周 君 田麗麗 王明軍 駱祥華

（1.青島特銳德電氣股份有限公司 2.鐵路總公司拉林鐵路建設總指揮部）

0 引言

在過去的十年間，中國的高鐵事業(yè)得到了突飛猛進的發(fā)展。在國家有關部門、各省市自治區(qū)及社會各界的大力支持下，高鐵建設取得了巨大成就：目前中國高鐵運營里程超過2.2萬公里，京哈、京滬、滬昆等高速鐵路宛如一條條巨龍連接了祖國各地，設計時速均達到或超過了350公里／小時，屢屢刷新世界紀錄，取得了舉世矚目的成就，成為中國耀眼的 “外交名片”，承擔著 “一帶一路”中互聯(lián)互通的時代使命。

2016年，新的 《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》明確了高鐵運營目標：2020年達到3.0萬公里，2025年達到3.8萬公里、2030年達到4.5萬公里。如此宏偉的規(guī)劃，對高鐵的建設發(fā)展提供強大動力的同時也對高鐵產(chǎn)業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié)提出了更高更嚴的標準和要求。高速鐵路電力遠動箱變作為鐵路通信信號電源最核心的設備，其方案設計也變得尤為重要，容不得半點馬虎；本文將對其設計方案進行系統(tǒng)的分析，明確其具體要求。

高速鐵路電力遠動箱變是針對鐵路自動閉塞和電力貫通線路供電特點而專門設計的高新技術產(chǎn)品。它將高壓環(huán)網(wǎng)開關柜、信號變壓器、低壓開關柜和電力遠動終端裝置等組合在一起，結(jié)構(gòu)緊湊，安全可靠，不受外界干擾，功能擴展空間大，不僅能夠?qū)π盘栯娫磳崟r監(jiān)控，還能通過RTU從后臺進行開關的合分操作，真正實現(xiàn)了 “三遙”。

整個箱變建設中一二次系統(tǒng)集成化、裝配模塊化；建設過程工廠化、施工簡單化；檢修集中、簡單，占地面積小，不受惡劣環(huán)境的侵害，很好地替代了原有戶內(nèi)安裝設備。

1 高速鐵路電力遠動箱變系統(tǒng)方案

高速鐵路電力遠動箱變主要由高壓環(huán)網(wǎng)開關柜、變壓器、低壓開關柜、電源系統(tǒng)、電力遠動終端裝置、環(huán)控系統(tǒng)等組成，現(xiàn)將關鍵組成部分說明如下：

1.1 高壓環(huán)網(wǎng)開關柜

環(huán)網(wǎng)開關柜一般采用緊湊型、共箱式SF6氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜，實現(xiàn)10kV系統(tǒng)全封閉、全絕緣。所有帶電部件均密閉于SF6氣室內(nèi)，環(huán)網(wǎng)柜外殼由不小于3mm厚的不銹鋼板焊接而成，具有較好的氣密性和可靠性，運行不受外界環(huán)境的影響，防護等級達到IP65以上。環(huán)網(wǎng)柜應裝設SF6氣體壓力表；充氣后箱體無變形，SF6氣體年泄漏率小于0.1%。

環(huán)網(wǎng)柜負荷開關均采用電動操作，具備遠方操作接口，通過RTU實現(xiàn)遠信方的遙信、遙測、遙控的“三遙”功能。RTU三遙點應至少包括：開關合、分閘操作，低氣壓報警信號，電流、電壓遙測，開關合分閘信號、接地開關合閘信號、熔絲熔斷信號等。

環(huán)網(wǎng)柜應設置母線PT，以便于實現(xiàn)10kV電壓監(jiān)測功能。一般做法為環(huán)網(wǎng)柜母線引出套管，連接全絕緣電纜頭，電纜對側(cè)采用大口徑美式電纜頭與母線PT連接；電纜頭配內(nèi)置熔斷器，插拔式安裝，熔管更換方便。

