曲江浩

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司電化電信工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300308）

0 引言

我國(guó)地域幅員遼闊，可劃分為寒冷、寒溫II、寒溫I、暖溫、干熱、亞濕熱、濕熱共7 種戶外氣候類型［1］，而寒溫及寒冷地區(qū)占國(guó)土面積近一半。寒溫及寒冷地區(qū)氣候條件較惡劣，此地區(qū)牽引變電所常出現(xiàn)SF6氣體液化、絕緣材料開(kāi)裂、隔離開(kāi)關(guān)拒動(dòng)、冬季接地電阻值不滿足要求等問(wèn)題，下面對(duì)寒溫及寒冷地區(qū)鐵路牽引變電所設(shè)計(jì)經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析。

1 影響牽引變電所設(shè)計(jì)的氣象因素

根據(jù)《環(huán)境條件分類 自然條件 溫度和濕度》（GB/T 4797.1—2018）［1］給出的寒溫及寒冷地區(qū)溫度和濕度的絕對(duì)極值（如表1 所示），可以看出，溫度低是寒溫及寒冷地區(qū)的首要特點(diǎn)，溫度低還會(huì)引起該地區(qū)覆冰厚、凍土深。

表1 絕對(duì)極值劃分的各種氣候類型［1］Tab.1 Various climatic types classified by absolute extreme value

2 寒溫及寒冷地區(qū)對(duì)牽引變電所的影響分析

寒溫及寒冷地區(qū)具有溫度低、覆冰厚、凍土深等特征，對(duì)設(shè)備、材料產(chǎn)生很多不利影響。

2.1 溫度低造成的影響

2.1.1 引發(fā)物質(zhì)的形態(tài)變化，導(dǎo)致功能喪失

（1）變壓器油在低溫環(huán)境下會(huì)發(fā)生凝固，失去應(yīng)有的絕緣、散熱、消弧作用［2］。

（2）SF6斷路器中的SF6氣體三態(tài)變化如圖1 所示，圖中的S-T-K曲線稱為飽和蒸氣壓力曲線，它代表了在給定的溫度下氣相與液相、氣相與固相處于平衡狀態(tài)的壓力值。曲線右邊為氣態(tài)區(qū)，中間為液態(tài)區(qū)，左邊為固態(tài)區(qū)。S點(diǎn)為SF6氣體升華點(diǎn)，T點(diǎn)為SF6氣體的熔點(diǎn)，K點(diǎn)為SF6氣體的臨界點(diǎn)。由圖1 可知，SF6氣體臨界溫度高，在低溫環(huán)境下會(huì)發(fā)生液化，導(dǎo)致其失去應(yīng)有的絕緣、滅弧作用。

圖1 SF6三態(tài)圖［3］Fig.1 SF6 tri-state diagram

根據(jù)SF6氣體在電氣設(shè)備的實(shí)際使用情況，繪制的狀態(tài)參數(shù)特性曲線如圖2 所示，只要知道SF6氣體壓力、密度和溫度中任何兩個(gè)參數(shù)，就可以查出其余的參數(shù)。

應(yīng)用圖2 可以求取SF6氣體的液化溫度。例如，當(dāng)溫度為20 ℃時(shí)，SF6氣體（表壓力）的液化溫度如表2 所示。

由圖2 和表2 可以得出如下結(jié)論：

表2 20℃時(shí)SF6壓力（表壓力）的液化溫度［3］Tab.2 Liquefaction temperature of SF6 pressure（gauge pressure）at 20°C

圖2 SF6氣體狀態(tài)參數(shù)曲線［3］Fig.2 SF6 gas state parameter curve

1）SF6液化溫度與20 ℃時(shí)額定工作壓力有關(guān)，工作壓力越高則液化溫度越高。如果環(huán)境溫度最低為-30 ℃，則工作壓力大于0.5 MPa 時(shí)SF6就會(huì)發(fā)生液化。

2）SF6電氣設(shè)備的氣體額定壓力也不能選得太低。因?yàn)榄h(huán)境溫度下降時(shí)，壓力也會(huì)更低，這時(shí)會(huì)發(fā)生不經(jīng)液化而直接凝華成固態(tài)的情況［3］。

另外，綜合考慮SF6斷路器的開(kāi)斷關(guān)合電流能力與分合閘時(shí)間，工程上通常將SF6斷路器的工作壓力設(shè)置在0.55 MPa～0.6 MPa 范圍內(nèi)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的SF6氣體液化溫度為-24 ℃～-22 ℃，遠(yuǎn)高于寒溫及寒冷地區(qū)低溫［1］時(shí)的環(huán)境溫度，此環(huán)境下的SF6氣體易發(fā)生液化。

2.1.2 引起物質(zhì)的性能下降，導(dǎo)致壽命縮短

（1）電纜的絕緣層、護(hù)套層通常采用PVC、PE 等聚合物材料，當(dāng)環(huán)境溫度低于材料玻璃化溫度時(shí)，其力學(xué)性能降低，出現(xiàn)發(fā)硬發(fā)脆的現(xiàn)象。聚合物材料形變與溫度的關(guān)系如圖3 所示，純PVC 的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為87 ℃（在工程上使用的PVC，添加了增塑劑、改性劑等助劑，一般可降到-15 ℃，耐寒型可降到-30 ℃［4］），PE 的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為-68 ℃［4］。

