高寒地區(qū)牽引變電箱式所亭設(shè)計(jì)研究

王潘潘

（中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055）

27.5kV牽引變電箱式所亭具有投資及運(yùn)營成本低、占地少、選址受限制少等優(yōu)點(diǎn)。隨著我國電氣化鐵路的發(fā)展，牽引變電箱式所亭在我國鐵路供電系統(tǒng)中得到越來越多的應(yīng)用[1]。

牽引變電箱式所亭是指將分區(qū)所、開閉所高壓室內(nèi)的 27.5kV一次設(shè)備和主控室內(nèi)的二次設(shè)備均置于箱體內(nèi)，箱體內(nèi)27.5kV的一次設(shè)備采用手車式結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)無人值班、無人值守的牽引變電箱式設(shè)施。圖1為箱式開閉所主接線圖。

牽引變電箱式所亭可分為箱體、一次設(shè)備間隔、二次設(shè)備間隔三部分。箱體除包括箱體本身之外，一般還包括穿墻套管等。一次設(shè)備間隔主要由真空斷路器、隔離開關(guān)、電壓互感器、電流互感器、所用變等組成。二次設(shè)備主要由保護(hù)測控裝置、通信系統(tǒng)、交直流系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、輔助設(shè)備等組成。

1 普通牽引變電箱式所亭存在的問題

目前我國鐵路供電系統(tǒng)中，采用的牽引變電箱式所亭戶外環(huán)境溫度一般在-25℃～55℃之間[2-3]。而在東北、內(nèi)蒙、西北、新疆等高寒地區(qū)，普通的牽引變電箱式所亭很難適應(yīng)高寒地區(qū)的氣候特點(diǎn)。為了保證牽引變電箱式所亭設(shè)施的正常運(yùn)行。提高牽引變電箱式所亭對溫度的適應(yīng)能力顯得非常重要。

圖1 箱式開閉所主接線圖

提高牽引變電箱式所亭對溫度的適應(yīng)能力可以從以下三個(gè)方面進(jìn)行研究：

1）提高牽引變電箱式所亭箱體的保溫、隔熱能力。

2）加強(qiáng)箱體內(nèi)部恒溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，當(dāng)箱體內(nèi)的溫度低于或高于設(shè)定值時(shí)，起動(dòng)相應(yīng)的功能。

3）提高牽引變電箱體內(nèi)部設(shè)備對環(huán)境溫度的適用能力。

2 提高牽引變電箱式所亭對環(huán)境溫度的適應(yīng)能力

2.1 提高牽引變電箱式所亭的保溫隔熱能力

牽引變電箱式所亭的箱體是保證箱體內(nèi)各種設(shè)備正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。提高牽引變電箱式所亭的保溫隔熱能力，建議從箱體方面進(jìn)行考慮研究。

一般牽引變電箱式所亭的箱體采用全密封螺裝式金屬框架結(jié)構(gòu)[4]。箱體內(nèi)設(shè)若干個(gè)一次電氣設(shè)備單元和若干個(gè)二次電氣設(shè)備單元，一、二次電氣設(shè)備單元采用全封閉鋼板隔離方式。所內(nèi)二次電纜在箱體內(nèi)設(shè)置了專用的全密封通道，外接電纜從箱體內(nèi)二次間隔屏體下部設(shè)有專用通道內(nèi)通過。圖2所示為普通箱體的外形圖。

圖2 普通箱體的外形圖

由于金屬框架結(jié)構(gòu)具有良好的熱傳遞性，箱體內(nèi)的工作溫度很容易受到外界環(huán)境的影響，因此普通的箱體很難滿足箱式所亭內(nèi)對保溫、隔熱的要求。

結(jié)合高寒地區(qū)的氣候特點(diǎn)，建議對牽引變電箱式所亭的箱體進(jìn)行以下幾個(gè)方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其達(dá)到具有良好的保溫、隔熱性能的目的。

1）在箱體表面采用冰箱保溫工藝

建議箱體采用一體式聚氨酯保溫層，通體無熱橋。斷橋隔熱技術(shù)將內(nèi)外兩層金屬既隔開又緊密連接成一個(gè)整體，防止內(nèi)外金屬熱量的傳導(dǎo)。

