沪杭高速铁路电力供电系统设计

徐 悌

(中铁第四勘测设计集团有限公司，武汉 430063)

1 工程概况

沪杭高速铁路连接上海与杭州，是中国“四纵四横”客运专线网络中沪昆客运专线的组成部分，该工程由上海虹桥站引出，经松江南、金山北、嘉善南、嘉兴南、桐乡、海宁西、余杭南引入杭州东站，并通过联络线与上海南站、杭州站相接，正线全长153.5 km，其中87%为桥梁工程，全线设车站9座、线路所3座、动车运用所1座。

2 电力供电方案

2.1 电力供电系统组成

沪杭高速铁路电力供电系统主要由从国家电网公司接引的高压电源线路、(20)10 kV变配电所、沿线2路10 kV电力贯通线路、站场及区间高低压电力线路、10/0.4 kV变电所、箱式变、室外照明、动力配线、机电设备监控系统、消防自动报警系统、防雷接地等部分组成。全线电力远动设施纳入铁路供电调度系统统一调度管理。

2.2 供电原则

(1)电力供电系统必须满足客运专线安全、可靠供电的要求，并满足免维护、少维修、10 kV及以上变配电所无人值守的原则要求。

(2)为保证各用电设备的可靠安全用电，电力供电系统应保证各级供配电系统的相互匹配，除发生大面积自然灾害(如地震、战争、电网崩溃等)或故意损坏外，其可靠性满足每天24 h的运输需要(含“维修天窗”时间)。

(3)电力供电系统的主要设备标准为模数化、标准化、免维护、少维修。

(4)电力供电系统与铁路行车和运输安全密切相关，所有客运专线各个等级负荷的电源均自电力供电系统接引。

(5)与行车相关的一级负荷或重要负荷至少从供电网络接取2路独立电源。

3 电力设计主要内容

3.1 20(10)kV变配电所

3.1.1 (20)10 kV配电所设置

结合各站负荷情况和供电臂距离，全线新建松江南、嘉兴南、桐乡新共计3座(20)10 kV变配电所，由于站房建设工期往往与四电设备调试工期相矛盾，为减少建设工期，以上各所均为独立建设房屋的变配电所;为节约建筑面积，房屋建筑形式为平房式。

3.1.2 变配电所规模及电源情况

松江南10 kV配电所从地方变电站接取两路独立专屏专线的10 kV电源;嘉兴南10 kV配电所从地方变电站接取2路独立专屏专线的10 kV电源，根据地方电网规划及供电公司要求，电源线采用20 kV电缆，预留20 kV条件;桐乡20/10 kV变配电所从地方变电站接取2路独立专屏专线高压电源20 kV电源。

配电所规模及电源情况见表1。

表1 (20)10 kV变配电所规模及电源情况

3.1.3 配电所电气主接线

(20)10 kV变配电所采用单母线分段接线方式，为了减少初期投资和方便今后增容，经过技术经济比较，桐乡(20)10 kV变配电所主母线采用了20/10 kV变压器降压后供给车站综合变压器和贯通线，10 kV贯通线经调压器调压后设置贯通母线供电;10 kV主母线采用不接地系统，贯通线中性点采用低电阻接地系统，接地电阻不大于10Ω。

3.1.4 10 kV变配电所设备类型

10 kV高压开关柜采用免维护、少维修SF6气体绝缘开关柜(GIS)，断路器为真空断路器;10/10 kV调压器采用干式调压器。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。

3.1.5 10 kV变配电所继电保护及自动装置

配电所采用数字继电器及通信装置，实现全所电气设备的测量、控制、保护等功能，并提供电力远动接口;数字继电器布置在高压柜仪表单元上、通信装置布置在控制室内。变配电所内设置视频监控终端，并将摄像机分别布置在高压室、调压器等主要设备间，视频信息通过综合监控系统上传到综合调度中心。

3.2 10/0.4 kV变电所

3.2.1 变电所的设置

各车站、动车运用所、综合维修工区负荷集中的地方设10/0.4 kV变电所，车站综合变电所设在站房内，综合维修工区变电所独立设置。10/0.4 kV变电所容量及分布见表2。

表2 10 kV变电所容量及分布 kVA

3.2.2 主接线型式

10/0.4 kV变电所均为2台变压器各一段低压母线，两段低压母线分别运行，母联断路器断开;当一路电源失电或一台变压器因故退出运行时，母联断路器自动合闸，由一路电源带全所重要负荷。

10/0.4 kV变电所10 kV侧设高压环网开关柜，变压器通过SF6负荷开关或配电所断路器进行保护。

3.2.3 10/0.4 kV变电所设备类型及布置

高压环网开关柜采用SF6负荷开关，变压器采用带防护罩的干式变压器，低压开关柜采用组合式柜型并配置数字化仪表。10/0.4 kV变电所低压开关柜内设电力运动终端，所有低压回路均纳入电力远动系统。

3.3 电力线路

3.3.1 10 kV电力贯通线路

全线设置10 kV一级负荷贯通线和10 kV综合负荷贯通线各1回，全部采用电缆敷设。由京沪高速铁路工程建设的虹桥220 kV变配电所引出，经松江南10 kV配电所、嘉兴南10 kV配电所、桐乡20/10 kV变配电所，引至杭州枢纽工程建设的杭州东站35/10 kV变配电所。全部采用交联聚乙烯绝缘非磁铠装的单芯铜芯电缆，分别沿铁路两侧预制电缆槽敷设。

