表1电力配电所布置方案
序号配电所名称配电所里程预期规模电源1池州配电所AK0+1002进10出两路地方电源，专屏专线2九华山配电所AK25+8002进10出两路地方电源，专屏专线3太平湖配电所AK45+8002进10出两路地方电源，专屏专线4宏村站配电所AK88+5002进10出两路地方电源，专屏专线5黄山北配电所AK126+2002进12出两路地方电源，专屏专线
季 昉
(中铁上海设计院集团有限公司， 上海 200070)
摘 要：高速铁路电力供电电压等级及配电方式的选择是影响工程供配电系统技术标准选择、项目投资多寡以及运营维管工作量大小的决定性因素。规划设计中的池州至黄山(地区)铁路是以承担跨线中长途客流为主、旅游观光客流为辅、兼顾城际客流的客运专线。本文基于项目前期用电负荷的估算情况，结合地区电网现状，提出了10 kV和35 kV两种电压级别的电力供电方案，通过损耗、压降、充电功率补偿等技术标准比较，综合考虑投资及运营成本，推荐10 kV电压等级供电方案，并从旅游城市市容美观考量出发推荐全电缆敷设方式。同时，文章还从技术、项目前期经济投入及项目后期运营等方面为区间及站区配电方式选择提供了原则性建议。
关键词：高速铁路； 供配电系统； 供电电压等级； 充电容量补偿； 配电方式
Abstract： The electric power supply voltage level and distribution modes in high speed railway engineering are decisive factors in technical standard selection, investment amount and operation, maintenance and management workload. Chizhou Huangshan high speed railway in planning is an intercity dedicated passenger line which will undertake not only medium and long distance passenger flows but also tourist flows. Two electric power supply schemes with 10 kV and 35 kV voltage levels are proposed in this paper based on estimate of the pre-project power load and the regional power grid situation. By comparing the technical standards such as energy loss, voltage drop and charging power compensationand overall consideration of the investment and operation cost, 10 kV voltage electric power supply plan is recommended. Taking the city appearance into consideration, it is wise to use full cables laying. Meanwhile the paper provides principled recommendations on the selection of power distribution modes for section and station area from technology, economical input and post-stage operation, etc..
Keywords：high-speed railway; electric supply and distribution system; voltage grade of electric supply system; capacitance current compensation; distribution modes
