王尉舟 由恒遠(yuǎn)

（1．中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，四川 成都 610094；2．青島特銳德電氣股份有限公司，山東 青島 266100）

0 引言

隨著近些年來新制式軌道交通（有軌電車、磁懸浮、山地軌道交通、空軌以及城際快鐵等）行業(yè)的發(fā)展。，很多新制式軌道交通項目采用中壓35 kV、直流1 500 V 牽引的供電制式。由于新制式軌道交通與傳統(tǒng)地鐵項目之間的差異很大，新制式軌道交通變電站一般設(shè)置在地面或地上，往往不具備傳統(tǒng)地鐵項目變電所的土建條件。即使采用常規(guī)的土建式牽引變電站，也一直存在造價高、選址難、建設(shè)周期長以及維護接口復(fù)雜等問題[1]，如何解決牽引變電所建站和選址的問題成為新制式軌道交通項目供電系統(tǒng)專業(yè)面臨的一個重大技術(shù)難題。箱式變電站的應(yīng)用可以較大程度地解決牽引變電所建站和選址的問題，箱式結(jié)構(gòu)變電站由于具有集成度高、占地面積小、土建工程少等優(yōu)勢，因此將會成為新制式軌道交通牽引供電的主流選擇，該文通過對大型牽引變電所的箱式方案的設(shè)計思路和實現(xiàn)方案的闡述，為新制式軌道交通項目供電系統(tǒng)的設(shè)計提供了參考。

1 大型箱式牽引變電所方案說明

在大型城市軌道交通項目中，例如某市域軌道交通項目的主要設(shè)備為35 kV 開關(guān)柜、2 套整流機組（3 000 kVA整流變壓器+整流器）、直流開關(guān)柜、上網(wǎng)開關(guān)柜、交直流屏系統(tǒng)、排流柜、鋼軌電位限制裝置以及再生制動設(shè)備。為了節(jié)約箱體空間，配電變壓器放置在車站負(fù)荷中心，箱式牽引所內(nèi)變壓器容量應(yīng)滿足箱式牽引所負(fù)荷需求。

對于一次方案，35 kV 開關(guān)柜通常采用GIS 充氣柜，主流35 kV GIS 充氣柜一般為分相式結(jié)構(gòu)和共箱式結(jié)構(gòu)，其優(yōu)缺點如下。

分相式結(jié)構(gòu)包括以下3 個特點。1） 開關(guān)柜采用分相結(jié)構(gòu)，不會產(chǎn)生相間短路，供電連續(xù)性能較優(yōu)。2）電流互感器外置，不需承受動熱穩(wěn)定影響。3）缺點是占地空間較大，需要補氣空間，安裝結(jié)構(gòu)只有內(nèi)錐直插結(jié)構(gòu)。

共箱式結(jié)構(gòu)的特點包括以下4 點：1）產(chǎn)品體積較小，比較適用于戶外箱式變電站內(nèi)部空間布置要求。2）產(chǎn)品并柜采用內(nèi)錐母線插拔技術(shù)，產(chǎn)品現(xiàn)場安裝無需進行現(xiàn)場充氣。3）對外一次電纜接線方式可采用外錐配肘型頭，安裝更加方便。4） 缺點是互感器內(nèi)置帶來的安全隱患。

筆者推薦采用共箱式結(jié)構(gòu)的35 kV GIS 時將35 kV 電壓互感器單獨成柜，避免因35 kV 電壓互感器燒毀導(dǎo)致整個氣室的破壞和故障范圍的擴大。

傳統(tǒng)軌道交通項目是以整流機組作為核心的牽引供電設(shè)備。隨著我國對低碳節(jié)能的要求愈發(fā)嚴(yán)格，全國各地項目逐漸開始推廣再生制動成套設(shè)備，其可以在機車制動時進行能量回收。

近些年來雙向變流器裝置應(yīng)運而生。雙向變流裝置同時具有整流和逆變功能，可根據(jù)系統(tǒng)牽引能量流動情況自主選擇整流及逆變工況。其優(yōu)勢包括以下3 條：1）采用雙向變流裝置可以省掉再生制動裝置，節(jié)約生產(chǎn)用房規(guī)模。2）雙向變流裝置損耗小，諧波含量小。3）采用雙向變流裝置可使系統(tǒng)能量得到充分應(yīng)用。但目前雙向變流器裝置僅處于實驗階段，并未投入實際項目運營，缺乏實際項目論證。雙向變流器裝置高額的成本使其難以在具體項目中得以應(yīng)用。

該文推出的方案在應(yīng)用最為廣泛的“雙整流機組+再生制動成套設(shè)備”的基礎(chǔ)上完成。具體項目可根據(jù)設(shè)備的增減或變化在該方案基礎(chǔ)上修改后應(yīng)用。

1.1 箱式變電站整體布置方案說明

大型箱式牽引變電所的方案最早應(yīng)用于重慶跳蹬線—江津段項目中。項目現(xiàn)場的2 個橋墩之間的凈空間距離為32 m，箱變的2 個預(yù)制艙拼接后長度為29 m，剛好留下開門空間。在該極端狹小的空間中，箱式變電站的集成優(yōu)勢體現(xiàn)的非常明顯。

