提高铁路电力系统抗击冰雪灾害能力的探讨
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摘要：铁路信号属一级负荷供电，由沿铁路两侧架设的10KV自闭、贯通电力线路两路电源供电。2008年湖南省发生了特大冰雪灾害，造成广铁集团公司京广线铁路信号大面积断电，严重影响了铁路运输秩序。本文对铁路电力系统受灾情况进行了收集和归纳总结，对雪灾引起铁路供电系统停电故障的原因进行了分析，并就提高铁路供电系统抗击特大冰雪灾等自然灾害的能力进行了探讨。
关键词：冰雪灾害；铁路；电力；可靠性
中图分类号：F407.61 文献标识码：A 文章编号：
前言
2008年元月18日，广州铁路集团公司管内长沙供电段因雪灾发生了大面积的停电故障，造成京广线行车中断。本人接到集团公司领导命令后，立即参加长沙供电段为期近一个月电力抢修和设备复旧的调度指挥。以下是本人对这次雪灾对铁路电力设备的影响、原因分析、提高铁路电力设备抗击特大雪灾能力探讨如下：
1.铁路电力系统雪灾故障主要分类
1.1株洲~白石渡间的白石渡（1）、郴州（2）、马田（2）、耒阳（1）、衡山（2）、淦田（2）6个铁路10KV配电所10条电源线因地方110KV变电站停电而失电，该段总电源线数量为15条，占2/3。
1.2株洲~白石渡间330km10kV自闭、贯通架空线路，特别是淦田~衡阳，耒阳~白石渡间由于导线严重覆冰，严重超过设计张力，造成部分电杆开裂、倒杆、横担金具扭曲、瓷瓶炸裂、断线等，进而引起短路、接地或断路故障。据统计电杆开裂、倒杆56根，横担扭曲变形347组，拉线断裂或地锚被拉出69组，导线断线45处，瓷瓶故障163个；
1.3地方110KV线路及以上交叉跨越铁路处发生断线42处，造成10kV自闭、贯通线两条线路同时短路。
1.4严重覆冰的树木倾覆，造成铁路10kV自闭贯通电力线路短路、接地或断相故障而断电的有若干处（无法统计）。
第一类故障是需要地方电业局提高抗击能力，后三类故障是本文重点探讨的。
2.1电力设备陈旧老化
雪灾中受损的设备运行时间均超过十年，10kV自闭线路建成于1984~1985年，投入运行23年，10KV贯通线路建成于1996年~1997年投入运行11年。
2.2架空电力线路抗恶劣天气能力差
2008年冰雪灾害为五十年一遇的特大灾害，南方0℃以下的低温时间持续长，导线最大覆冰厚度达到50mm，电杆最大覆冰厚度达到120mm。而京广线10kV贯通线按十年一遇气象条件为Ⅴ区设计，最大覆冰为10 mm。电力线路受损的原因分析如下：
2.2.1由于覆冰严重，导线承受了2倍的安全负载[以贯通线LGJ-70导线为例，一米导线自重0.275kg，外径11.4 mm，覆冰为10 mm冰重每米[ρπ（R2-r2）]=0.234 kg，覆冰50mm冰重每米约0.828 kg，是正常覆冰情况下的（0.828+0.275）/(0.275+0.234)=2倍，是没覆冰时的（0.828+0.275）/0.275=4.01倍]，从张力近视公式（T=GL/2[(L/2)2+h2]0.5/h 其中：G为单位长度的荷载，L为档距，h为驰度）可以得出，导线的张力与负载成正比（同温度、同档距、同驰度条件下），导线拉力增加，加上钢芯铝绞导线运行已达13~25年，内部承受张力的钢芯已严重锈蚀，允许应力下降，造成断线。
2.2.2由于承受4倍的张力和长期低温，导致横担金具扭曲、瓷瓶炸裂、抱箍拉线等金属部件出现裂迹，出现断落。
2.2.3由于导线断线，瞬时冲击力作用最大的电杆断裂，相邻电杆发生裂纹。
2.3部分10kV贯通线所处环境条件恶劣
2.3.1部分10kV贯通线穿越山区，跨越大江大河，档距更大，导线覆冰后更容易造成断线；
2.3.2与地方110KV以上电力线路的交叉跨越，当线路发生断线故障必掉落在自闭、贯通线路上，造成短路；
2.3.3不少地段穿越林区，冰雪天气下这些区段树木倒覆，压在导线上，造成断线、单相接地、多相多点接地短路故障。
2.4应急方案薄弱
铁路电力系统对地方电网在灾害条件下发生停电事故的估计不足，应急措施薄弱，这导致雪灾中铁路配电所停电故障频发，而且铁路恢复供电主要依赖地方电网的恢复。