圖3 聚合物材料形變與溫度關(guān)系Fig.3 Relationship between deformation and temperature of polymer materials

（2）干式電壓互感器、電流互感器所使用的環(huán)氧樹(shù)脂，在低溫環(huán)境下容易誘發(fā)內(nèi)部的應(yīng)力增大而發(fā)生開(kāi)裂，降低了材料的絕緣性能，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鸨ǎ?］。

（3）鋼材按用途-工程結(jié)構(gòu)分類，可分為碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。鋼材在溫度低于某一界限時(shí)，鋼的沖擊吸收功大幅度下降，從韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。這一溫度被稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度，鋼材沖擊吸收功和溫度的關(guān)系曲線如圖4 所示。不同鋼材的韌脆轉(zhuǎn)變溫度不同，碳素鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度在-20 ℃左右；低合金高強(qiáng)度鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度在-30 ℃以下，最低可達(dá)-110 ℃［6］。

圖4 鋼材沖擊吸收功和溫度的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between impact energy and temperature of steel

（4）電路板及其電子元器件（電容、電阻、芯片等）、液晶屏均有工作溫度要求，低溫環(huán)境下，超出其工作溫度范圍時(shí)，可能會(huì)發(fā)生顯示異常、芯片無(wú)法工作的情況，并影響其使用壽命。

2.2 覆冰厚造成的影響

低溫環(huán)境對(duì)隔離開(kāi)關(guān)幾乎無(wú)影響，但覆冰對(duì)隔離開(kāi)關(guān)的操作性能、導(dǎo)電性能影響很大，甚至造成隔離開(kāi)關(guān)拒動(dòng)，如圖5 所示。

圖5 電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)覆冰Fig.5 Electric isolation switch icing

2.3 凍土深造成的影響

凍土深會(huì)造成接地電阻值不穩(wěn)定，存在接地電阻值在夏季滿足要求，在冬季不滿足要求的現(xiàn)象。這是因?yàn)楫?dāng)溫度大于0 ℃時(shí)，土壤電阻率變化不大；當(dāng)溫度小于0 ℃時(shí)，土壤電阻率隨溫度的下降而明顯上升。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于，當(dāng)溫度降低至0 ℃以下時(shí)，土中水分隨溫度的降低部分或全部?jī)鼋Y(jié)為冰，而冰的電阻率大于液態(tài)水的電阻率。

3 寒溫及寒冷地區(qū)牽引變電所設(shè)計(jì)方案

3.1 溫度低引起物質(zhì)形態(tài)變化的解決辦法

對(duì)于溫度低引起物質(zhì)的形態(tài)變化，導(dǎo)致功能喪失的情況，可以通過(guò)以下方式解決：

（1）變壓器油以凝固點(diǎn)高低劃分為三個(gè)標(biāo)號(hào)，分別為10#、25#、45#變壓器油，根據(jù)油的不同屬性，確定其適用范圍，如表3 所示。

表3 各標(biāo)號(hào)變壓器油性能及應(yīng)用范圍Tab.3 Transformer oil performance and application scope of each grade

由表3 可知，在寒溫及寒冷地區(qū)，可選擇45#變壓器油，倘若仍不滿足要求，則可選擇凝固點(diǎn)更低的KI45X、KI50X 等變壓器油。

（2）根據(jù)上文分析可知，SF6斷路器在寒溫及寒冷地區(qū)使用時(shí)采用純SF6氣體不可行，但通過(guò)在SF6氣體中混合其它氣體，通常為SF6+N2或SF6+CF4，可以遏制混合氣體在一定的低溫環(huán)境下發(fā)生液化。

3.2 溫度低引起材料性能下降的解決辦法

對(duì)于溫度低引起物體的性能下降、壽命縮短，可以采取以下措施：

（1）對(duì)于電纜的絕緣層、護(hù)套層，可以采取以下選型和使用建議，如表4 所示。

表4 電纜的絕緣層、護(hù)套層選型和使用范圍Tab.4 Insulation layer，sheath layer selection and application range of cables

如果敷設(shè)溫度不滿足上述條件，可以將電纜整體移動(dòng)到具有足夠空間的房屋內(nèi)（屋內(nèi)溫度需在25 ℃左右）進(jìn)行預(yù)熱，待電纜溫度達(dá)到并高于規(guī)定敷設(shè)溫度時(shí)，再進(jìn)行快速敷設(shè)施工，且敷設(shè)時(shí)間不宜超過(guò)1 h。

（2）在寒溫及寒冷地區(qū)使用電壓互感器和電流互感器時(shí)，建議采用油式產(chǎn)品。若必須采用干式，應(yīng)避免開(kāi)裂，可采用提高環(huán)氧樹(shù)脂韌性或降低環(huán)氧樹(shù)脂的線性膨脹系數(shù)等方式解決，如在其中加入聚氨酯以提高韌性，或加入SiO2粉末降低線性膨脹系數(shù)等。