環(huán)網(wǎng)柜電纜室應有較大空間 （一般要求≮600mm），保證元器件安裝方便及電纜連接不受應力影響；電纜室應配置電纜固定夾便于固定電纜；同時電纜室的底板過線孔應設置密封圈，現(xiàn)場施工完畢后應采用防火泥或發(fā)泡等方式進行封堵處理，避免產(chǎn)生凝露及防止小動物誤入。

結(jié)合鐵路電力雙線路、環(huán)形供電的特點，環(huán)網(wǎng)柜主要分為負荷開關單元、負荷開關＋熔斷器單元。負荷開關單元作為箱式變電站的進線和出線，負荷開關＋熔斷器單元作為變壓器及電抗器饋線。

根據(jù)數(shù)條高鐵項目近十年的運行經(jīng)驗，環(huán)網(wǎng)柜部分有以下幾點需要特別說明：

（1）負荷開關：采用三位置開關，具備分、合、接地三個工位，分、合位置與接地開關間可靠閉鎖，同時接地開關操作機構(gòu)應具備可靠的帶電閉鎖功能。

（2）熔斷器：采用高壓限流熔斷器，每相安裝于獨立的小室內(nèi)，熔斷器熔斷后應能觸發(fā)上傳信號。另外熔斷器電流的選擇應考慮其特性曲線要求，對于所保護變壓器容量≤100kVA時，熔斷器選擇應考慮較大的裕度，一般建議按照2～3倍的額定電流配置。

（3）電流互感器：采用穿心式結(jié)構(gòu)，測量精度不低于0.5級。由于此類互感器的制作工藝及材料受限導致小變比互感器 （一次側(cè)電流30A）的二次輸出容量受限 （1.5VA），故二次側(cè)電流應設計為1A。若采用二次側(cè)為5A的互感器，則其精度無法滿足既定要求。

下面針對二次側(cè)電流為5A和1A的互感器分別進行計算驗證：假設二次線長度為20m（箱變長度6m時，最遠處互感器二次側(cè)至RTU的連線長度），截面積為2.5mm2，不計電流表內(nèi)阻及接觸電阻，忽略線路電抗、僅考慮電阻的情況下互感器二次側(cè)負荷容量計算如下：

式中，ρ為銅導體的電阻率，取1.75×10－8Ωm

通過上述計算，可以得出結(jié)論：針對高速鐵路電力遠動箱變高壓流互二次側(cè)電流的設計應優(yōu)先考慮1A。這個問題在目前的鐵路項目設計中應予以足夠的重視，盡量避免5A互感器的使用。

（4）電壓互感器：采用全絕緣全密封形式，插拔式結(jié)構(gòu)，采用三相V／V接線方式，實現(xiàn)母線電壓測量，精度0.5級。

（5）護層保護器：鐵路貫通線采用單芯電纜線路，距離較長時應采用一端直接接地、另一端經(jīng)護層保護器接地的形式，避免環(huán)流導致的絕緣等級降低或減少電纜使用壽命的問題。當貫通線路采用三芯電纜時，認為電纜護層通過的電流為零，可不設護層保護器。當貫通線路采用三芯電纜但三相嚴重不平衡或者存在其他強感應電流時，可增設一只護層保護器。

1.2 10／0.4／0.23kV變壓器

變壓器選用SC10／SC11系列干式配電變壓器，線圈采用環(huán)氧樹脂澆注形式，由于高鐵電力遠動箱變變壓器容量普遍較小 （一般為30kVA／50kVA／63kVA），故建議采用自然風冷的變壓器。變壓器應符合 《干式電力變壓器技術參數(shù)和要求》（GB／T10228）及其所提及的法規(guī)和標準的相關規(guī)定。

主要技術參數(shù)：

規(guī)格型號SC10／SC11額定電壓：10kV／0.4／0.23kV額定頻率：50Hz相 數(shù)： 3相／單相聯(lián)接組別：Dyn11繞組材料： 銅導線絕緣材料耐熱等級： F級分接范圍：10±2×2.5%kV噪聲水平： 不大于55dB進線方式： 電纜出線方式： 電纜

