一般运行在退出状态。

变（配）电所继电保护及自动装置配置情况如表3-1所示。

表3-1变（配）电所继电保护及自动装置配置单元名称继电保护自动装置电源电流速断、定时限过电流、低电压母联电流速断带故障自动闭锁功能的备用电源自投变压器电流速断、定时限过电流、温度、过负荷调压器电流速断、定时限过电流、温度、过负荷、零序过电流一般馈出线电流速断、定时限过电流单相接地信号贯通馈出线电流速断、定时限过电流、低电压、零序过电流一次自动重合闸、备用电源自投、单相接地信号无功补偿柜电流速断、过电压、低电压母线电压互感器母线绝缘监察⑤配电所房屋：区间配电所及无站房综合楼的车站配电所单独设置。

⑥值班方式：配电所采用无人值班有人值守的工作方式。

2）10/0.4 kV变电所①变电所的设置。

各站、段（所）负荷集中的地方设变电所，车站站房变电所一般与站房综合楼合建。

②接线型式。

10/0.4 kV变电所变压器由配电所主母线高压馈出回路直接供电，低压侧采用单母线分段接线并设电容补偿装置。

③变电所设备类型及布置。

高压环网开关柜采用SF6负荷开关，变压器采用干式变压器带外罩，低压开关柜采用组合式柜型并配置数字化仪表便于远方监控。

10/0.4 kV变电所内高压环网007柜、变压器、低压开关柜布置在同一房间内。

3）10/0.4 kV箱式变电站箱式变电站电源由一级负荷贯通线主供，综合电力贯通线备供，主要对区间通信、信号等一级负荷供电。

①接线型式。

10/0.4 kV箱式变电站10 kV侧进出线回路设高压负荷开关，环网接线，变压器回路采用带熔断器负荷开关保护。

箱式变电站内负荷开关均采用电动操作机构纳入SCADA系统，实现自动隔离故障电力线路、故障定位、非故障段自动恢复供电等功能。

区间10 kV电力贯通线路上设置箱式电抗器，补偿贯通线路电容电流。

②设备类型及布置。

箱式变电站采用中压预装箱式变电站，SF6负荷开关，其操作电源采用交流并配置UPS装置作为备用电源。

沿线区间供电的箱式变电站采用基本统一模式。

通信、信号双电源专用箱变与通信基站、信号中继站机房相邻设置，其他箱变独立设置。

箱式变电站设高压环网开关间隔和变压器、低压开关、RTU间隔。

3. 10 kV电力贯通线1）10 kV电力贯通线路的设置方式高速铁路设置两条10 kV电力贯通线：一条称为一级负荷贯通线，另一条称为综合负荷贯通线，分别沿铁路两侧预制电缆槽敷设。

2）高压电缆选择高压电力贯通线路和站场电力线路宜采用铜芯电缆线路，全电缆电力贯通线宜采用单芯电缆。

石太、甬台温、温福等客专贯通线路采用架空与单芯电缆混合方案。

其他客专采用全电缆电力贯通线单芯电缆。

3）接地要求单芯电缆通过电流时，金属护层会产生感应电压，如采取线路两端接地形式，金属护层会产生感应环流，在短路故障或雷击时会出现达线芯电流50%～95%的环流，不仅危及人身安全，而且降低电缆载流量，造成电缆金属护层发热，加速绝缘老化。

因此，10 kV电力贯通线电缆金属护层宜采用在线路一端或中央部位单点直接接地方式，另一端金属护层应经护层电压限制器接地。

电缆金属护层连续长度不宜大于3 km，且电缆线路的金属护层上任一点的正常感应电压最大值应符合：当未采取能有效防止人员任意接触金属护层的安全措施时，不得大于60 V；其他情况，不得大于300 V。

0084）电力电缆敷设方式交流单芯电力电缆宜采用“品”字形敷设或三相全换位敷设方法。

①路基区段：电力电缆沿两侧预留的电力电缆槽敷设，过轨时穿钢管保护。

全线路基地段两侧预留电力电缆槽，电力电缆槽设于水沟内侧的侧沟平台上；电缆过轨时在路基两侧各设置一处电缆手孔井，并考虑过轨钢管弯曲半径满足要求；路基段电力电缆槽与桥梁、隧道电力电缆槽间应设置过渡段，并满足电缆弯曲半径的要求。

②桥梁区段：电力电缆沿桥梁两侧翼仰板处预留的电力电缆槽敷设；桥梁上考虑预留电力电缆引上引下的锯齿形槽口；电缆引出电缆槽或引下桥梁采用沿设在桥墩上的电缆桥架敷设。

③隧道区段：电力电缆沿两侧预留的电力电缆槽敷设；在隧道各综合洞室及照明变电洞室内设置余长电缆腔，并满足电缆弯曲半径的要求；在隧道进出口及各综合洞室及照明变电洞室附近均设置一组过轨钢管。