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高鐵供電系統(tǒng)為何要27.5千伏電壓?

我們平時(shí)接觸到的電器設(shè)備大多是380/220V電壓的,電動(dòng)機(jī)功率也就幾千瓦幾十千瓦至上百千瓦,我國(guó)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定1000V以上為高電壓,采用高電壓的目的是減小負(fù)荷電流。

這是因?yàn)楣β适请娏髋c電壓的乘積,當(dāng)功率一定電壓越高電流就越小,電流的大小決定了所用導(dǎo)線(xiàn)的粗細(xì),以及供電距離的遠(yuǎn)近,還關(guān)系到電動(dòng)機(jī)體積的大小。

三相380V的電動(dòng)機(jī),每千瓦電流約2A,一般200kW以上的電動(dòng)機(jī),就要采用高壓供電了。我國(guó)常用的高電壓等級(jí)有6kV、10kV、20kV、35kV等。

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首先我們需要明確一點(diǎn):高鐵電力系統(tǒng)為10kV,高鐵供電系統(tǒng)才是27.5kV。

高鐵列車(chē)的單列功率已近9000kW,采用高壓供電是肯定的。但高鐵供電卻用了一個(gè)不常用的電壓等級(jí)27.5kV(千伏)。實(shí)際上高鐵列車(chē)的額定電壓是25kV,考慮到電壓降等問(wèn)題,允許上下浮動(dòng)10%,也就是實(shí)際電壓在27.5-22.5kV之間,所以接觸網(wǎng)的供電電壓為27.5kV。那為什么不用現(xiàn)成的20kV或35kV呢?而用了個(gè)介于這兩者之間的25kV也就是27.5kV。

對(duì)此,一種觀點(diǎn)認(rèn)為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了高鐵采用27.5kV電壓,所以采用27.5kV,這似乎無(wú)可辯駁。但若再問(wèn)下為何標(biāo)準(zhǔn)要規(guī)定采用27.5kV電壓呢?建造世界上第一條采用27.5kV電壓的高鐵時(shí),有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定嗎?

另一種觀點(diǎn)認(rèn)為高鐵列車(chē)的受電弓耐壓是25kV的,因?yàn)槭芙^緣強(qiáng)度限制,只能用這個(gè)電壓。如果再升高電壓,勢(shì)必要增加絕緣強(qiáng)度提高耐壓等級(jí),這樣會(huì)造成成本成倍增加。

這似乎是一個(gè)靠譜的答案。25kV以上剛好有35kV這個(gè)電壓等級(jí),如果高鐵用35kV電壓,真的會(huì)成倍增加成本嗎?

我們用數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)話(huà),目前復(fù)興號(hào)高鐵列車(chē)單列功率達(dá)8800kW,考慮到線(xiàn)路損耗等因素,暫以9000kW來(lái)計(jì)算。電壓25kV,那么電流是I=P/U=9000÷25=360A。根據(jù)允許電壓降10%,也就是電壓降△U=2500V據(jù)此來(lái)計(jì)算需要多大截面積的接觸網(wǎng)滑觸線(xiàn)?

因?yàn)椤鱑=IR、R=ρL/S、所以S=IρL/△U
S……接觸網(wǎng)滑觸線(xiàn)截面積
△U……允許電壓降
I……線(xiàn)路電流
ρ……電阻率
L……線(xiàn)路長(zhǎng)度
R……線(xiàn)路電阻

目前高鐵上的牽引變電所間隔約50000米,單邊供電距離25000米,也就是單邊線(xiàn)路長(zhǎng)度。因?yàn)榻佑|網(wǎng)是單相供電,計(jì)算電壓降時(shí)來(lái)回線(xiàn)路長(zhǎng)度就是50000米。

已知:△U=2500V、I=360A、L=50000米
ρ=0.02(銅40oC)
S=IρL/△U=360×0.02×50000÷2500
=144m㎡

計(jì)算得在電壓25kV、電壓降2500V、供電距離25000米情況下,需采用144m㎡的接觸網(wǎng)滑觸線(xiàn),這與目前高鐵實(shí)際采用的150m㎡滑觸線(xiàn)非常接近。

如果雙列重聯(lián)運(yùn)行,接觸網(wǎng)供電電壓也在22.5kV以上,完全在允許值以?xún)?nèi)。

那么如果把電壓升高到35kV,會(huì)是什么情況呢?電壓降依然允許10%,就是△U=3500V,其它條件不變。

I=P/U=9000÷35=257A
S=IρL/△U=257×0.02×50000÷33500
=73.4m㎡

可見(jiàn)在35kV供電情況下,其它條件不變,所用滑觸線(xiàn)截面積只需73.4m㎡,比在25kV供電時(shí)減小了一半。如果依然采用150m㎡的滑觸線(xiàn),供電距離將增長(zhǎng)一倍,也就意味著牽引變電所可減少一半。

這是什么概念?這將大幅度降低高鐵供電的初投資成本及運(yùn)行成本。而35kV又是常用電壓,這個(gè)電壓等級(jí)的變壓器、開(kāi)關(guān)設(shè)備、絕緣部件等都是成熟產(chǎn)品,拿來(lái)就可用,對(duì)接觸網(wǎng)只需把支架絕緣子增加1-2片(如圖)就可把25kV升壓為35kV,這方面所增成本很少。

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可見(jiàn),如果把25kV升壓到35kV,絕不會(huì)增加成本,相反可以大幅降低成本。那么這等好事,為何高鐵不干呢?而棄用35kV采用25kV也就是27.5kV。

其實(shí)這又牽述到另一個(gè)問(wèn)題安全距離,電壓越高就要求安全距離越大,如果安全距離不夠,高壓帶電體就會(huì)對(duì)無(wú)電體放電。高鐵接觸網(wǎng)滑觸線(xiàn)就在列車(chē)頂上,它們之間的距離肯定要大于安全距離。這個(gè)距離過(guò)小,將造成接觸網(wǎng)對(duì)車(chē)頂放電,一旦放電輕則造成電壓跌落,重則造成供電中斷。那么把接觸網(wǎng)架高,增加接觸網(wǎng)與車(chē)頂之間的距離,不就解決問(wèn)題了嗎?問(wèn)題是接觸網(wǎng)已無(wú)法升高,因?yàn)殍F路上有許多橋梁與隧道。
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綜上所述,高鐵采用27.5kV電壓是綜合考慮了多種因素,在更高電壓與安全距離之間作出的無(wú)奈選擇,實(shí)際上也是在目前情況下的最佳選擇。