一款移動變電車的設(shè)計

蘇曉明1 溫曉甫1 文娟2

1.保定長安客車制造有限公司 河北保定 073000

2.泰安市諾泰電子科技有限公司 山東泰安 271000

一款移動變電車的設(shè)計

蘇曉明1 溫曉甫1 文娟2

1.保定長安客車制造有限公司 河北保定 073000

2.泰安市諾泰電子科技有限公司 山東泰安 271000

介紹了一款35 kV移動變電車的電氣主接線設(shè)計、變電設(shè)備絕緣配合、一次設(shè)備選型與設(shè)計、二次設(shè)備選型與設(shè)計等，并對底盤縱梁抗彎強(qiáng)度、整車側(cè)傾角、抗風(fēng)能力的計算等進(jìn)行了校核計算。該車通過電力部門聯(lián)網(wǎng)測試，能夠滿足相關(guān)電力標(biāo)準(zhǔn)，運行穩(wěn)定，值得推廣和應(yīng)用。

移動變電車 選型 設(shè)計

1 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力已成為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障，各行業(yè)生產(chǎn)、生活均離不開電能，電力設(shè)備發(fā)生故障時如何快速送電成為考核電力企業(yè)應(yīng)變能力的主要指標(biāo)。移動變電車是解決緊急用電、臨時用電、維修用電或者建筑建設(shè)用電必備的電力車輛。通過對國內(nèi)外輸變電技術(shù)的研究，并借鑒學(xué)習(xí)國外先進(jìn)技術(shù)，開發(fā)了一款移動變電車，下面對該車的設(shè)計、結(jié)構(gòu)、計算等加以介紹。

2 移動變電車總體設(shè)計

移動變電車是指將4個基本模塊即高壓進(jìn)線模塊、主變壓器模塊、中低壓配電室模塊和保護(hù)與控制模塊，按一定接線方案排成一體地安裝在運輸模塊上的車輛。根據(jù)變電設(shè)備布置，運輸模塊需要由1～3輛半掛車組成。為合理分配運輸模塊后軸載荷，降低整車質(zhì)心，高壓進(jìn)線模塊和主變壓器模塊布置在靠近后輪處；為便于二次箱體內(nèi)開關(guān)柜下方進(jìn)出線，中低壓配電室模塊和保護(hù)與控制模塊布置在運輸模塊鵝頸前部。移動變電車整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 移動變電車整體結(jié)構(gòu)圖

移動變電車應(yīng)根據(jù)運維變電站的電壓等級、所需系統(tǒng)的容量、饋線數(shù)量等選擇主變壓器模塊、中低壓配電室模塊、高壓進(jìn)線模塊與保護(hù)與控制模塊。設(shè)計時，應(yīng)依次進(jìn)行電氣主接線設(shè)計、一次設(shè)備布置設(shè)計、二次設(shè)備布置設(shè)計、運輸模塊設(shè)計及變電站輔助裝置布置設(shè)計。一次設(shè)備包括主變壓器模塊、中低壓配電室模塊、高壓進(jìn)線模塊；二次設(shè)備包括保護(hù)與控制模塊。

根據(jù)GB 1589-2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、 軸荷及質(zhì)量限值》對車輛尺寸的強(qiáng)制規(guī)定[1]，要求移動變電車整體高度最大限值為4 000 mm，整體寬度最大限值為3 000 mm（低平板專用半掛車），因此應(yīng)從限高、限寬、限重及變配電設(shè)備與車體安裝連接強(qiáng)度等方面，對移動變電車進(jìn)行設(shè)計。

2.1 電氣主接線設(shè)計

電氣主接線的設(shè)計直接影響變電設(shè)備的選擇，進(jìn)而影響移動變電車的設(shè)計。在移動變電車設(shè)計時，首先要進(jìn)行電氣主接線的設(shè)計。

