高原環(huán)境下電氣化鐵路設(shè)計(jì)特點(diǎn)探討

周路遙

北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 100044

高原環(huán)境下電氣化鐵路設(shè)計(jì)特點(diǎn)探討

周路遙

北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 100044

針對(duì)高原地區(qū)的特點(diǎn)，結(jié)合青藏鐵路西格二線的工程設(shè)計(jì)，對(duì)電氣化鐵路設(shè)計(jì)在電工電子產(chǎn)品、電力變配電所改造、接觸網(wǎng)、房建和土建方面進(jìn)行了一些研究和探討，為高原電氣化鐵路設(shè)計(jì)提供借鑒。

高原地區(qū)；高原環(huán)境；電氣化鐵路

引言

隨著西部地區(qū)建設(shè)的飛速發(fā)展和《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》的快速實(shí)施，青藏線西格段、蘭新第二雙線、敦煌至格爾木線等多條電氣化鐵路將陸續(xù)建成。這些線路通過(guò)地區(qū)沿線自然條件復(fù)雜、惡劣，屬高原高寒地區(qū)。

在高原環(huán)境下，空氣壓力和空氣密度下降、空氣溫度降低、日溫差大、空氣絕對(duì)濕度減少等因素均對(duì)電器設(shè)備的正常使用帶來(lái)了不良影響。為進(jìn)一步提高高原地區(qū)電氣化鐵路安全、可靠運(yùn)行水平，針對(duì)高原環(huán)境，結(jié)合青藏鐵路西格二線的工程設(shè)計(jì)情況，對(duì)高原地區(qū)電氣化鐵路設(shè)計(jì)進(jìn)行一些探討。

1 高原環(huán)境的特點(diǎn)

1.1 海拔地區(qū)空氣壓力或空氣密度降低

空氣壓力或空氣密度降低，造成空氣間隙的擊穿電壓下降，使電氣間隙和瓷絕緣的放電特性下降，空氣介質(zhì)滅弧性能降低，飛狐距離增加，燃弧時(shí)間延長(zhǎng)。

1.2 海拔地區(qū)熱輻射和紫外線輻射增強(qiáng)，溫度降低，溫度變化大

高原地區(qū)熱輻射增強(qiáng)，增加電氣設(shè)備表面附加溫升，雖然高原地區(qū)平均氣溫低，可部分補(bǔ)償熱輻射引起的設(shè)備表面附加溫升，但是由于日溫度變化，補(bǔ)償不均勻。電氣設(shè)備表面附加溫升將降低有機(jī)絕緣材料的材料性質(zhì)，使材料變形、生產(chǎn)機(jī)械熱應(yīng)力。

1.3 高原地區(qū)空氣濕度相應(yīng)地減少

高海拔地區(qū)空氣濕度減少，電氣設(shè)備的外絕緣強(qiáng)度降低。

1.4 高海拔地區(qū)土壤溫度較低，且凍結(jié)期長(zhǎng)

凍土的凍結(jié)和融化而引起的土層凍脹隆起，開(kāi)裂和融沉，對(duì)于房屋、軌道和橋梁等都有很大的作用，對(duì)于電氣化鐵路的正常運(yùn)行有著不可忽視的影響。

2 高原環(huán)境下電氣化鐵路設(shè)計(jì)特點(diǎn)

針對(duì)高原環(huán)境的影響，對(duì)電氣化鐵路設(shè)計(jì)在電工電子產(chǎn)品、電力變配電所改造、接觸網(wǎng)、房建和土建方面進(jìn)行了一些研究和探討。

2.1 電工電子產(chǎn)品

電氣化鐵路涉及大量的電工電子產(chǎn)品，故而在設(shè)計(jì)的時(shí)候必須仔細(xì)考慮高原環(huán)境的影響。

高原地區(qū)對(duì)電工電子產(chǎn)品影響較大的環(huán)境因素為：低氣壓、低溫、日夜溫差、太陽(yáng)輻射、雷擊與靜電等。高原地區(qū)使用的電工電子產(chǎn)品，在研制階段有針對(duì)性地提出防護(hù)措施。例如：采用灌封措施、密封設(shè)計(jì)、溫度調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)、功率組件降額與優(yōu)化設(shè)計(jì)、防雷設(shè)計(jì)。在材料與元器件的選用方面，盡可能地選用耐低溫、防紫外線的材料，然后通過(guò)環(huán)境試驗(yàn)(高溫、低溫、低氣壓、太陽(yáng)輻射等等)進(jìn)行驗(yàn)證與考核，發(fā)現(xiàn)并消除設(shè)計(jì)中存在的隱患，從而提高電工電子產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性能力。同時(shí)，在使用過(guò)程中需著重考慮以上幾種環(huán)境因素的影響，加強(qiáng)防護(hù)措施，例如改善設(shè)備使用環(huán)境，安裝避雷裝置等，減少環(huán)境對(duì)產(chǎn)品的危害。