重慶跳蹬線—江津段項目中采用的是2 個預(yù)制艙的箱式牽引變電所方案。將整流變壓器、所用變壓器、交直流成套裝置和35 kV 設(shè)備放置在其中1 個預(yù)制艙內(nèi)。將直流設(shè)備及再生制動設(shè)備放置在另1 個預(yù)制艙內(nèi)。

經(jīng)過對重慶跳蹬線—江津段項目的實踐總結(jié)，筆者認(rèn)為，2 個預(yù)制艙的箱式牽引變電所方案尚存在以下3 個問題。1） 變壓器集中在其中1 個預(yù)制艙內(nèi)造成荷載不均，2 臺整流變壓器集中在較長的箱體的一端，造成預(yù)制艙一端荷載遠(yuǎn)大于另外一端，使得箱體在運輸和吊裝過程中難度加大。2）2 個預(yù)制艙的箱式牽引變電所方案設(shè)備間接線不能做到方案最優(yōu)，某些設(shè)備線纜長度較大。3）2臺整流變壓器和2 臺所用變壓器集中在1 個預(yù)制艙內(nèi)導(dǎo)致環(huán)控壓力較大。

經(jīng)過后期對箱式牽引所結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，筆者設(shè)計了3 個預(yù)制艙的箱式牽引所方案，如圖1～圖3 所示，并將該方案應(yīng)用于彭白鐵路改建工程項目中。

圖1 箱體1 平面布置示意圖

3 個預(yù)制艙的箱式牽引所方案可根據(jù)場坪條件進行排布。如果場坪寬度較窄，可以按照箱體1、箱體2、箱體3的順序從左到右一字排列布置。也可以分2 排布置，第1排從左至右按照箱體2、箱體1 的順序排布，箱體3 為第2 排，中間設(shè)置1.5 m～2 m 的檢修通道。

該方案具有7 點優(yōu)勢：1） 各預(yù)制艙內(nèi)荷載相對一致，便于運輸和吊裝。2） 各預(yù)制艙內(nèi)設(shè)備功能統(tǒng)一。3） 將變壓器和發(fā)熱量大的設(shè)備集中設(shè)置，減少箱變環(huán)控的難度。4）充分考慮到箱體間、箱體內(nèi)部設(shè)備接線關(guān)系，讓有接線關(guān)系的設(shè)備臨近，最大程度地節(jié)約電纜，保證供電可靠性。5） 全站可打開前后門檢修，方便安裝維護。每個預(yù)制艙設(shè)置2 個以上的檢修門，設(shè)置應(yīng)急逃生鎖，預(yù)制艙內(nèi)設(shè)置貫通的檢修巡視通道。保證檢修維護設(shè)施安全方便，尤其是利于危險時逃生。6） 整流變壓器是產(chǎn)生故障后對其他設(shè)備影響最大的元件，因此該項目設(shè)置獨立的變壓器間隔，使其完全獨立，防止事故擴大，安全可靠。7） 在現(xiàn)場環(huán)境場地允許的情況下，可以在預(yù)制艙主體兩側(cè)設(shè)置1.5 m 的檢修通道，該措施相當(dāng)于土建變電站結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)全部箱變內(nèi)維護檢修。

1.2 箱式變電站內(nèi)火災(zāi)監(jiān)控和消防系統(tǒng)說明

箱式變電站為無人值守變電站，根據(jù)《火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)》GB 50229—2019[2]中規(guī)定：屋外配電裝置區(qū)域布置露天的電氣以及設(shè)備支架和構(gòu)架，不屬于一般的建筑物，現(xiàn)在的電氣設(shè)備一般是無油或少油電氣設(shè)備，設(shè)備支架和構(gòu)架較多為鋼結(jié)構(gòu)，不必按建筑的耐火等級規(guī)定構(gòu)架和支架的耐火要求。因此不再規(guī)定屋外配電裝置區(qū)域耐火等級要求。

箱變內(nèi)不設(shè)置消防設(shè)施，設(shè)置火災(zāi)監(jiān)控，通常設(shè)置感煙器等?；馂?zāi)監(jiān)控設(shè)備信號可以同時上傳至綜合監(jiān)控FAS系統(tǒng)及輔助監(jiān)控系統(tǒng)。

1.3 箱式變電站環(huán)控設(shè)計

對于大容量的變壓器的發(fā)熱量的控制需要針對現(xiàn)場環(huán)境做充分的設(shè)計。變壓器室采用強制風(fēng)冷來實現(xiàn)，參照《箱式一體化光伏逆變站的通風(fēng)散熱研究》[2]對風(fēng)機和風(fēng)口等條件進行優(yōu)化設(shè)計。為了保證在通風(fēng)窗有灰塵的情況下依然能保證足夠的散熱量，散熱設(shè)計通常按2 倍以上的散熱效果考慮。