該移動變電車為應(yīng)急設(shè)備，35 kV側(cè)采用單電源供電，35 kV側(cè)、10 kV側(cè)選用單母線不分段接線方式，35 kV側(cè)一回35 kV進(jìn)線，采用一臺容量為12 500 kVA的主變壓器，電壓等級為35/10.5 kV；10 kV側(cè)采用單母線不分段接線方式，一回10 kV進(jìn)線，4回10 kV出線，選用XGN-10型固定式戶內(nèi)成套配電裝置，1組站用變，1組PT柜。

2.2 變電設(shè)備絕緣配合的選擇

為確保所選擇變電設(shè)備的質(zhì)量，選擇主變壓器模塊、中低壓配電室模塊、高壓進(jìn)線模塊、保護(hù)與控制模塊的高壓電氣設(shè)備時，其絕緣配合必須滿足GB 311.1-1997《高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合》國家標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)絕緣水平如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)絕緣水平表單位：kV

2.3 一次設(shè)備選型與設(shè)計

一次設(shè)備是移動變電車的關(guān)鍵設(shè)備，決定系統(tǒng)性能、周期和成本，應(yīng)重點進(jìn)行匹配設(shè)計。

2.3.1 主變壓器模塊選型與設(shè)計

主變壓器選用S9-12500/35 kV，額定電壓35/10.5 kV，聯(lián)結(jié)組別YNd11，冷卻方式ONAN，無載調(diào)壓。

主變壓器安裝固定在半掛車上，與半掛車體一起移動。高壓套管布置在變壓器寬度方向的腰部，以降低主變壓器與半掛車的整體高度，也方便與組合電器接線，為保證相間距，A、C兩相需向外傾斜一定角度。

主副儲油柜分開設(shè)計，副油柜采用膠囊式橢圓形結(jié)構(gòu)，以降低主變壓器與半掛車的整體高度。主副油柜間設(shè)有液壓舉升裝置，移動變電車工作時，副油柜采用液壓裝置將其舉升到工作位置；運輸時，液壓裝置將副油柜降至最低，以保證運輸尺寸要求。副油柜外側(cè)設(shè)有多道加強(qiáng)筋，以增強(qiáng)其強(qiáng)度。

主變壓器固有頻率為1.4～6.8 Hz，半掛車行駛過程中其震動頻率與主變壓器十分接近，導(dǎo)致高壓套管受力錯位、漏油，使得變壓器線圈變形、鐵心移位、儲油柜漏油等問題出現(xiàn)，因此在設(shè)計時鐵心固定應(yīng)加強(qiáng)處理。由于變壓器為拆卸運輸，因此需保留1/3容積的變壓器油。在運輸中安裝三維沖撞記錄儀，用以實時記錄車輛運輸狀態(tài)。車輛行駛速度不可大于50 km/h，以保證行駛中出現(xiàn)緊急制動情況時，前后方向加速度不超過4g，上下方向不超過3g，左右方向不超過1g[2]。

2.3.2 高壓進(jìn)線模塊選型與設(shè)計

高壓進(jìn)線模塊選用ZCW10-40.5GIS組合電器，額定電壓40.5 kV，額定電流1 600 A。采用架空進(jìn)線，與主變壓器通過軟導(dǎo)線聯(lián)結(jié)。高壓進(jìn)線模塊由斷路器、三工位隔離接地開關(guān)、電壓互感器、電流互感器、避雷器等組成。

2.3.3 中低壓配電模塊選型與設(shè)計

為降低箱變內(nèi)尺寸，10 kV側(cè)選用免維護(hù)高耐候性及抗震能力強(qiáng)的SF6氣體絕緣柜。

10 kV主變二次配一回1 250 A并聯(lián)進(jìn)線柜，配置4回630 A出線柜，進(jìn)出線柜均選用真空式斷路器。10 kV主變二次、配出線采用三工位隔離開關(guān)；電壓互感器選用環(huán)氧樹脂型，采用3+1形式；選用復(fù)合絕緣金屬氧化物避雷器；選用環(huán)氧樹脂型電流互感器，進(jìn)線柜變比為800/5 A，出線柜變比為400/5 A；所用變壓器選用SC10-50，額定容量為50 kVA，額定電壓10.5/0.4 kV，主變二次選用交聯(lián)電力電纜YJV-8.7/15-1X300。