另外，凍土的凍結(jié)和融化而引起的土層凍脹隆起，開(kāi)裂和融沉，對(duì)埋在地下的電纜彎曲拉伸影響很大，有可能將鉛電纜拉斷。據(jù)調(diào)查中反映，凍土層中最低溫度一般不會(huì)低于-16℃，因而在敷設(shè)電纜時(shí)，在電纜周?chē)?00×300mm含鹽砂介質(zhì)中，一方面可以使電纜處于不凍狀態(tài)，另一方面在凍脹隆起、開(kāi)裂的情況下，可以對(duì)凍層作較大的相對(duì)位移，從而可以減少在電纜上的張力。

2.2 電力變配電所改造

電力變配電所是電氣化鐵路的一個(gè)重要組成部分。由于高海拔地區(qū)溫度變化大，使電氣設(shè)備外殼容易變形、龜裂，密封結(jié)構(gòu)容易破裂。紫外線輻射增強(qiáng)，引起有機(jī)絕緣材料的加速老化，使空氣容易電離而導(dǎo)致外絕緣強(qiáng)度和電暈起始電壓降低。因此，在有條件的情況下，高海拔地區(qū)的變配電所宜采取室內(nèi)布置方式，有利于延長(zhǎng)電氣設(shè)備的使用壽命。

當(dāng)工程地點(diǎn)位于多年凍土，為保護(hù)變配電所內(nèi)凍土層，接地網(wǎng)可采用外引接地極方式，但對(duì)可能將高電位引向所外或?qū)⒌碗娢灰蛩鶅?nèi)的設(shè)施，應(yīng)采取隔離措施；當(dāng)工程地點(diǎn)位于季節(jié)凍土或季節(jié)融化層，接地網(wǎng)可采用所內(nèi)敷設(shè)接地極方式。為保護(hù)多年凍土周?chē)h(huán)境的穩(wěn)定性，變配電所場(chǎng)區(qū)排水系統(tǒng)應(yīng)完善，場(chǎng)區(qū)地面易采取硬化措施。

大部分工程施工中采取基底敷設(shè)漿砌片石，并注意避免雨天施工，施工中減少基坑的暴露時(shí)間，加上變配電所周?chē)皥?chǎng)區(qū)完善的排水系統(tǒng)，嚴(yán)格防止了生產(chǎn)生活用水的滲漏，場(chǎng)區(qū)地面采取了硬化措施，保護(hù)了濕陷性黃土周?chē)h(huán)境的穩(wěn)定性。多年運(yùn)營(yíng)實(shí)踐證明，采取基底敷設(shè)漿砌片石的方式，保證了基礎(chǔ)穩(wěn)定、電氣設(shè)備的可靠運(yùn)行。

青藏線地處高原地區(qū)，為提高自動(dòng)化水平及滿足無(wú)人值班的需要，全線各牽引變配電所及分區(qū)所均采用了綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，并設(shè)置視頻安全監(jiān)控系統(tǒng)，電氣設(shè)備選型均采用了高原型設(shè)備。

2.3 接觸網(wǎng)工程

接觸網(wǎng)工程是電氣化鐵路設(shè)計(jì)的一個(gè)重要部分。對(duì)于接觸網(wǎng)設(shè)備而言，在工頻電壓作用下，主要承受雷電過(guò)電壓、操作過(guò)電壓、污耐受電壓等3種類(lèi)型的電壓，應(yīng)用于高原地區(qū)時(shí)均需進(jìn)行海拔校正。因此，接觸網(wǎng)設(shè)備耐受電壓的海拔校正可參照《高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合》(GB311.1-1997)、《特殊環(huán)境條件高原用高壓電器的技術(shù)要求》(GB/T20635-2006)、《電氣化鐵路絕緣子第1部分：棒形瓷絕緣子》(TB/ T3199.1-2008)中規(guī)定的修正方法、校正因數(shù)，并借鑒青藏線科研成果進(jìn)行海拔校正計(jì)算。綜合上述耐受電壓海拔校正因數(shù)的計(jì)算規(guī)定，考慮高原地區(qū)惡劣的自然環(huán)境和現(xiàn)行規(guī)范體系的具體應(yīng)用情況，建議高原地區(qū)電氣化鐵路接觸網(wǎng)設(shè)備的耐受電壓校正因數(shù)選用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)體系中的較大值，即：一般按GB311.1-1997規(guī)定的海拔校正因數(shù)，接觸網(wǎng)棒式絕緣子耐受電壓海拔校正因數(shù)按鐵路標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定選用。