采用此種工藝后箱體的導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.025W/m·℃左右，隔熱、保溫性能明顯，其不僅適用于高寒地區(qū)箱式所亭內(nèi)的保溫、還適應(yīng)于高溫環(huán)境下箱體內(nèi)的隔熱。除此它還具有抗沖擊能力強(qiáng)，彈性變形可恢復(fù)等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 箱體保溫材料的示意圖

2）加厚箱體保溫層

普通箱體一般采用30mm的雙層結(jié)構(gòu)，為了更好的增加保溫效果可結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件將箱體進(jìn)行加厚（比如加厚到50mm等），這樣其內(nèi)部就可以填充更多的發(fā)泡聚氨酯，保溫效果非常明顯。

3）選用雙層保溫頂蓋和保溫底板

牽引變電箱式所亭箱體的頂蓋和底部往往是保溫的薄弱環(huán)節(jié)，為了減少熱量從頂蓋和底板處流失，箱體的頂蓋選用質(zhì)輕高強(qiáng)度、防火防腐、抗震性強(qiáng)、美觀耐用的雙層保溫彩色鋼板。箱體底部采用雙層保溫底板。

4）加強(qiáng)箱體材料的選擇

（1）箱體鋼板選用優(yōu)質(zhì)的冷軋鋼

極端低溫會(huì)使普通鋼板的硬度和韌性降低。為了減少低溫對箱體本身的影響，因此箱體表面鋼板采用優(yōu)質(zhì)的冷軋鋼，該材料在低溫和高溫環(huán)境下都具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，可以充分保證箱體的高強(qiáng)度及耐久性。

（2）建議選用硅橡膠密封膠條

密封性能的好壞是保證箱體內(nèi)部氣溫不受影響的重要環(huán)節(jié)。普通箱體的密封膠條一般采用三元乙丙材料[5]。三元乙丙材料在低溫環(huán)境下會(huì)變硬，不僅使用壽命會(huì)降低，還會(huì)影響到密封效果。硅橡膠材料具有很好的耐低溫性能，選用硅橡膠密封膠條，不僅可以保證箱體的密封性能不受影響，還能延長的密封材料的使用壽命，從而確保箱體內(nèi)具有一個(gè)比較良好的密封狀態(tài)。

通過采用上述的這些措施后，牽引變電箱式所亭的箱體不僅可以很好的減少外界低溫氣體對箱體內(nèi)正常工作溫度的影響，也大大的減少了外界高溫氣體對箱體內(nèi)設(shè)備的影響，從而達(dá)到一個(gè)很好的保溫、隔熱效果。

除此之外，箱體也可以采用其他材料，比如采用纖維水泥材料。纖維水泥材料無論是在保溫還是隔熱方面都具有很好的性能。但是其抗震、抗沖擊性比較差，在運(yùn)輸途中容易出現(xiàn)箱體開裂等。

2.2 加強(qiáng)箱體內(nèi)部恒溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

箱體內(nèi)的恒溫系統(tǒng)主要包括在低溫條件下保溫、加熱功能及在高溫環(huán)境中隔熱、降溫功能兩部分組成[6]。由于箱體內(nèi)的一次設(shè)備和二次設(shè)備對環(huán)境溫度的要求不同，因此，在箱體內(nèi)將一二次設(shè)備間隔分開，根據(jù)其不同特點(diǎn)設(shè)置恒溫裝置。

箱體內(nèi)恒溫系統(tǒng)選擇可連續(xù)工作的工業(yè)空調(diào)和工業(yè)加熱器。工業(yè)空調(diào)建議滿足在-50℃～55℃的環(huán)境中正常工作，工業(yè)加熱器應(yīng)滿足在-50℃～40℃的環(huán)境中正常工作。