2.4 二次設(shè)備選型與設(shè)計

二次設(shè)備間箱體內(nèi)設(shè)置一套分層分布集中組屏的變電站綜合自動化系統(tǒng)、電能量系統(tǒng)、高頻開關(guān)直流系統(tǒng)等，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)方遙測、遙信、遙控等功能，按變電站有人值班設(shè)計。主機(jī)柜、直流系統(tǒng)柜、蓄電池柜、交流系統(tǒng)柜、計量柜等布置在二次設(shè)備間箱體內(nèi)。主變保護(hù)測控裝置安裝在端子箱內(nèi)、主變35 kV側(cè)和主變10 kV側(cè)電能表安裝在主變10 kV側(cè)開關(guān)柜內(nèi)；10 kV線路保護(hù)測控裝置和10 kV線路電能表安裝在10 kV線路開關(guān)柜內(nèi)。

電站采用具有遠(yuǎn)程控制功能的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，不設(shè)置遠(yuǎn)動專用設(shè)備。監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具有自啟動功能，監(jiān)測范圍包括斷路器、隔離開關(guān)、接地刀閘、變壓器、電容器、交直流站用電、通信設(shè)備及其輔助設(shè)備、保護(hù)信號、各種裝置狀態(tài)信號、電氣量和非電氣量信號，控制范圍包括斷路器等。35 kV和10 kV側(cè)均采用保護(hù)和測控單元合一裝置。全站只設(shè)置一套時鐘同步系統(tǒng)，時間同步信號宜采用直流IRIG-B信號接口方式。

2.5 運輸模塊選型與設(shè)計

半掛車是變電設(shè)備的主要承載體，主要由車架、牽引銷、車橋、懸掛裝置、制動系統(tǒng)、燈光系統(tǒng)、踏梯、摘掛支承裝置、變電站液壓輔助支撐等組成。半掛車長13 500 mm，根據(jù)設(shè)備布置校核后設(shè)計前懸、軸距，為確保電纜進(jìn)出線高度（500 mm），拖車底盤距地面應(yīng)不小于1 100 mm。

車架整體結(jié)構(gòu)為鵝頸式，以降低整車高度。車架主要材料為高強(qiáng)度鋼，懸掛及平衡臂為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，車架主梁采用鋼板焊接而成，箱形結(jié)構(gòu)。車橋為整體鍛造焊接軸體，承載能力大，結(jié)構(gòu)可靠，設(shè)計合理，便于拆裝。采用三角鋼絲輪胎，雙胎并裝。

懸掛裝置選用空氣懸掛系統(tǒng)，保證所有輪軸均勻受載，行駛中緩解震動沖擊，還可根據(jù)路況自動調(diào)整整車高度。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用牽引車牽引轉(zhuǎn)向，牽引掛點、插座、制動接頭符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)。采用雙管路空氣制動系統(tǒng)，雙腔雙膜片制動氣室，并具有應(yīng)急制動及駐車制動功能，與牽引機(jī)頭連接采用標(biāo)準(zhǔn)氣路自封快換接頭。燈光系統(tǒng)符合汽車規(guī)范的照明和示意燈具，走線簡潔，合理。

2.6 變電站輔助裝置選型與設(shè)計

接地與防雷是移動變電車安全設(shè)計的重點，該移動變電車工作接地與保護(hù)接地分開，車上設(shè)有獨立的接地銅排和接地標(biāo)識，便于與主接地網(wǎng)連接。以垂直接地極的人工接地網(wǎng)為主，在移動變電車上設(shè)置接地端子，在變電工作時連接到變電站預(yù)留接地端子。移動變電車配有車載電動升降閃盾避雷針，避雷針為ZGJZ-400C，可耐雷擊電流400 A，電動升降桿采用蓄電池供電，可實現(xiàn)自動一鍵升降，升降高度達(dá)到18 m，適合邊遠(yuǎn)山區(qū)防雷使用。

