城際鐵路20kV供電線路技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

1、    城際鐵路20kv供電線路技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析    趙宗益【摘要】將城際鐵路20kv與10kv供電線路從電纜截面及絕緣選擇、供電能力和供電距離、導(dǎo)線截面積、配電變壓器功率損耗進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比，分析了20kv供電線路在城際鐵路中應(yīng)用的優(yōu)越性?！娟P(guān)鍵詞】城際鐵路；20kv；供電線路；技術(shù)經(jīng)濟(jì)性；1引言城際鐵路電力供電系統(tǒng)主要是為除牽引供電系統(tǒng)以外的所有鐵路設(shè)施提供電能，承擔(dān)鐵路沿線的車站以及信號設(shè)施的供電。20kv配電系統(tǒng)在國內(nèi)有成功應(yīng)用的先例，但目前我國鐵路主要采用10kv電力供電系統(tǒng)，隨著地方中壓配電網(wǎng)20kv電壓等級的發(fā)展，特別在東部城市密集區(qū)，城

2、際鐵路系統(tǒng)電力供電系統(tǒng)采用20kv電壓等級也有了發(fā)展的條件、成為研究的熱點，并在與10kv電壓等級相比中表現(xiàn)出了很大的優(yōu)越性。本文將從以下幾個方面進(jìn)行論述。2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析2.1 電纜截面積選擇導(dǎo)線截面原則上根據(jù)實際工況選擇滿足技術(shù)與經(jīng)濟(jì)條件的電線或電纜截面。銅導(dǎo)電性能好，抗腐蝕能力強(qiáng)，容易焊接，但銅線的價格高；鋁線的最大缺點是機(jī)械強(qiáng)度低，允許應(yīng)力小，為了加強(qiáng)鋁線的機(jī)械強(qiáng)度，往往采用絞線，有時用抗張強(qiáng)度為1200n/mm2的鋼作為芯線，鋁線絞在鋼芯外面，作導(dǎo)電主體，這種線即為鋼芯鋁絞線。為了保證導(dǎo)線在運(yùn)行中有足夠的機(jī)械過載能力，要求電纜導(dǎo)線的截面積不能太小，因為導(dǎo)線截面積越小，其機(jī)械負(fù)載能力

3、也越小。在gy326-1998架空線路的導(dǎo)線架設(shè)工藝標(biāo)準(zhǔn)對不同電壓等級的配電線路和不同材料的導(dǎo)線分別規(guī)定了最小的允許截面積，如表2-1所示表2-1 配電線路允許的導(dǎo)線最小截面積（mm2）導(dǎo)線種類 10kv 1kv以下居民區(qū) 非居民區(qū)鋁絞線 35 25 1625鋼芯鋁絞線 25 1625 1625銅絞線 16 16 直徑3.24.0mm導(dǎo)線選擇的內(nèi)容可概括為兩方面：1.確定供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)線型號、使用環(huán)境和敷設(shè)方式；2.選擇確定導(dǎo)線截面實際截面大小。從導(dǎo)線安全運(yùn)行的角度出發(fā)，至少應(yīng)考慮滿足兩個基本的要求：架空線路承受機(jī)械強(qiáng)度的能力和導(dǎo)線發(fā)熱最高允許工作溫度。承受機(jī)械強(qiáng)度能力決定了導(dǎo)線的最小允許截

4、面，參見表2-1。電纜芯線截面的選擇還要按輸送容量、經(jīng)濟(jì)電流密度、熱穩(wěn)定性、允許電壓損失、敷設(shè)方式等一般條件校核。此外，主干線電纜截面應(yīng)力求一致，預(yù)留容量，一次埋入。同一地區(qū)電纜截面不宜多余23種，必要時經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證選取。絕緣電力電纜的品種規(guī)范很多，交聯(lián)聚乙烯電纜（xlpe）是上世紀(jì)60年代以后技術(shù)發(fā)展最快的電纜品種，目前中壓配電網(wǎng)實用的幾乎全部都是交聯(lián)聚乙烯電纜。10kv電纜與20kv電纜在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和制造工藝方面沒有什么差別，所不同的只是耐壓強(qiáng)度，或者說是絕緣厚度有所不同，電纜附件（電纜終端等）則還要考慮爬電距離。2.2 電纜絕緣選擇根據(jù)q/csg 11061-200720kv配電設(shè)備技

5、術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（試行），當(dāng)采用電力電纜時，20kv宜采用交聯(lián)聚乙烯絕緣；電纜截面較大時，宜選用單芯、銅芯電纜。電纜纜芯與絕緣屏蔽或金屬套之間額定電壓應(yīng)符合下列規(guī)定及表2-2：1） 經(jīng)低電阻接地的系統(tǒng)，接地保護(hù)動作不超過1min切除故障時，應(yīng)符合100%的使用回路工作相電壓的要求，即采用12/20kv電壓的電纜；2）低電阻接地以外的接地系統(tǒng)，應(yīng)符合133%的使用回路工作相電壓的要求，即采用18/20kv電壓的電纜。b類-單相接地故障時間<8h，c類-a類、b類以外的條件架空絕緣電纜 20（24）2.3 供電能力和供電距離對比對比20kv和10kv的配電系統(tǒng)，在供電容量，導(dǎo)線截面積、供電半徑等方面的