接觸網(wǎng)空氣絕緣間隙的海拔校正可參照(66kV及以下架空電力線路設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50061-97)、《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》(TBl0009--2005)規(guī)定的修正方法進(jìn)行海拔校正計(jì)算。綜合考慮鐵路現(xiàn)行規(guī)范體系的具體應(yīng)用情況，建議高原地區(qū)電氣化鐵路接觸網(wǎng)設(shè)備的空氣絕緣修正時(shí)按TB10009--2005規(guī)定選用海拔校正因數(shù)。

目前高原地區(qū)電氣化鐵路實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不多，建議對(duì)關(guān)鍵接觸網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為高原地區(qū)電氣化鐵路的安全運(yùn)行、運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理及電氣化設(shè)備鏟平制造積累經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于時(shí)速160Km的城際鐵路，對(duì)接觸網(wǎng)的受流要求很高，全線站場(chǎng)及與正線有關(guān)的站線采用新型硬橫跨，具有整體剛度好，受力均勻，抗災(zāi)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

2.4 房建工程

由于季節(jié)融化層的凍融變化直接影響和危及建筑物、桿塔的穩(wěn)定性。高原電氣化鐵路房屋、設(shè)備、架構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，接地網(wǎng)敷設(shè)深度的擬定，首先應(yīng)明確工程地點(diǎn)為季節(jié)凍土或多年凍土。當(dāng)工程地點(diǎn)為多年凍土區(qū)域，應(yīng)根據(jù)勘測(cè)確定的多年凍土上限，根據(jù)保護(hù)凍土的原則，從保持基礎(chǔ)持力層的穩(wěn)定性，保護(hù)多年凍土周?chē)h(huán)境的穩(wěn)定性出發(fā)，考慮房屋內(nèi)取暖有可能影響地溫等因素，按照《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ118-98中的要求，進(jìn)行多年凍土地區(qū)建筑物地基的融化深度和基礎(chǔ)穩(wěn)定性計(jì)算，確定凍土強(qiáng)度指標(biāo)的設(shè)計(jì)值，進(jìn)行多方案比選，謹(jǐn)慎地設(shè)計(jì)工程地點(diǎn)變配電所房屋、設(shè)備、架構(gòu)基礎(chǔ)。

2.5 土建工程

土建工程涉及路基、橋涵、橋墩和軌道方面的建造。由于高原地區(qū)環(huán)境的特殊性，在建造的同時(shí)必須考慮到。針對(duì)青藏高原一日中常見(jiàn)四季的惡劣的自然環(huán)境和氣候條件，研究解決了高原大溫差地區(qū)軌縫控制技術(shù)。針對(duì)青藏線率先使用的新型免維護(hù)扣件，研究解決了大轉(zhuǎn)矩緊固彈條I型扣件釘聯(lián)工藝。

隨著氣溫升高，造成凍土退化和地面沉陷，地基約束剛度降低，橋梁自振基本周期增大，墩身地震彎矩減小，樁身彎矩和墩頂位移增大。為了減少凍土對(duì)路基工程的危害，青藏鐵路凍土地區(qū)大量應(yīng)用了橋梁工程。耐久梁是青藏線為滿足抗震、抗裂、抗凍融和耐久性而做特殊設(shè)計(jì)的橋梁。

3 結(jié)語(yǔ)

加快開(kāi)發(fā)西部地區(qū)，對(duì)于推進(jìn)全國(guó)的改革和建設(shè)和保持國(guó)家的長(zhǎng)治久安，是一個(gè)全局性的發(fā)展戰(zhàn)略，不僅具有重大的經(jīng)濟(jì)意義，而且具有重大的政治和社會(huì)意義。本文剖析了高原環(huán)境的特點(diǎn)，就電氣化鐵路設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的一些問(wèn)題闡述認(rèn)識(shí)，供大家參考，促使西北電氣化鐵路健康和迅速發(fā)展。

[1]許霓，張卓見(jiàn).淺析西北高原地區(qū)電氣化工程設(shè)計(jì)特點(diǎn).北京：鐵道工程學(xué)報(bào)，2004.

[2]侯婉秋，李海燕.高原環(huán)境對(duì)低壓電器產(chǎn)品的影響及其對(duì)策.青海：青?？萍?，2009.

[3]孫麗軍，蔡汝山等.高原環(huán)境對(duì)電工電子產(chǎn)品的影響及防護(hù).廣州：電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2010.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.09.096