高速铁路具有载客量大、速度快、安全性好、准点率高等诸多优点，随着近年来国内高速铁路网络的发展和延伸，越来越多的人倾向于选择乘坐高速铁路出行。
规划设计中的池州至黄山(地区)铁路设计行车速度为350 km/h，是武汉至杭州快速铁路通道的组成部分。池黄铁路线路位于安徽省南部，经由九华山、太平湖、黄山等风景名胜区，是一条黄金旅游线路，同时也是以承担跨线中长途客流为主、旅游观光客流为辅、兼顾城际客流的客运专线。密集的客流对本线区间设备及客运站的供电可靠性和供电质量提出了更高的要求。本文根据池黄铁路项目初期主体方案，结合项目沿线区域地方电网现状及电力负荷估算情况，从配电所电源选择、沿线及站区配电方案设计等方面对池黄铁路电力供配电系统设计进行探讨，为本工程后续设计阶段中的供配电系统设计提出方向性建议，并希望能为今后路网内类似规模及型式项目的电力供配电系统设计提供参考。
高速铁路沿线电力配电所的设置方案是电力供电系统方案设计中的重要部分。近年来，高速铁路项目中电力配电所的设置逐渐趋向于结合沿线车站的布点方案，按照“每站一所”的设计思路灵活调整沿线电力配电所的设置间距，以缩短部分配电所间的供电臂长度，增加沿线区间设备供电可靠性。在线路实际投入运行后，运营维管部门反馈良好。
池黄铁路地处安徽省境内，池州电网处于安徽电网的南部末端，电源主要来自于九华电厂(通过220 kV九池I线4881、九池Ⅱ线4882受电)、500 kV官山变(通过220 kV官观4D55线受电)、陈村水电站(通过110 kV陵陈432线受电)和贵池电厂。贵池电网目前投运有百安、齐山变电站等数十座变电站，并于2016年6月投运了涓桥500 kV变电站及官山-涓桥500 kV双电源线路，使电网主网架由220 kV提升为500 kV，从根本上解决了该区域电网电能输入瓶颈，极大提高了区域供电能力和供电可靠性。黄山地区先后建设了110 kV寨西、35 kV白鹅岭、35 kV温泉等变电站，对重要单位进行双电源改造，新建10 kV开关站2座，并将核心景区的户外油浸式变压器全部改造成配电房干式变压器，全面实现了核心景区的供电双保险。
由此可见本线沿线地方电网较发达，电网覆盖率较高，区域电网电源情况良好，有丰富的10 kV及35 kV线路馈出条件，对重要负荷有能力实现两路电源供电。因此本工程完全具备按照“每站一所”原则配置电力配电所的客观条件。结合车站设置方案及地方电网供电能力，池黄铁路电力配电所布点方案如表1所示。
表1电力配电所布置方案
铁路用电负荷主要有沿线各车站、段(所)及区间通信基站、信号中继站等室内外通信、信号、信息、自然灾害及异物侵限监测系统、暖通、给排水等设备负荷以及各电气化所用电和室内外照明等负荷。
根据现行TB 10621-2014《高速铁路设计规范》，与行车密切相关的通信信号信息及灾害监测系统、电力及电力牵引供电各所操作电源、大型站公共区域照明、应急照明及隧道应急照明、消防用电设备、隧道防灾救援设备、客票系统及旅客服务信息系统等划分为一级负荷，由两路独立电源供电；为通信信号信息等主要设备配置的专用空调、接触网远动开关操作电源、动车组检修设备、综合检测、工务机械、综合维修、给排水设施、区间视频监控设备及道岔融雪设备等划分为二级负荷，由两回路电源或一路可靠电源供电。其它为三级负荷，由一路电源供电。立交桥(涵)雨水泵站负荷等级不低于二级[1]。
根据相关设备使用方提供的用电需求，采用需要系数法计算全线新增负荷情况。通信、信号、信息等设备需要系数取0.7～0.9，水泵设备需要系数取0.6～0.8，空调等动力设备需要系数取0.6～0.8，末端变电设备计算负荷的同时系数取0.8～1，配电所及总降压所的总计算负荷同时系数取0.8～0.9[9]，沿线区间及车站用电负荷估算如表2所示。
表2沿线区间及车站用电负荷估算表
接轨站新增负荷由既有配电所承担，本线区间及新建站的新增负荷由各新设配电所承担，则新设配电所承担的负荷容量平均约 2 200 kVA。
3.1 供电线路设计气象条件