考慮到高鐵項目經(jīng)常會涉及到公網(wǎng)覆蓋等導致的變壓器增容問題，故箱變設計時應考慮預留一定的增容空間，建議＜100kVA的變壓器均按照100kVA預留增容條件。

1.3 低壓開關柜

低壓開關柜采用固定間隔式，設獨立端子箱，便于現(xiàn)場操作、檢修等工作。

低壓電氣元件應通過國家3C（china compulsory certification）強制性認證。低壓開關一般為固定安裝塑殼斷路器，具備電動操作功能，可進行遠方及本地操作，實現(xiàn)遙控、遙信、遙測等 “三遙”功能。結(jié)合高鐵項目運行情況，低壓開關應能實現(xiàn)故障后自動復位功能，可實現(xiàn)脫扣后后臺遙控功能，避免人為現(xiàn)場復位情況出現(xiàn)。

低壓進線總開關上側(cè)應安裝隔離開關，便于形成明顯的斷開點?？紤]到鐵路沿線震動較大，為避免隔離開關脫落導致的不良后果，應選用可防誤操作形式的隔離開關，即自帶合閘自鎖裝置。

1.4 電源系統(tǒng)

操作電源主要由交流充電電源、切換電路、UPS等組成。交流充電電源引自箱變不同變壓器低壓側(cè)，兩路電源互為備用，由切換電路自動完成切換。通過UPS向需要在交流電缺失時進行電動操作的設備及RTU裝置供電。雙電源備自投輸出給UPS電源，并設UPS備用電源回路，最大可能地提高高壓開關及RTU等操作電源的可靠性，同時，UPS失電時向后臺發(fā)出失電信號，以便及時檢修排除故障。UPS電源的容量不小于2000VA。

1.5 箱變環(huán)控系統(tǒng)

（1）溫度控制

1）箱體保溫：箱體為雙層結(jié)構(gòu)，采用冰箱保溫工藝，內(nèi)部聚氨酯發(fā)泡填充，采用門窗的斷橋隔熱技術，從而達到夏天隔熱、冬天保溫的效果。

2）通風設計：變壓器室采用通風結(jié)構(gòu)，門板沖切百葉窗，具備防雨功能，且可靠通風；同時設強制風冷系統(tǒng)，溫度高于設定值時，自動啟動軸流風機強制排風降溫，同時上傳超溫報警信號。

3）空調(diào)設計：根據(jù)設備運行區(qū)域可選用空調(diào)設計，所選用的空調(diào)應采用工業(yè)型空調(diào)，具備工作狀態(tài)上傳后臺、來電自啟及后臺開關機等功能，滿足無人值守要求。

4）柜體保溫：自動化柜作為對溫度要求最為嚴格的單元，其結(jié)構(gòu)應設計為獨立的保溫結(jié)構(gòu)，同時增加風道等設計，保證柜內(nèi)恒溫35℃左右，滿足RTU等精密元器件的運行要求。

（2）凝露控制——除潮：加強箱體密封，做好電纜出線孔封堵；同時設置自動凝露控制裝置，濕度超限時自動啟動加熱裝置進行除潮，同時上傳凝露報警信號；沿海地區(qū)箱變設計啟動加熱板的同時啟動風機，進行集中除潮；另外還可以根據(jù)需要增設除濕機除濕。

（3）防塵控制——密封：箱體頂蓋和框架結(jié)合處設密封措施，變壓器室門板設防塵網(wǎng)。

1.6 箱變實現(xiàn)無人值守的輔助設計

（1）開門報警設計：箱變外門設有開門啟動照明和開門報警裝置，開門信號通過RTU上傳至后臺主站。

（2）煙霧報警信號：箱變內(nèi)低壓室、變壓器室和高壓室均設有煙霧報警裝置，一旦有火情發(fā)生，感煙器即通過RTU向后臺報警，可及時切除電源，防止事故擴大。

