高寒地區牽引變電箱式所亭設計研究

王潘潘

（中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055）

27.5kV牽引變電箱式所亭具有投資及運營成本低、占地少、選址受限制少等優點。隨著我國電氣化鐵路的發展，牽引變電箱式所亭在我國鐵路供電系統中得到越來越多的應用[1]。

牽引變電箱式所亭是指將分區所、開閉所高壓室內的 27.5kV一次設備和主控室內的二次設備均置于箱體內，箱體內27.5kV的一次設備采用手車式結構，可實現無人值班、無人值守的牽引變電箱式設施。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、一次設備間隔、二次設備間隔三部分。箱體除包括箱體本身之外，一般還包括穿墻套管等。一次設備間隔主要由真空斷路器、隔離開關、電壓互感器、電流互感器、所用變等組成。二次設備主要由保護測控裝置、通信系統、交直流系統、視頻監視系統、輔助設備等組成。

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中，采用的牽引變電箱式所亭戶外環境溫度一般在-25℃～55℃之間[2-3]。而在東北、內蒙、西北、新疆等高寒地區，普通的牽引變電箱式所亭很難適應高寒地區的氣候特點。為了保證牽引變電箱式所亭設施的正常運行。提高牽引變電箱式所亭對溫度的適應能力顯得非常重要。

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能力可以從以下三個方面進行研究：

1）提高牽引變電箱式所亭箱體的保溫、隔熱能力。

2）加強箱體內部恒溫系統的設計，當箱體內的溫度低于或高于設定值時，起動相應的功能。

3）提高牽引變電箱體內部設備對環境溫度的適用能力。

2 提高牽引變電箱式所亭對環境溫度的適應能力

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各種設備正常運行的基礎。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構[4]。箱體內設若干個一次電氣設備單元和若干個二次電氣設備單元，一、二次電氣設備單元采用全封閉鋼板隔離方式。所內二次電纜在箱體內設置了專用的全密封通道，外接電纜從箱體內二次間隔屏體下部設有專用通道內通過。圖2所示為普通箱體的外形圖。

圖2 普通箱體的外形圖

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

結合高寒地區的氣候特點，建議對牽引變電箱式所亭的箱體進行以下幾個方面的優化設計，使其達到具有良好的保溫、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。斷橋隔熱技術將內外兩層金屬既隔開又緊密連接成一個整體，防止內外金屬熱量的傳導。

采用此種工藝后箱體的導熱系數僅為0.025W/m·℃左右，隔熱、保溫性能明顯，其不僅適用于高寒地區箱式所亭內的保溫、還適應于高溫環境下箱體內的隔熱。除此它還具有抗沖擊能力強，彈性變形可恢復等優點。

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的雙層結構，為了更好的增加保溫效果可結合當地的氣候條件將箱體進行加厚（比如加厚到50mm等），這樣其內部就可以填充更多的發泡聚氨酯，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節，為了減少熱量從頂蓋和底板處流失，箱體的頂蓋選用質輕高強度、防火防腐、抗震性強、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）加強箱體材料的選擇

（1）箱體鋼板選用優質的冷軋鋼

極端低溫會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質的冷軋鋼，該材料在低溫和高溫環境下都具有很強的適應能力，可以充分保證箱體的高強度及耐久性。

（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部氣溫不受影響的重要環節。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境下會變硬，不僅使用壽命會降低，還會影響到密封效果。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，從而確保箱體內具有一個比較良好的密封狀態。

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設備的影響，從而達到一個很好的保溫、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，在運輸途中容易出現箱體開裂等。

2.2 加強箱體內部恒溫系統的設計

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

箱體內恒溫系統選擇可連續工作的工業空調和工業加熱器。工業空調建議滿足在-50℃～55℃的環境中正常工作，工業加熱器應滿足在-50℃～40℃的環境中正常工作。

1）在低溫環境下保溫加熱功能

在高寒地區，必須采用保溫和加熱相結合的方式，才能保障電氣設備正常工作。在牽引變電箱式所亭的各設備中，二次設備是對環境溫度要求最為嚴格，因此除在箱體內配備大功率的工業空調保證箱體內的恒溫之外，還應在二次電氣設備間隔內設置工業級可連續工作的加熱器。

恒溫系統采用自動控制和遠動控制相結合的方式。當箱體內的溫度低于設定值時，首先自動起動箱體內的工業空調進行加熱，如果溫度還不滿足要求時，就再次起動二次設備間隔內的工業加熱裝置。采用此種措施可以充分保證箱體內的溫度處于一種恒溫狀態。

箱體內的工業空調及工業加熱器需納入所內綜合自動化系統，箱體內的溫度信息可以通過遠動通道上傳至控制中心，控制中心可根據箱體內溫度情況，可以實現對工業空調及工業加熱器的遠程控制。