池州地区地处亚热带北缘，属温暖湿润的亚热带季风气候，四季分明，气候湿润，雨量充沛。池州地区年平均气温16.7℃，一月份平均气温最低为3.5℃，七月份平均气温最高为28.7℃，极端最低气温为-16℃，极端最高气温为40.9℃。年均降水量为 1 400～2 200 mm，夏季常有暴雨，大风日数多。根据气象资料，初步选定设计气象组合条件为最大风速25 m/s，最低温度-15℃，覆冰厚度5 mm。
黄山地区位于安徽省最南端的皖南山区，以山地为主，山高谷深，气候呈垂直变化。春秋短，夏冬长，云雾多，湿度大，夏洪秋旱，接近于海洋性气候。黄山地区年平均气温15.4℃，一月份平均气温最低为2.8℃，七月份平均气温最高为27.4℃，极端最低气温为-22℃；年均降水量为 1 395～1 702 mm。年平均降雪日多，冬季常见线路履冰。根据气象资料，初步选定设计气象组合条件为最大风速25 m/s，最低温度-20℃，覆冰厚度10 mm。
3.2 供电线路线缆选型
铁路电力系统供电电源可由地方供电公司变电站10 kV母线馈出间隔或开关站10 kV馈出间隔接引，也可由地方变电站35 kV母线馈出间隔接引。池州电网中10 kV馈出间隔分布较35 kV密集，因此10 kV电源线长度普遍小于35 kV电源线长度。
参照同类项目中沿线10 kV配电所电源线的长度，10 kV电源线平均一回长5～8 km，最长不超过10 km。本工程前期设计中暂按一回电源线长度为8 km计算。根据铁路系统中部分站区引接35 kV电源的情况，35 kV电源线平均一回长10～12 km，最长不超过15 km，本工程前期设计中暂按一回电源线长度为12 km计算。
(1)根据载流量选择线缆截面
Ijs=
K×IZ≥Ijs
(1)
式中：Ijs——负荷计算电流;
Sjs——配电所承担的总计算负荷，取 2 200 kVA;
U——标称电压;
IZ——线缆的长期允许载流量;
K——导线及电缆允许持续载流量的校正系数。
电缆载流量取值参照现行GB 50217-2007《电力工程电缆设计规范》附录D及《工业与民用配电设计手册》，校正系数取值需综合考虑敷设方式、环境温度、土壤热阻系数等情况。导线载流量取值参照《工业与民用配电设计手册》，校正系数取值需综合考虑温度、海拔等情况。
根据Iz选择满足载流量的线缆截面A1。
(2)根据线路的电压损失校验线缆截面
根据载流量选择的线缆截面A1需校验末端电压降。根据现行GB/T 12325-2008《电能质量供电电压偏差》，20 kV及以下三相供电电压降限值为标称电压的7%，35 kV级以上供电电压正、负偏差绝对值之和不超过标称电压的10%。
Δu%=ΔuP%×Sjs×cosφ×L
(2)
式中：Δu%——线缆末端的电压损失百分数；
ΔuP%——三相线路每1 MW·km的电压损失百分数；
Sjs——配电所承担的总计算负荷，取 2 200 kVA；
cosφ——配电所电源引入处功率因数；
L——线缆长度，架空线路取8 km，电缆线路取12 km。
若电缆截面A1经计算得到的电压损失超过限值，则需选择更大的电缆截面
，保证供电末端电压降在允许值范围内。
(3)线缆截面的选择
供电线路线缆截面需同时满足载流量及电压损失限值，并符合地方供电公司的接入要求。结合载流量计算、电压损失限值控制，并参照近年相近规模配电所电源引接工程中地方供电部门最终认可的电源接入方案，10 kV电压等级下电源架空线路导线初步选用JKLGYJ-120/20，电缆线路初步选用YJV22-8.7/15 kV 3×240。35 kV电压等级下电源架空线路初步选用JKLGYJ-35/6，电缆线路初步选用YJV22-26/35 kV 3×70。
供电电源进线选取不同电压等级时，选择的传输线缆基本参数如表3所示。
3.3 供电线路线损
供电线路线损是电能在供电传输中不可避免的损耗，作为用电单位，线损是影响末端受电质量的重要因素之一。由于目前国内用电企业计费采用高配高计方式，供电线路线损造成的电费支出在长期的运营环境下也须纳入考量范畴。
架空输电线路的线损按下式计算：
表3不同供电电压等级下电源线缆基本技术参数
R=R20(1+β1+β2)
β2=α×(Tav-20)
(3)
式中：R20——每相单位长度导线在20℃时的电阻值；
β1——导线温升对电阻的修正系数；