以《有軌電車箱式牽引變電站的方案結(jié)構(gòu)優(yōu)化》[3]中對微正壓的描述作為參考，箱變內(nèi)非變壓器部分均考慮使用微正壓空調(diào)來對環(huán)境進行優(yōu)化控制。由于系統(tǒng)容量較大，在發(fā)熱量大的設(shè)備頂部應(yīng)酌情考慮設(shè)置風(fēng)道接入來加強降溫功能，增加設(shè)備運行壽命。

1.4 箱式變電站輔助監(jiān)控系統(tǒng)說明

近些年來，在由電力系統(tǒng)推行、鐵路行業(yè)大力推廣以及城市軌道交通行業(yè)逐步全面應(yīng)用的背景下，由于箱式變電站對無人化要求更高，因此，箱式牽引變電所應(yīng)采用輔助監(jiān)控系統(tǒng)。輔助監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)功能如下。

1.4.1 視頻監(jiān)控及巡檢信息

采集實時視頻流數(shù)據(jù)、巡檢照片、語音對話、自檢信息和告警信息等。

1.4.2 安全防范信息

采集所內(nèi)門禁、紅外雙鑒/三鑒、激光對射、玻璃破碎等告警信息和自檢信息等。

1.4.3 火災(zāi)報警信息

采集火災(zāi)處理單元的現(xiàn)場探測信息、設(shè)備自檢信息等。

1.4.4 環(huán)境監(jiān)控信息

采集溫、濕度傳感器、水浸傳感器、SF6 監(jiān)測傳感器、空調(diào)等設(shè)備運行信息、告警信息及自檢信息。

除此之外，輔助監(jiān)控系統(tǒng)還能實現(xiàn)如變壓器等設(shè)備的在線監(jiān)測功能，例如變壓器光纖測溫、鐵芯接地、開關(guān)柜的絕緣監(jiān)測等功能。輔助監(jiān)控系統(tǒng)由設(shè)置在箱式變電所內(nèi)的輔助監(jiān)控屏作為站級主機，通過光纖網(wǎng)絡(luò)上傳至控制中心線路級主站。

2 箱式變電所在軌道交通行業(yè)的應(yīng)用前景

鐵路行業(yè)的箱式變電所應(yīng)用主要應(yīng)用于規(guī)模較小的降壓配電變電所、分區(qū)所，鐵路行業(yè)非常成熟，箱式變電所的應(yīng)用范圍有限且固定。

圖2 箱體2 平面布置示意圖

圖3 箱體3 平面布置示意圖

在地鐵行業(yè)中，變電所往往與車站或生產(chǎn)用房合建，箱式變電所極少應(yīng)用。在一些地鐵改造項目中，在沒有土建條件的情況下，可應(yīng)用箱式變電站。但地鐵行業(yè)中的箱式變電站的基本應(yīng)用僅局限于跟隨式降壓變電所，而在牽引所中極少應(yīng)用。

在新制式軌道交通行業(yè)中，車站往往規(guī)模很小，牽引變電所往往需要單獨考慮土建條件的因素。特別在一些城際快速軌道交通項目中，由于項目站間距大，因此還需要在空間較大的區(qū)間選址設(shè)置區(qū)間牽引變電所。

在空軌、有軌電車項目中，基本采用直流750 V 單機組牽引供電制式，由于設(shè)備數(shù)量和體積不大，因此該類項目能夠做到箱式變電站全覆蓋。在一些新制式軌道交通項目，例如城際快速軌道交通項目中，采用直流1 500V 雙機組牽引供電制式，由于設(shè)備數(shù)量較多，體積較大，該類項目往往采用土建式變電所，涉及專業(yè)眾多，接口復(fù)雜且投資較大，現(xiàn)場實施緩慢，極易出現(xiàn)差錯。

大型箱式牽引變電所方案的推出將很好地解決該類問題。箱式變電站具有“8 防2 抗”性能（防雨、防凝露、防滲漏、防腐蝕、防塵、防鹽霧、防小動物、防盜、抗沖擊和抗震），不需要使用生產(chǎn)用房，可直接采用戶外布置。箱式變電站內(nèi)部設(shè)備采用緊湊式的布置方式，在工廠完成箱體組裝、設(shè)備安裝、接線、試驗以及調(diào)試等工作，箱體連同設(shè)備整體運至現(xiàn)場安裝后即可開通送電功能。箱式變電所相較于傳統(tǒng)土建變電所來說，占地更小、工程實施更快、投資更加經(jīng)濟，因此在該類項目中的應(yīng)用前景極好。

3 結(jié)語

隨著近些年來新制式軌道交通項目在全國各地的蓬勃發(fā)展，傳統(tǒng)土建牽引變電所愈發(fā)難以滿足行業(yè)技術(shù)發(fā)展、項目工期及成本的要求。該文對應(yīng)用于新制式軌道交通項目的大型箱式牽引變電所的方案進行了闡述，并對大型箱式牽引變電所在新制式軌道交通項目中的應(yīng)用前景進行了分析。