3提高铁路电力系统抗击冰雪灾害能力的方案及比较
3.110kV自闭、贯通电力线路方面
从此次冰灾铁路电力系统电力故障的统计数据来看，同一区段10kV自闭、贯通电力线路均发生故障，说明在该区段10kV自闭、贯通电力线路的设计标准抗灾能力较低，因此有必要对其进行改造。
方案一：
将10kV自闭、贯通线路全部改为电缆。
此方案优点是基本避免了各种不利因素（大风、雨雪、洪水、交叉跨越、树木侵害、外力破坏等）对铁路自闭、贯通线路的影响，供电可靠性高。缺点是双电缆方案投资高（约60万元/公里，需投资近2亿元，未计列设备费用），且原架空线路完全废弃。
方案二：
考虑10kV自闭线路运行二十多年，接近第二个大修周期，全部改为全电缆；10kV贯通线仍维持架空，但对局部地段进行补强。
此方案优点是自闭线改为电缆后，可最大程度的减少外部条件对自闭线的影响，降低故障率，保证在绝大多少情况下铁路至少有一路电源可用。
10kV自闭、贯通线一缆一架方案相对双电缆方案投资节省，且仅自闭线废弃，改造工作量也相对减少。
雪灾情况下单电缆贯通线和双电缆贯通线供电可靠性指标比较计算模型为：一个长度为50公里的供电臂，共20个负荷点，分支线的长度均为500m，每段贯通线长度相同，环网结构有20个负荷点，负荷点之间平均间距长2500m。变电站采用10kV单母线分段的接线方式，考虑外部电源均停电，各配电所只有一路发电机情况。经计算，得出单电缆贯通线的单电缆贯通线路平均供电可用率(RS-1、ASAI)为99.989%，双电缆贯通线路平均供电可用率(RS-1、ASAI)为99.997%，双电缆贯通线路平均供电可用率(RS-1、ASAI)指标比单电缆贯通线路高出0.08%，可见在罕见的自然灾害下，如果一条架空贯通线全停电时，另外一条全电缆贯通线可以满足与行车密切相关的通信信号等特别重要的一级负荷供电要求。
根据比较，建议在京广线株洲~白石渡间电力抗灾改造中采用方案二。
3.2适当提高铁路电力架空线路的建设标准
3.2.1在新建或改造项目中适当提高电力架空线路建设标准，与国家电网公司建设标准保持一致，将110～330kV电力线路气象条件重现期由15年提高到30年一遇；10~35kV电力线路气象条件重现期由10年提高到15或30年一遇。对重要线路和特殊区段采取差异化设计，提高安全设防水平，确保供电设施的安全可靠。
3.2.2对于跨越铁路的电力线路加强改造
对于跨越铁路的10kV及以下的电力线路（包括自闭线、贯通线以及地方电力线路）全部改为电缆过轨。对于跨越铁路的110kV及以上电力线路应采用独立耐张段，杆塔结构重要性系数取1.1，要求35kV～330kV线路重现期由15年提高到30年一遇，或者要求采用电缆过轨。500kV线路由30年提高到50年，杆塔离铁路的距离应满足对倒杆距离要求。地方110KV线路同时跨越铁路及10KV自闭、贯通电力线路时，则将自闭、贯通线在交叉档内改为电缆。
3.2.3设置铁路应急电源
此次雪灾中地方电网停电事故频发，造成铁路配电所失电，可见在灾害天气下，地方电网并不是十分可靠的。因此有必要设置铁路应急电源。
方案一：
各车站均设置低压柴油发电机，作为特别重要的一级负荷的应急电源。此方案的优点是简单易行；缺点是日常维护工作量大，大部分设备长时间闲置，且并不能保证区间的通信、信号负荷供电。
方案二：
在配电所、大型站集中备用应急柴油发电机组或在供电段配置移动式高压柴油发电机组，应急情况下可向10kV自闭线供电以确保沿线各站、区间通信信号、应急照明等特别重要负荷供电。此方案的优点是维护工作量小，能保证区间通信信号负荷供电。经比较，建议在各配电所每或间隔一个配电所、大型站集中备用应急柴油发电机组，保证铁路运输电力供电的需要。
4.结语
为提高铁路电力系统抗击冰雪灾害能力，应将铁路10kV自闭改电缆、贯通电力线路局部补强，同时适当提高铁路电力架空线路的建设标准。以及在配电所、大型站集中设置柴油发电机方式配置铁路应急电源。
参考文献：
[1]《电力网及电力系统》电力出版社
[2]《铁路电力设备安装标准》 铁道出版社