β2——周围空气温度对电阻的修正系数，仅当月平均气温在12℃～28℃时取1；
IZ——25℃时导线的容许持续电流；
Tav——计算期的平均气温；
α——导线电阻的温度系数，可取0.004。
电缆输电线路的线损包含线芯损耗及介质损耗，按下式计算：
ΔA=
tanσ×t×10-3
(4)
式中：tanσ——介质损失角的正切值，YJV型电缆取0.008；
C——电缆每相的工作电容。
考虑供电线路平均输送负荷为2 200 kVA时，不同供电电压等级下电源线缆单位长度每小时的线损如表4所示。
表4不同供电电压等级下电源线缆单位长度每小时线损
由表中数据比较可知，10 kV电源线线损约为35 kV由源线线损的2～3倍，因此减少供电线路线损的最优选择是提高供电电压等级，当供电电压等级不便提升时，也可通过增大架空线路线径及电缆截面来降低线损。
3.4 供电线路充电功率补偿
供配电系统的运行电压水平取决于无功功率的平衡，容性无功补偿容量不足或过大均会对系统稳定及设备产生负面影响。在项目前期设计中，考虑到供电电压等级的不确定性，需对系统的无功平衡状态进行评估。
根据国网供电网络无功平衡的分层分区原则，本线考虑在供电电压等级网层对充电功率进行补偿控制，使无功尽可能少地流向配电电压等级较低的网层。
供电线路感性电流补偿容量：
ΔQL=KUNIC/
(5)
式中：K——补偿度，一般取40%～80%。
供电线路单位长度充电功率补偿容量如表5所示。
表5不同供电电压等级下电源线缆单位长度充电功率补偿容量
沿线车站供电线路均就近引接，电源线以架空方式为主，穿越市区、车站等受地形及规划限制区段时，采用电缆敷设。单回供电线路总长控制在10 km之内。电缆长度占总电源线路30%以下时，10 kV电压等级供电线路需补偿的充电功率为11.5～23 kVar，35 kV线路的补偿功率则高达94.1～188 kVar。根据实际线路长度，10 kV电源线在变电所中设置集中补偿装置，对于较短线路甚至可不设置充电功率补偿设备，35 kV线路则必须设置沿线分散补偿与变电所集中补偿相结合的无功补偿设备来维持线路等压等级稳定。比较而言，较低的供电电压等级能够有效节省无功平衡设备前期投入。
3.5 供电电源选择
电缆线路与架空线路相比，单位长度电抗小，正序电容大，截面相同时电缆线路的载流量往往只有架空线路的一半左右，故电缆线路的运行损耗小；充电功率大，负荷轻。且电缆线路占地面积和空间较小，受气候环境影响较小，具有供电可靠性高、市容整洁美观等优点。两种供电电压等级的综合比较如表6所示。
表6不同供电电压等级综合经济技术比选
由表6可知，当输送负荷相同时，若供电线路以架空线路为主，则电源线采用较高电压等级可有效减少线损，节约前期设备线缆投入及运营成本。若电源线路以电缆敷设为主，则应考虑采用较低电压等级引接用电。同时，池州地区每年较多的强风暴雨天气对架空线路运行、维护及检修会产生较大负面影响，且黄山地区冬季架空线路履冰运行情况严重，因此在投资可控的前提下，可考虑地方电源进线采用全电缆敷设。
综上所述，本线供电电压等级应优先采用10 kV电压等级供电，线路优先选用电缆线路，后续设计阶段中供电线路方案还需与城市规划部门及地方供电公司进一步沟通商议确定。
4.1 区间沿线配电方案
(1)用电负荷分析
区间负荷主要由沿铁路线设置的各通信基站、通信直放站及信号中继站等用电点的负荷组成。区间负荷以一级及二级负荷为主，每处用电点的容量较小，用电点分布规律。
(2)配电方案选择
我国电气化铁路区间通信、信号等重要负荷均采用双侧供电环式配电方式，电源引自配电所贯通母线。双侧供电环式配电模式如图1所示。
配电所采用真空断路器分段的单母线接线，经调压器调压后设置贯通母线向区间贯通线路供电。全线新设10 kV一级负荷贯通线及10 kV综合负荷贯通线，选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，为区间设备提供高压电源。区间重要设备采用配置双变压器的箱式变电站降压供电。
图1 沿线双侧供电环式配电接线示意图