開關(guān)站模塊設(shè)置1臺容量為30 kVA成套干式變壓器，為站內(nèi)配電裝置、直流系統(tǒng)等裝置提供交流電源。在10 kV箱式開關(guān)室內(nèi)設(shè)置有照明系統(tǒng)：分為正常照明和事故應(yīng)急照明，兩系統(tǒng)之間設(shè)有自動切換裝置。正常照明系統(tǒng)采取工作接零保護(hù)方式的系統(tǒng)接線。事故照明在全站失去交流電源的情況下，可自動投切到由站內(nèi)蓄電池供電狀態(tài)下。

3 設(shè)計計算

移動變電車設(shè)計應(yīng)對底盤縱梁抗彎強(qiáng)度、整車側(cè)傾角、抗風(fēng)能力、液壓系統(tǒng)選型、液壓支撐裝置強(qiáng)度、電力電纜載流量、相間距離、人機(jī)操作等進(jìn)行校核計算，由于篇幅有限，本文只對底盤縱梁抗彎強(qiáng)度、整車側(cè)傾角、抗風(fēng)能力的計算進(jìn)行介紹。

3.1 縱梁抗彎強(qiáng)度校核

移動變電車質(zhì)量包含以下幾部分：組合電器質(zhì)量、主變壓器質(zhì)量、箱變質(zhì)量、半掛車簧載質(zhì)量。計算前進(jìn)行如下假設(shè)：

a. 半掛車各零部件質(zhì)量均由縱梁承擔(dān)，并按均布載荷進(jìn)行計算；

b. 組合電器、主變壓器、箱變在各自與半掛車結(jié)合面內(nèi)，按均布載荷進(jìn)行計算；

c. 以半掛車前邊梁平面、半掛車中間縱向平面、地面交點為坐標(biāo)原點，沿半掛車長度方向為X軸正向，從半掛車后端向前看向右為Y軸正向，高度方向為Z軸正向。

相關(guān)載荷情況如表2所示。根據(jù)《專用汽車結(jié)構(gòu)與設(shè)計》：[3]

表2 相關(guān)載荷情況表

根據(jù)分析計算，最大彎矩發(fā)生在X=6.595 m處，此時縱梁有最大彎矩：Mmax≈370.7 Nm。

根據(jù)縱梁上的最小抗彎截面模量公式：

由最大彎矩Mmax和最小抗彎截面模量W求得單根縱梁最大彎曲應(yīng)力σ為：

式中，σs為縱梁屈服極限，縱梁材料為Q345，取σs=345 MPa；n1為疲勞系數(shù)，取n1=1.3；n2為動載荷系數(shù)，取n2=3；Mmax為縱梁所受最大彎矩，Nm；[σ]為縱梁許用應(yīng)力，MPa；h為縱梁高度，h=500 mm；b為翼板寬度，b= 240 mm；c為上、下翼板厚度，c=20 mm；t為腹板厚度，t=8mm。

可見，半掛車在上述載荷長期作用下，不會發(fā)生永久變形。

3.2 移動變電車整車側(cè)傾角

3.2.1 質(zhì)量、質(zhì)心位置及軸荷分配

移動變電車的質(zhì)量包括移動變電車運輸車自重和變電站設(shè)備質(zhì)量，公式為：

移動變電車的質(zhì)心位置應(yīng)根據(jù)半掛車、變壓器、組合電器、箱變的質(zhì)心位置確定：

后軸處載荷：

牽引銷處載荷：

牽引銷處占總重比：

式中，C1為半掛車前懸，C1=900 mm；C2為半掛車牽引銷到第一軸距離，C2=8 700 mm；C3為半掛車第一軸到第二軸距離，C3=1 310 mm；C4為半掛車第二軸到第三軸距離，C4=1 310 mm。