3.3.2 20(10)kV变配电所电源线路

根据城市规划、地形等环境因素采用电力电缆或架空线路。电力电缆采用交联聚乙烯绝缘钢带铠装的三芯铜芯电缆，架空线路采用钢筋混凝土电杆、钢芯铝绞线、铁横担。

3.3.3 站场、段所电力线路

车站站场、动车运用所、综合维修工区内高低压电力线路全部采用电力电缆，一般沿沟敷设，局部地段直埋敷设，过路、过轨时穿管保护敷设。

3.4 10/0.4 kV箱式变电站

3.4.1 接线型式

10/0.4 kV箱式变电站10 kV侧进出线及变压器设高压负荷开关，采用环网接线方式，箱式变电站内负荷开关均采用电动操作机构;在全线2回10 kV电力贯通电缆线路上每隔10～15 km左右分别分散设置箱式电抗器进行无功补偿，补偿贯通线电缆电容电流。

3.4.2 设备类型及布置

箱式变电站采用中压预装箱式变电站，气体绝缘高压环网开关，其操作电源采用交流并配置UPS电源作为备用。

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。箱式电抗器与箱式变电站相邻布置。

箱式变电站设气体绝缘高压环网开关间隔和变压器、低压开关、电力远动终端间隔。所有高低压回路均纳入电力远动系统。

3.5 电力远动

(1)全线10 kV配电所配置的综合自动化系统、车站站房电力远动室10/0.4 kV变电所配置的监控装置、区间接于贯通线上的箱变内高低压回路均纳入电力远动系统。

(2)由电力远动系统在全线2条10 kV贯通线供电的箱变处设置电力远动终端，负责对2条10 kV贯通线及其供电的低压回路的电流电压数据的采集、监控;当贯通线出现相间短路、单相接地、断相的情况下，迅速完成对其故障区段的定位、隔离及非故障区段的恢复供电工作。

(3)电力远动系统对电力被控设备处采集的模拟量数据(电流、电压)可在调度端以图形方式显示，图形中相邻点间时间间隔最小为20 ms。

(4)由综合视频监控系统在全线各站的10 kV配电所统一配置视频监视系统，负责对变配电所运行相关的场所进行监视。

4 新技术应用

(1)无功补偿采用了在10 kV电力贯通电缆线路上分散设置电抗器补偿为主、配电所集中设动态无功补偿为辅的方式，起到了补偿容性无功功率、降低线路容性电流、限制线路末端电压上升的综合作用，具有如下优点:电抗器维护较方便，可与区间箱式变压器同时进行;分散补偿能最大限度地降低线路容性电流，起到节能减排作用;投资相对较小，可采用箱式电抗器与区间箱式变电站相邻布置;配电所集中设动态无功补偿设置可以满足电源进线功率因素要求，避免无功超标罚款。

(2)考虑到沪杭高速铁路采用2条10 kV电力贯通线供电，供电可靠性较高，而且全电缆线路发生瞬间故障的概率较低等原因，10 kV电力贯通线系统采用中性点经低电阻接地运行方式，当发生单相接地故障，继电保护装置动作，及时切断故障线路。由于采用了低电阻接地系统，中性点与大地之间用很小的电阻相连，一旦发生单相接地故障，就会产生高达几百安培的接地电流，必须设置零序电流保护，迅速可靠地将这个电流切断。低电阻接地系统中继电保护的选择性和灵敏度较好。

(3)由于综合地线中有牵引供电系统回流通过，综合地线中电流可达几十安培甚至上百安培电流通过，如果电缆金属层采用两端接地，则电缆金属层成为综合地线的并联回路，电缆金属层长期有电流通过势必会造成电缆发热，甚至有电缆烧毁的危险，因此，沪杭线电力贯通线电缆金属层的接地方式采用的是线路一端单点直接接地的方式，在线路另一端经电缆金属护层电压限制器接地。此种方式比采用线路两端直接接地方式既保证了供电安全性又节省了投资。

(4)沪杭高速铁路电力工程设计中采用了一系列新设备、新材料，如电力贯通线电缆采用不锈钢铠装的单芯铜芯电缆、10 kV变配电所高压开关柜采用了全封闭SF6绝缘开关设备(GIS)、低压开关柜采用智能型模数化组合柜型;变压器、调压器采用干式节能型设备、区间负荷供电均采用统一模式的箱式变电站等。

(5)电力远动系统实现了全线变配电所无人值班，可在调度台上对全线的电力设施进行遥测、遥信、遥控。

5 结语

电力供电系统是确保调度指挥、信号、通信、旅客服务等系统重要负荷安全、可靠、不间断运行的基础设施，由于沪杭高速铁路电力供电系统的设计采用了新技术、新材料，保证了供电的可靠性、安全性，也减少了运营单位的维修工作量。沪杭高速铁路在试验阶段运行最高时速达到416.6 km，刷新世界铁路运营试验的最高时速。目前我国正在大量建设铁路客运专线，希望本文对其他客运专线电力供电系统的设计具有一定的参考和借鉴作用。

［1］中华人民共和国铁道部.TB10621—2009 高速铁路设计规范(试行)［S］.北京:中国铁道出版社，2009.

［2］铁道部专业设计院.铁路工程设计技术手册·电力［M］.北京:中国铁道出版社，1991.

［3］中华人民共和国电力行业标准.DT/T620—1997 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合［S］.

［4］中国电力企业联合会.GB50217—2007 电力工程电缆设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2007.

［5］中华人民共和国铁道部.TB10008—2006 铁路电力设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2006.