根据路网内实际运行情况，高速铁路存在部分区间双变压器箱式变电站中降压变压器负载率较低、 配电所贯通出线处功率因数偏低的情况。考虑区间贯通线路轻载状态下，全电缆线路中容性无功过剩，线路末端电压容易爬升至影响甚至危及区间设备正常使用的程度。为保证区间设备的供电质量，考虑在配电所内及区间分别设置集中及分散无功补偿设备，通过调节集中及分散无功补偿设备的投切组数，结合配电所调压器分接头的选择，稳定贯通线路电压及出所功率因数。
4.2 站区配电方案
(1)用电负荷分析
高速铁路站区负荷主要包括站房及站区范围内其它生产生活设施的室内外照明，与行车调度密切相关的通信、信号、信息等设备负荷以及其它保障铁路正常运行的生产及生活负荷。其中通信、信号、信息等设备一般设置在信号楼或站房建筑中，相对固定集中。新建站房的计算负荷如表7所示。
表7新建站房计算负荷
结合表2及表7中数据及现阶段相关专业提供的站区平面初步布置资料可知，九华山站站房规模较大，站区范围内其它附属生产生活用房较少且布置相对紧凑，站区整体用电负荷较为集中。太平湖站及宏村站站房规模较小，站区范围内另设有综合维修设施，并配合设有较大规模的员工单身宿舍及配套生活设施，站区整体用电负荷较为分散。
(2)配电方案选择
本工程新建站中站区负荷总量不大，宜选用10 kV电源电压等级供电，站区负荷考虑由站内新建的配电所馈出回路供电。
站区可采用单侧供电双回路树干式或单侧供电环式配电方式，双回路树干式配电方式常用于二、三级负荷配电，当供电电源可靠时也用于对一级负荷供电。其优点是前期投资较小，缺点是供电可靠性相对较低。单侧供电环式配电方式一般采用两回路电源暗备用开环运行，也可采用明备用闭环运行方式。优点是供电可靠性高，电力线路检修时仍可保证一、二级负荷配电，缺点是保护装置及整定配合复杂，两种配电方案接线示意如图2所示。
图2 车站单侧供电双回路树干式
九华山站的站区用电负荷有除综合站房以外的建(构)筑物少，生产及生活负荷相对集中的特点，站区配电电源由新建配电所馈出回路引接，属于可靠电源，可满足一级负荷的供电要求。故九华山站可选择单侧供电双回路树干式配电方式，简化站区配电系统设置并有效控制项目建设投资。
太平湖站及宏村站的站区用电负荷特点是除综合站房以外的建(构)筑物较多，生产及生活负荷相对分散，应优先选择单侧供电环式配电方式提高站区整体供电可靠性。考虑到实际运行过程中明备用闭环运行方式下，变压器在急需投入时对运行人员操作要求较高，容易出现应急投入失误的情况，本工程考虑采用暗备用开环运行方式。
池州至黄山(地区)铁路是一个兼顾客运及旅游的高速铁路项目，在设计相关区间及站场供配电系统时需综合考虑技术指标、经济效益及旅游城市发展规划。尽管较高的供电电压等级能减少线损，提高供电质量，但结合池黄铁路工程实际，综合供电线路长度及径路比选，本工程在地区电网及地方规划允许的前提下仍应优先考虑选用10 kV电缆线路作为供电电源。当由于客观限制需架设架空线路时，必须考虑大风、暴雨、雷暴、履冰及海拔等各种环境因素对线路的影响，选取合适的杆塔型式及档距，并做好各项防护措施。池黄铁路沿线配电采用双侧供电环式配电方式，站区配电则根据车站总体布置和功能综合考虑，选取前期投资合理同时方便后期运营维护管理的配电方式。
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(编辑：朱雨辰 苏玲梅)
JIFang
(China Railway Shanghai Design Institute Group Co.,Ltd.,Shanghai 200070,China)
中图分类号：U223.2
文献标志码：A
收稿日期：2017-03-06
作者简介：季昉(1987-)，女，工程师。
引文格式：季昉. 池黄铁路电力供配电系统设计研究[J].高速铁路技术,2017,8(5):29-35.
JI Fang. Research on the Design of Electric Power Supply and Distribution System in Chizhou Huangshan High-speed Railway [J].High Speed Railway Technology,2017,8(5):29-35.
文章编号：1674—8247(2017)05—0029—07