（3）在寒溫及寒冷地區(qū)選擇鋼材時(shí)，建議采用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼來(lái)代替碳素結(jié)構(gòu)鋼。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼不僅具有比碳素結(jié)構(gòu)鋼更低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，還能在確保在良好的塑性、韌性條件下具有更高的強(qiáng)度；同時(shí)，具有良好的焊接性能和加工工藝性能；此外，還更具有較好的耐大氣腐蝕性能。

（4）對(duì)于電路板及其電子元器件（電容、電阻、芯片等）、液晶屏等，宜采用戶內(nèi)設(shè)置。比如寒溫及寒冷地區(qū)的接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)控制站，之前采用光纖監(jiān)控方案的接觸網(wǎng)電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)出現(xiàn)了大量誤動(dòng)，現(xiàn)在改成電纜直驅(qū)方案之后，所有控制部分（包括液晶屏、電路板、電容、電阻、芯片等）全部置于室內(nèi)，并配備能夠滿足電子設(shè)備工作溫度要求的取暖設(shè)施，其在后期運(yùn)行中完全避免了前文所述的故障。

3.3 覆冰厚的解決辦法

考慮到覆冰厚對(duì)隔離開(kāi)關(guān)的影響，解決思路同上。即在施工前，可以先調(diào)查當(dāng)?shù)氐淖畲蟾脖穸鹊臍v史數(shù)據(jù)，再確定隔離開(kāi)關(guān)應(yīng)具備的破冰能力，通過(guò)選取更適合當(dāng)?shù)丨h(huán)境的材料來(lái)解決此問(wèn)題。

3.4 凍土深的解決辦法

對(duì)于凍土問(wèn)題，需先區(qū)分凍土的類型，分辨出是永凍土還是季節(jié)凍土；再對(duì)應(yīng)采取下列措施，可使接地電阻值在冬季仍能滿足要求。

3.4.1 在永凍土地區(qū)

（1）可將接地裝置敷設(shè)在融化地帶，或融化地帶的水池或水坑中。

（2）可敷設(shè)深鉆式接地極，或可充分利用井管及其他深埋地下的金屬構(gòu)件作接地極；此外，還應(yīng)敷設(shè)深埋垂直接地極，其敷設(shè)深度應(yīng)保證深入凍土層下面的土壤至少0.5 m。

（3）在房屋溶化盤內(nèi)敷設(shè)接地裝置。

（4）在接地極周圍人工處理土壤，降低土壤的凍結(jié)溫度和土壤電阻率。

3.4.2 在季節(jié)凍土地區(qū)

（1）當(dāng)季節(jié)凍土形成的高電阻率層的厚度較淺時(shí)，可將接地網(wǎng)埋在高電阻率層下0.2 m［7］。

（2）已采用多根深鉆式接地極降低接地電阻時(shí)，可將水平接地網(wǎng)正常埋設(shè)。

（3）季節(jié)性的高電阻率層厚度較深時(shí)，可將水平接地網(wǎng)正常埋設(shè)，在接地網(wǎng)周圍及內(nèi)部接地極交叉節(jié)點(diǎn)布置短垂直接地極，其長(zhǎng)度宜深入季節(jié)高電阻率層下面2 m。

4 結(jié)束語(yǔ)

在極端惡劣氣候條件下，應(yīng)充分考慮氣象條件對(duì)牽引變電所設(shè)備和材料的影響，并根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件以及材料、設(shè)備的特性采取必要的特殊設(shè)計(jì)。本文在分析我國(guó)氣候分布特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)寒冷和寒溫地區(qū)具有溫度低、覆冰厚和凍土深的特點(diǎn)，提出了相應(yīng)解決辦法，包括（1）變壓器油的選擇要與環(huán)境溫度相匹配；（2）采用在SF6氣體中混入N2或CF4等其它氣體解決低溫環(huán)境下的SF6氣體液化問(wèn)題；（3）電纜的絕緣層、護(hù)套層選型要與環(huán)境溫度相匹配；（4）寒溫及寒冷地區(qū)使用的干式電壓互感器、電流互感器中的環(huán)氧樹(shù)脂需增加聚氨酯或SiO2粉末以避免開(kāi)裂；（5）采用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼來(lái)代替碳素結(jié)構(gòu)鋼，以確保鋼材在低溫環(huán)境下具備良好的塑性和韌性；（6）在寒溫及寒冷地區(qū)使用的電路板及其電子元器件（電容、電阻、芯片等）、液晶屏宜采用戶內(nèi)設(shè)置；（7）隔離開(kāi)關(guān)的破冰能力要與當(dāng)?shù)氐淖畲蟾脖穸认嗥ヅ?；?）對(duì)于凍土地帶的接地方案，應(yīng)先確定凍土類型，再采取相應(yīng)的措施。所提方案可為寒溫及寒冷地區(qū)鐵路牽引變電所的設(shè)計(jì)提供參考。