1）在低溫環(huán)境下保溫加熱功能

在高寒地區(qū)，必須采用保溫和加熱相結(jié)合的方式，才能保障電氣設(shè)備正常工作。在牽引變電箱式所亭的各設(shè)備中，二次設(shè)備是對環(huán)境溫度要求最為嚴(yán)格，因此除在箱體內(nèi)配備大功率的工業(yè)空調(diào)保證箱體內(nèi)的恒溫之外，還應(yīng)在二次電氣設(shè)備間隔內(nèi)設(shè)置工業(yè)級可連續(xù)工作的加熱器。

恒溫系統(tǒng)采用自動(dòng)控制和遠(yuǎn)動(dòng)控制相結(jié)合的方式。當(dāng)箱體內(nèi)的溫度低于設(shè)定值時(shí)，首先自動(dòng)起動(dòng)箱體內(nèi)的工業(yè)空調(diào)進(jìn)行加熱，如果溫度還不滿足要求時(shí)，就再次起動(dòng)二次設(shè)備間隔內(nèi)的工業(yè)加熱裝置。采用此種措施可以充分保證箱體內(nèi)的溫度處于一種恒溫狀態(tài)。

箱體內(nèi)的工業(yè)空調(diào)及工業(yè)加熱器需納入所內(nèi)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，箱體內(nèi)的溫度信息可以通過遠(yuǎn)動(dòng)通道上傳至控制中心，控制中心可根據(jù)箱體內(nèi)溫度情況，可以實(shí)現(xiàn)對工業(yè)空調(diào)及工業(yè)加熱器的遠(yuǎn)程控制。

當(dāng)恒溫系統(tǒng)的自動(dòng)控制失靈時(shí)，控制中心也可以通過遠(yuǎn)動(dòng)通道開起、關(guān)閉恒溫系統(tǒng)，設(shè)置恒溫系統(tǒng)的工作溫度等。恒溫系統(tǒng)也可以實(shí)現(xiàn)人工手動(dòng)控制。通過遠(yuǎn)程操作及人工手動(dòng)控制可以進(jìn)一步保證恒溫系統(tǒng)工作的高可靠性。

2）在高溫環(huán)境下降溫、通風(fēng)功能

高寒并不是一種常態(tài)，在采取了保溫措施之后，如何保證牽引變電箱式所亭在其他溫度下尤其是在高溫狀態(tài)下的安全運(yùn)行也是本課題所需要研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

當(dāng)箱體內(nèi)的溫度高于設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)起動(dòng)工業(yè)空調(diào)的制冷功能，降低箱體內(nèi)的工作溫度，保證箱體內(nèi)的溫度處于恒溫狀態(tài)。在箱體內(nèi)設(shè)置通風(fēng)口及軸流風(fēng)機(jī)并設(shè)置溫度傳感器。通風(fēng)口平時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)箱體內(nèi)的溫度高于設(shè)定值時(shí)，起動(dòng)軸溫風(fēng)機(jī)的通風(fēng)功能。軸溫風(fēng)機(jī)的控制納入遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)，信息通過遠(yuǎn)動(dòng)通道上傳至控制中心，當(dāng)軸流風(fēng)機(jī)不能自動(dòng)起動(dòng)時(shí)，控制中心可通過遠(yuǎn)動(dòng)通道自動(dòng)控制軸溫風(fēng)機(jī)的開起。通風(fēng)口及軸溫風(fēng)機(jī)也可以實(shí)現(xiàn)人工手動(dòng)控制。通風(fēng)口的設(shè)置應(yīng)滿足防水的要求，在通風(fēng)口開起時(shí)，應(yīng)充分保證雨水不能滲透到箱體內(nèi)。

2.3 提高牽引變電箱體內(nèi)設(shè)備對環(huán)境溫度的適用能力

牽引變電箱式所亭的設(shè)備可分為一次設(shè)備和二次設(shè)備[7]。

1）一次設(shè)備選擇

一次設(shè)備主要包括真空斷路器、隔離開關(guān)、電壓互感器、電流互感器、所用變等。

相對于二次設(shè)備而言，一次設(shè)備對溫度的適用能力更強(qiáng)一些。由于一次設(shè)備是安裝在箱體內(nèi)部的，因此可以參考室內(nèi)設(shè)備參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)對一次設(shè)備進(jìn)行選型，但是考慮到高寒地區(qū)的氣候特點(diǎn)，建議提高某些具體技術(shù)參數(shù)的指標(biāo)。