2 箱變布局

箱式變電站設置高壓室、變壓器室和低壓室。一級貫通和綜合貫通設備在布局上獨立分割。

高壓室設有兩路電源的進線柜、出線柜和變壓器饋線柜。變壓器室設有兩臺變壓器。低壓室設有低壓進出線開關柜、雙電源切換裝置、UPS及RTU裝置等。

箱變的一級貫通和綜合貫通系統(tǒng)實現(xiàn)嚴格的隔離，任何一套系統(tǒng)的檢修、試驗不會影響另一套系統(tǒng)的正常工作。兩側(cè)分別設端子箱，分別安裝在兩個低壓柜端面，方便安裝、檢修和試驗。

變壓器室的隔板要采用密封型，任何一臺變壓器故障，不會影響另一臺變壓器的運行。

箱式變電站應保證布局合理、結(jié)構(gòu)緊湊，便于操作、檢查和維護。外型設計美觀大方，與周邊的環(huán)境相適應，具有良好的視覺效果。

3 箱體結(jié)構(gòu)設計

箱體采用雙層、密封、防腐蝕、隔溫結(jié)構(gòu)，雙層箱體必須都采用2mm厚度以上的冷軋鋼板制作，雙層之間必須有建設部允許的防火隔溫材料。內(nèi)部采用鋼板及阻燃絕緣隔板嚴密分割成高壓室、變壓器室、低壓室。

箱體底架部件由槽鋼焊接而成，框架及門采用優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板，框架鋼板厚度不小于2.5mm，門和頂蓋鋼板厚度不小于2mm。門板采用兩層鋼板對扣焊接的結(jié)構(gòu)型式，保證門板不變形，箱變底板采用厚度不低于1.5mm的冷軋鋼板。

箱體骨架為焊接式，骨架應有足夠的機械強度和剛度，在起吊、運輸和安裝時不會變形或損傷。外殼形狀應不易積塵、積水；盡量少用外露緊固件，以免螺釘穿通外殼使水導入殼內(nèi)；對穿通外殼的孔，均應采取相應的密封措施；外殼應防水、防震、防腐、防塵、防電燃。箱體底座采用槽鋼結(jié)構(gòu)，保證吊裝運輸?shù)牟蛔冃?，箱體與電纜溝之間安裝有底板，防止小動物進入。

為確保箱變的高壓、低壓、保護控制、變壓器等設備的可靠運行，并實現(xiàn)防塵、防潮、防凝露的要求，箱體的高壓室、低壓室和變壓器室必須密封處理，所有能夠開啟的門均加裝密封條，在門關上以后，保證箱變的防護等級達到IP54，以確保箱體的防塵、防潮、防凝露。

4 箱體防腐措施

箱體采用冷軋鋼板，進行噴砂 （增加鋅和油漆的附著力）、除灰、熱噴鋅 （增加金屬的表面防腐能力）、噴鋅加涂料 （防銹）、噴鋅加漆漿、噴聚胺脂面漆三遍等防腐處理，防腐能力較強，可保證20年不銹蝕。

5 結(jié)束語

通過上述高速鐵路電力遠動箱變方案的簡析，以及同目前運行的箱式變電站產(chǎn)品比較，筆者得出如下結(jié)論：目前，高速鐵路電力遠動箱變是同類產(chǎn)品中運行可靠性最高、設計檔次最高、標準化程度最高、規(guī)?；a(chǎn)程度最高的產(chǎn)品，但是該產(chǎn)品使用和維護過程中仍然有許多不盡如人意的地方，隨著該產(chǎn)品運行經(jīng)驗的不斷積累以及新技術的不斷運用，該產(chǎn)品必將向著節(jié)能型、無污型、免維護型發(fā)展，我們期望新一代高速鐵路電力遠動箱變的及早問世。