當恒溫系統的自動控制失靈時，控制中心也可以通過遠動通道開起、關閉恒溫系統，設置恒溫系統的工作溫度等。恒溫系統也可以實現人工手動控制。通過遠程操作及人工手動控制可以進一步保證恒溫系統工作的高可靠性。

2）在高溫環境下降溫、通風功能

高寒并不是一種常態，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下的安全運行也是本課題所需要研究的重點內容。

當箱體內的溫度高于設定值時，自動起動工業空調的制冷功能，降低箱體內的工作溫度，保證箱體內的溫度處于恒溫狀態。在箱體內設置通風口及軸流風機并設置溫度傳感器。通風口平時處于關閉狀態，當箱體內的溫度高于設定值時，起動軸溫風機的通風功能。軸溫風機的控制納入遠動系統，信息通過遠動通道上傳至控制中心，當軸流風機不能自動起動時，控制中心可通過遠動通道自動控制軸溫風機的開起。通風口及軸溫風機也可以實現人工手動控制。通風口的設置應滿足防水的要求，在通風口開起時，應充分保證雨水不能滲透到箱體內。

2.3 提高牽引變電箱體內設備對環境溫度的適用能力

牽引變電箱式所亭的設備可分為一次設備和二次設備[7]。

1）一次設備選擇

一次設備主要包括真空斷路器、隔離開關、電壓互感器、電流互感器、所用變等。

相對于二次設備而言，一次設備對溫度的適用能力更強一些。由于一次設備是安裝在箱體內部的，因此可以參考室內設備參數標準對一次設備進行選型，但是考慮到高寒地區的氣候特點，建議提高某些具體技術參數的指標。

（1）斷路器、隔離開關

斷路器是電氣化鐵路電力牽引供電系統的接受和分配電能的主要開關設備。其主要功能一般包括控制、保護和測量等。牽引變電箱式所亭一般選用耐受低溫能力較強的 27.5kV鐵路專用戶內真空斷路器[8]。隔離開關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的27.5kV戶內單極電動隔離開關。在高寒地區建議其在箱體內的工作溫度應至少滿足-25℃～55℃的要求。

（2）互感器

電壓、電流互感器是牽引供電系統的重要測量設備。電壓互感器在牽引變電箱式所亭中一般單獨安裝在一次設備隔間內，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。普通的環氧樹脂在低溫環境下具有脆性大、易開裂等缺點。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，它具有很強的穩定性，可以在低溫環境中保持很好的運行，是運用在干式設備中比較穩定的絕緣材料。

2）二次設備

二次設備包括保護測控裝置、通信系統、防災系統、交直流系統、視頻監視系統、輔助設備等。相對于一次設備而言二次設備對溫度的適應能力較差。因此除了對二次設備間隔加強保溫措施之外，還需要選擇耐受低溫較強的二次設備。

（1）保護測控裝置

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

在整個保護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適應性的軍品級的產品，其可在-25℃～55℃的環境溫度內正常的工作，這樣可以提高整個保護測控裝置適應低溫的能力。

（2）安全視頻監控系統

牽引變電箱式所亭為無人值班無人值守設計，設置安全視頻監控系統能夠保證牽引供電設備的運行安全，保證鐵路線路的正常供電。

安全視頻監控系統采用球形攝像頭，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寒地區對低溫的要求，因此需要選用耐寒性較強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 結論

本文針對高寒地區的氣候特點，主要從提高牽引變電箱式所亭箱體的保溫、隔熱能力；加強箱體內部恒溫系統的設計；提高牽引變電箱體內部設備對環境溫度的適用能力等三個方面進行優化設計。對高寒地區牽引變電箱式所亭的優化設計具有一定的指導意義。

[1] 王開康. 城市軌道交通箱式牽引變電所應用研究[D].成都： 西南交通大學, 2014.

[2] TB 10009—2016. 鐵路電力牽引供電設計規范[S].

[3] TB 10621—2014. 高速鐵路設計規范[S].

[4] 宋濤. 客運專線箱式變電所方案技術經濟分析[D].成都： 西南交通大學, 2009.

[5] 單暉, 班瑞平, 任海波, 等. 電氣化鐵路用 AT箱式所的設計及分析[J]. 中國鐵路, 2010(5)： 70-73.

[6] 何治新. 箱式牽引變電站在廣州市軌道交通中的應用[J]. 電氣化鐵道, 2004(4)： 33-35.

[7] 寧建斌. 電氣化鐵路箱式分區所及開閉所的EMC研究與應用[D]. 成都： 西南交通大學, 2008.

[8] 許曉蓉. 淺談分區所兼開閉所的設計[J]. 電氣化鐵道, 2005(6)： 22-24.

[9] 馮金柱. 電氣化鐵路基本知識[M]. 北京： 中國鐵道出版社, 1995.

[10] 日本電氣化鐵道科研委員會. 電氣化鐵路技術[M].北京： 中國鐵道出版社, 2015.