從載荷分配看，軸距布置合理。

3.2.2 校核整車側(cè)傾角

3.2.2.1 行駛狀態(tài)校核整車側(cè)傾角

移動變電車側(cè)翻角度公式：

式中，B1為后三軸輪距，B1=2 080 mm。

求得，α1≈32.4°。

根據(jù)GB 7258-2012規(guī)定：“機(jī)動車在空載、靜態(tài)狀態(tài)下，向左側(cè)和右側(cè)傾斜最大側(cè)傾穩(wěn)定角不允許小于：臥鋪客車、總質(zhì)量不小于整備質(zhì)量的1.2倍的專項作業(yè)車和輪式專用機(jī)械車32°”，所以移動變電車在一般坡道行駛或停車是安全的。

3.2.2.2 整車側(cè)傾角校核

在車輛停止變電站運行狀態(tài)下，按支撐腿跨距校核整車側(cè)傾角。支撐腿展開工作時，移動變電車側(cè)翻角度α2為：

式中，B2為支撐腿展開后中心距，B2=2 350 mm。

所以當(dāng)車輛靜止在地面，變電站運行狀態(tài)下，該車在一般坡道工作是安全的。

3.3 整車抗風(fēng)能力校核

移動變電車自身質(zhì)量產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩：

12級風(fēng)風(fēng)壓為：

移動變電車側(cè)向最大迎風(fēng)面積：

12級風(fēng)對移動變電車的作用力：

則12級風(fēng)對移動變電車產(chǎn)生的傾覆力矩為：

式中，ρ為空氣密度，ρ=1.25kg/m3；v為12級風(fēng)最大速度，v=36.9 m/s；L為移動變電車長度，L=13.5 m；H為為移動變電車高度（不含軸下），H=3.52 m；R為移動變電車迎風(fēng)面積的幾何中心離地面距離，R= 2.2 m。

通過計算可知，移動變電車在12級風(fēng)力下不會被破環(huán)。

4 移動變電車試驗

為確保移動變電車安全運行，生產(chǎn)后應(yīng)進(jìn)行相關(guān)性能試驗。一次設(shè)備應(yīng)進(jìn)行耐壓試驗：雷電沖擊耐受電壓、操作沖擊耐受電壓和工頻耐受電壓試驗。整個系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行電流互感器伏安特性、電流互感器變比及極性試驗、電流回路通電及二次負(fù)擔(dān)測試、電壓回路二次通電及核相試驗、主變保護(hù)裝置校驗、線路保護(hù)裝置校驗、遙控、遙信、遙測檢驗、機(jī)械操作試驗、行駛性能、制動性能、燈光性能等試驗。以上試驗均有相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)法規(guī)，在實際運用中可以參照進(jìn)行，限于篇幅不再介紹。

5 結(jié)語

本文介紹了一款移動變電車的結(jié)構(gòu)、計算，為移動變電車的設(shè)計、生產(chǎn)提供了思路。移動變電車按照電壓等級有很多系列，根據(jù)選擇不同的變電設(shè)備，結(jié)構(gòu)布局應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，設(shè)計者需充分合理設(shè)計設(shè)備間距，以滿足安全及操作需要。移動變電車具有快速機(jī)動、安全可靠的特點，越來越受到電力部門的青睞，在各種應(yīng)急供電保電場合發(fā)揮著巨大作用，市場需求將十分可觀。

[1] GB 1589-2016 汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、 軸荷及質(zhì)量限值[S] .

[2] 包紅旗.大型車載移動變電站[M].北京:中國水利水電出版社,2013.

[3] 徐達(dá).專用汽車結(jié)構(gòu)與設(shè)計[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1998.

Design of A Mobile Transformer Vehicles

SU Xiao-ming et al

The main electric scheme, insulation coordination, first equipment selection and design, second equipment selection and design and key component of 35 kV mobile transformer was introduced, and the bending strength of chassis beam, vehicle side inclination angle, wind resistance ability was calculated. This vehicle is approved by the test of electric power department, meeting the requirement of electric standard and was stable, worthy of promotion and application.

mobile transformer vehicles；selection；design

蘇曉明，男，1980年生，工程師，現(xiàn)從事車輛總體設(shè)計工作。

U469.6.02

A

1004-0226(2017)01-0088-04

2016-10-21