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(duì)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(hào)設(shè)施的供電。20kv配電系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)有成功應(yīng)用的先例，但目前我國(guó)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(jí)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(jí)也有了發(fā)展的條件、成為研究的熱點(diǎn)，并在與10kv電壓等級(jí)相比中表現(xiàn)出了很大的優(yōu)越性。本文將從以下幾個(gè)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(shí)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(jià)格高；鋁線的最大缺點(diǎn)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(shí)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?yàn)閷?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(duì)不同電壓等級(jí)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(hào)、使用環(huán)境和敷設(shè)方式；2.選擇確定導(dǎo)線截面實(shí)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(gè)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(shí)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(shí)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(shí)，20kv宜采用交聯(lián)聚乙烯絕緣；電纜截面較大時(shí)，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(dòng)作不超過1min切除故障時(shí)，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(shí)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(duì)比對(duì)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(jí)；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(jí)取代10kv電壓等級(jí)時(shí)有：（2-2）即當(dāng)電壓等級(jí)從10kv上升到20kv時(shí)，電網(wǎng)的配電容量將增大一倍，配電網(wǎng)容載比也會(huì)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(shí)它的大小將會(huì)受到允許電壓降大小的制約。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)gb/t12325-2008電能質(zhì)量供電電壓允許偏差中對(duì)各電壓等級(jí)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(jì)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(jì)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(zhǎng)度配電線路的電阻值和電抗值，l為線路長(zhǎng)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(jí)電壓損失比為：（2-4）當(dāng)負(fù)荷相同時(shí)，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(jí)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(jì)算得出相應(yīng)的最大供電距離l。由以上公式可以得出，對(duì)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(huì)是10kv最大供電距離的2倍。2.4 導(dǎo)線截面積對(duì)比當(dāng)供電容量和供電距離不變時(shí)，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(zhǎng)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(shí)，相對(duì)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(zhǎng)株潭和廣珠城際鐵路供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中的電纜導(dǎo)線型號(hào)為例，設(shè)線路負(fù)載率為50%，功率因數(shù)為0.95，計(jì)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(hào) 安全電流（a） 線路負(fù)載率 功率因數(shù) 電壓等級(jí)（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?jí)便能夠有效提高的線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(shí)，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(duì)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(duì)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(shí)，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(duì)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(shì)。3.結(jié)束語(yǔ)綜上所述，對(duì)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(shí)，相對(duì)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