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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。

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首先我們需要明確一點:高鐵電力系統為10kV,高鐵供電系統才是27.5kV

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?

因為△U=IR、R=ρL/S、所以S=IρL/△U
S……接觸網滑觸線截面積
△U……允許電壓降
I……線路電流
ρ……電阻率
L……線路長度
R……線路電阻

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。

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

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。

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

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。

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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。

其實這又牽述到另一個問題安全距離,電壓越高就要求安全距離越大,如果安全距離不夠,高壓帶電體就會對無電體放電。高鐵接觸網滑觸線就在列車頂上,它們之間的距離肯定要大于安全距離。這個距離過小,將造成接觸網對車頂放電,一旦放電輕則造成電壓跌落,重則造成供電中斷。那么把接觸網架高,增加接觸網與車頂之間的距離,不就解決問題了嗎?問題是接觸網已無法升高,因為鐵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奈選擇,實際上也是在目前情況下的最佳選擇。