（1）斷路器、隔離開關(guān)

斷路器是電氣化鐵路電力牽引供電系統(tǒng)的接受和分配電能的主要開關(guān)設(shè)備。其主要功能一般包括控制、保護(hù)和測量等。牽引變電箱式所亭一般選用耐受低溫能力較強(qiáng)的 27.5kV鐵路專用戶內(nèi)真空斷路器[8]。隔離開關(guān)一般起到隔離電源保證檢修安全的作用，牽引變電箱式所亭一般選用耐受低溫能力較強(qiáng)的27.5kV戶內(nèi)單極電動(dòng)隔離開關(guān)。在高寒地區(qū)建議其在箱體內(nèi)的工作溫度應(yīng)至少滿足-25℃～55℃的要求。

（2）互感器

電壓、電流互感器是牽引供電系統(tǒng)的重要測量設(shè)備。電壓互感器在牽引變電箱式所亭中一般單獨(dú)安裝在一次設(shè)備隔間內(nèi)，電流互感器一般安裝在手車上與真空斷路器配合使用[9]。

普通電壓、電流互感器一般選用環(huán)氧樹脂作為絕緣材料，一、二次繞組、鐵心等部件全部密封于絕緣的樹脂層中。普通的環(huán)氧樹脂在低溫環(huán)境下具有脆性大、易開裂等缺點(diǎn)。因此，建議選用聚四氟乙烯作為絕緣材料，聚四氟乙烯通常作為110kV或220kV干式電壓互感器或電流互感器的絕緣，它具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，可以在低溫環(huán)境中保持很好的運(yùn)行，是運(yùn)用在干式設(shè)備中比較穩(wěn)定的絕緣材料。

2）二次設(shè)備

二次設(shè)備包括保護(hù)測控裝置、通信系統(tǒng)、防災(zāi)系統(tǒng)、交直流系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、輔助設(shè)備等。相對于一次設(shè)備而言二次設(shè)備對溫度的適應(yīng)能力較差。因此除了對二次設(shè)備間隔加強(qiáng)保溫措施之外，還需要選擇耐受低溫較強(qiáng)的二次設(shè)備。

（1）保護(hù)測控裝置

保護(hù)測控裝置是牽引供電設(shè)備安全運(yùn)行的重要保證，也是最容易受到低溫影響的設(shè)備，因此提高保護(hù)測控裝置的耐低溫能力對提高整個(gè)牽引變電箱式所亭的耐低溫能力具有重要意義。

在整個(gè)保護(hù)測控裝置中中央處理器、DSP芯片及其他所有集成芯片是最容易受到氣候影響的。建議中央處理器、DSP芯片及其他所有集成芯片均采用對低溫和高溫都具有很強(qiáng)適應(yīng)性的軍品級的產(chǎn)品，其可在-25℃～55℃的環(huán)境溫度內(nèi)正常的工作，這樣可以提高整個(gè)保護(hù)測控裝置適應(yīng)低溫的能力。

（2）安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)

牽引變電箱式所亭為無人值班無人值守設(shè)計(jì)，設(shè)置安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)能夠保證牽引供電設(shè)備的運(yùn)行安全，保證鐵路線路的正常供電。

安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用球形攝像頭，安裝在箱體上或者箱體外的支柱上。普通的球形攝像頭很難滿足嚴(yán)寒地區(qū)對低溫的要求，因此需要選用耐寒性較強(qiáng)的耐寒性球形攝像頭，要求其在室外的工作溫度滿足-50℃～55℃的要求。

3 結(jié)論

本文針對高寒地區(qū)的氣候特點(diǎn)，主要從提高牽引變電箱式所亭箱體的保溫、隔熱能力；加強(qiáng)箱體內(nèi)部恒溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；提高牽引變電箱體內(nèi)部設(shè)備對環(huán)境溫度的適用能力等三個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。對高寒地區(qū)牽引變電箱式所亭的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

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