6、不同限制條件下，可作如下分析。（2-1）其中： s 供電視在功率（配電容量）；額定電壓等級；線路導(dǎo)線在環(huán)境條件下的持續(xù)載流量。當(dāng)保持線路導(dǎo)線截面和供電半徑不變的情況下，用20kv電壓等級取代10kv電壓等級時有：（2-2）即當(dāng)電壓等級從10kv上升到20kv時，電網(wǎng)的配電容量將增大一倍，配電網(wǎng)容載比也會相應(yīng)的提高一倍。除此之外，供電距離不但受到輸送功率大小的限值，同時它的大小將會受到允許電壓降大小的制約。在國家標(biāo)準(zhǔn)gb/t12325-2008電能質(zhì)量供電電壓允許偏差中對各電壓等級電壓降作出了規(guī)定：20kv及以下三相供電電壓偏差為標(biāo)稱電壓的±7%。由以上標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程的要求便可以計算出中壓

7、配電網(wǎng)受電壓降約束下的最大供電距離。線路電壓降的百分比計算公式如下：（2-3）其中：r、x為配電線路的阻抗值和電抗值；r、x為單位長度配電線路的電阻值和電抗值，l為線路長度；p、q為線路輸送的有功功率和無功功率。由上可得兩電壓等級電壓損失比為：（2-4）當(dāng)負(fù)荷相同時，則 ；如果20kv輸送功率增加一倍，也有 。由式（2-3）可得，最大供電距離的公式如下：（2-5）即根據(jù)線路的在某一電壓等級下的最大電壓降落百分?jǐn)?shù) 和每條線路上的額定輸送容量即可計算得出相應(yīng)的最大供電距離l。由以上公式可以得出，對于20kv和10kv來說，如果最大電壓降落百分?jǐn)?shù)相同且輸送容量大小相等，則20kv的最大供電距離是10

8、kv的4倍；如果最大電壓降落百分?jǐn)?shù)相同的情況下，考慮20kv輸送容量提高到10kv 的2倍，則20kv的最大供電距離也會是10kv最大供電距離的2倍。2.4 導(dǎo)線截面積對比當(dāng)供電容量和供電距離不變時，取相同的最大電壓降落百分?jǐn)?shù)，則根據(jù)式（2-3）有（2-6）將單位長度導(dǎo)線電阻 ， 、 代入上式有（2-7）根據(jù)式2-7可以看出，若供電容量和距離不變時，相對于10kv，20kv電壓可以較大的減小線路電纜的截面積（具體數(shù)值要因線路電抗而異），進(jìn)而減少了線路建設(shè)投資。以長株潭和廣珠城際鐵路供電系統(tǒng)設(shè)計方案中的電纜導(dǎo)線型號為例，設(shè)線路負(fù)載率為50%，功率因數(shù)為0.95，計算單回中壓線路的輸送容量如表2-

9、3。表2-3 中壓配電線路輸送容量電纜導(dǎo)線型號 安全電流（a） 線路負(fù)載率 功率因數(shù) 電壓等級（kv） 線路有功（kw）yjv22-300 630 50% 0.95 10 518320 10366yjv22-120 375 50% 0.95 10 308520 6170yjv22-35 190 50% 0.95 10 156320 3126由表2-3可以看出，如果適當(dāng)?shù)奶岣吲潆婋妷旱燃壉隳軌蛴行岣叩木€路中的傳送功率并且能夠減少變電站出線間隔的需求數(shù)量。在城際鐵路就近取用地方配電電源時，選用20kv電源受到容量限制的可能性就比10kv電源小。2.5 功率損耗對比配電電壓升壓后，極大地降低了線路

10、損耗，但亦可能增加配電變壓器的損耗。線路功率損耗為：（2-8）在輸送功率與線路截面積相同的條件下，線路損耗與運(yùn)行電壓的平方成反比。電壓由10kv升至20kv后，輸送相同功率，線路電流減少50%，線路電能損耗可降低75%。對于相同容量的配電變壓器，負(fù)載損耗和空載損耗隨著電壓的升高而增加。20kv和10kv配電變壓器的空載及短路損耗相差不多，而電壓升高至35kv時，配變的負(fù)載損耗要比10kv高25%左右，空載損耗高10%左右。以s9系列配變?yōu)槔?，其損耗參數(shù)如表2-4所示。表2-4 s9系列配變的損耗參數(shù)配變?nèi)萘浚╧va） 變比（kv） 空載損耗p0（kw）（比例） 短路損耗pk（kw）（比例）50

11、0800 35/0.4 0.761.05（1.121.07） 6.559.35（1.281.25）20/0.4 0.680.98（11） 5.668.25（1.111.10）10/0.4 0.680.98（11） 5.17.5（11）由上述分析可以，20kv電壓不僅相對于原來的10kv電壓大大降低了線路損耗，而且配電變壓器的損耗也并未明顯增加。綜合考慮，20kv有著明顯的節(jié)能降耗優(yōu)勢。3.結(jié)束語綜上所述，對于20kv和10kv來說，如果最大電壓降落百分?jǐn)?shù)相同且輸送容量大小相等，則20kv的最大供電距離是10kv的4倍；若供電容量和距離不變時，相對于10kv，20kv電壓可以較大地減小線路電纜的截面，減少了線路建設(shè)投資，且配電變壓器的損耗也并未