高鐵供電系統為何要27.5千伏電壓?
我們平時接觸到的電器設備大多是380/220V電壓的,電動機功率也就幾千瓦幾十千瓦至上百千瓦,我國有關標準規定1000V以上為高電壓,采用高電壓的目的是減小負荷電流。
這是因為功率是電流與電壓的乘積,當功率一定電壓越高電流就越小,電流的大小決定了所用導線的粗細,以及供電距離的遠近,還關系到電動機體積的大小。
三相380V的電動機,每千瓦電流約2A,一般200kW以上的電動機,就要采用高壓供電了。我國常用的高電壓等級有6kV、10kV、20kV、35kV等。
高鐵列車的單列功率已近9000kW,采用高壓供電是肯定的。但高鐵供電卻用了一個不常用的電壓等級27.5kV(千伏)。實際上高鐵列車的額定電壓是25kV,考慮到電壓降等問題,允許上下浮動10%,也就是實際電壓在27.5-22.5kV之間,所以接觸網的供電電壓為27.5kV。那為什么不用現成的20kV或35kV呢?而用了個介于這兩者之間的25kV也就是27.5kV。
對此,一種觀點認為國家標準及國際標準規定了高鐵采用27.5kV電壓,所以采用27.5kV,這似乎無可辯駁。但若再問下為何標準要規定采用27.5kV電壓呢?建造世界上第一條采用27.5kV電壓的高鐵時,有標準規定嗎?
另一種觀點認為高鐵列車的受電弓耐壓是25kV的,因為受絕緣強度限制,只能用這個電壓。如果再升高電壓,勢必要增加絕緣強度提高耐壓等級,這樣會造成成本成倍增加。
這似乎是一個靠譜的答案。25kV以上剛好有35kV這個電壓等級,如果高鐵用35kV電壓,真的會成倍增加成本嗎?
我們用數據來說話,目前復興號高鐵列車單列功率達8800kW,考慮到線路損耗等因素,暫以9000kW來計算。電壓25kV,那么電流是I=P/U=9000÷25=360A。根據允許電壓降10%,也就是電壓降△U=2500V據此來計算需要多大截面積的接觸網滑觸線?
目前高鐵上的牽引變電所間隔約50000米,單邊供電距離25000米,也就是單邊線路長度。因為接觸網是單相供電,計算電壓降時來回線路長度就是50000米。
計算得在電壓25kV、電壓降2500V、供電距離25000米情況下,需采用144m㎡的接觸網滑觸線,這與目前高鐵實際采用的150m㎡滑觸線非常接近。
如果雙列重聯運行,接觸網供電電壓也在22.5kV以上,完全在允許值以內。
那么如果把電壓升高到35kV,會是什么情況呢?電壓降依然允許10%,就是△U=3500V,其它條件不變。
可見在35kV供電情況下,其它條件不變,所用滑觸線截面積只需73.4m㎡,比在25kV供電時減小了一半。如果依然采用150m㎡的滑觸線,供電距離將增長一倍,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行成本。而35kV又是常用電壓,這個電壓等級的變壓器、開關設備、絕緣部件等都是成熟產品,拿來就可用,對接觸網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。
可見,如果把25kV升壓到35kV,絕不會增加成本,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。
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奈選擇,實際上也是在目前情況下的最佳選擇。