大型箱式牽引變電所在新制式軌道交通中的應用

王尉舟 由恒遠

（1．中鐵二院工程集團有限責任公司，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）行業的發展。，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地鐵項目之間的差異很大，新制式軌道交通變電站一般設置在地面或地上，往往不具備傳統地鐵項目變電所的土建條件。即使采用常規的土建式牽引變電站，也一直存在造價高、選址難、建設周期長以及維護接口復雜等問題[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專業面臨的一個重大技術難題。箱式變電站的應用可以較大程度地解決牽引變電所建站和選址的問題，箱式結構變電站由于具有集成度高、占地面積小、土建工程少等優勢，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計思路和實現方案的闡述，為新制式軌道交通項目供電系統的設計提供了參考。

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備為35 kV 開關柜、2 套整流機組（3 000 kVA整流變壓器+整流器）、直流開關柜、上網開關柜、交直流屏系統、排流柜、鋼軌電位限制裝置以及再生制動設備。為了節約箱體空間，配電變壓器放置在車站負荷中心，箱式牽引所內變壓器容量應滿足箱式牽引所負荷需求。

對于一次方案，35 kV 開關柜通常采用GIS 充氣柜，主流35 kV GIS 充氣柜一般為分相式結構和共箱式結構，其優缺點如下。

分相式結構包括以下3 個特點。1） 開關柜采用分相結構，不會產生相間短路，供電連續性能較優。2）電流互感器外置，不需承受動熱穩定影響。3）缺點是占地空間較大，需要補氣空間，安裝結構只有內錐直插結構。

共箱式結構的特點包括以下4 點：1）產品體積較小，比較適用于戶外箱式變電站內部空間布置要求。2）產品并柜采用內錐母線插拔技術，產品現場安裝無需進行現場充氣。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） 缺點是互感器內置帶來的安全隱患。

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

傳統軌道交通項目是以整流機組作為核心的牽引供電設備。隨著我國對低碳節能的要求愈發嚴格，全國各地項目逐漸開始推廣再生制動成套設備，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運而生。雙向變流裝置同時具有整流和逆變功能，可根據系統牽引能量流動情況自主選擇整流及逆變工況。其優勢包括以下3 條：1）采用雙向變流裝置可以省掉再生制動裝置，節約生產用房規模。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能量得到充分應用。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用。

該文推出的方案在應用最為廣泛的“雙整流機組+再生制動成套設備”的基礎上完成。具體項目可根據設備的增減或變化在該方案基礎上修改后應用。

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用于重慶跳蹬線—江津段項目中。項目現場的2 個橋墩之間的凈空間距離為32 m，箱變的2 個預制艙拼接后長度為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勢體現的非常明顯。

重慶跳蹬線—江津段項目中采用的是2 個預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 設備放置在其中1 個預制艙內。將直流設備及再生制動設備放置在另1 個預制艙內。

經過對重慶跳蹬線—江津段項目的實踐總結，筆者認為，2 個預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 個預制艙內造成荷載不均，2 臺整流變壓器集中在較長的箱體的一端，造成預制艙一端荷載遠大于另外一端，使得箱體在運輸和吊裝過程中難度加大。2）2 個預制艙的箱式牽引變電所方案設備間接線不能做到方案最優，某些設備線纜長度較大。3）2臺整流變壓器和2 臺所用變壓器集中在1 個預制艙內導致環控壓力較大。

經過后期對箱式牽引所結構的優化，筆者設計了3 個預制艙的箱式牽引所方案，如圖1～圖3 所示，并將該方案應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 個預制艙的箱式牽引所方案可根據場坪條件進行排布。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，中間設置1.5 m～2 m 的檢修通道。

該方案具有7 點優勢：1） 各預制艙內荷載相對一致，便于運輸和吊裝。2） 各預制艙內設備功能統一。3） 將變壓器和發熱量大的設備集中設置，減少箱變環控的難度。4）充分考慮到箱體間、箱體內部設備接線關系，讓有接線關系的設備臨近，最大程度地節約電纜，保證供電可靠性。5） 全站可打開前后門檢修，方便安裝維護。每個預制艙設置2 個以上的檢修門，設置應急逃生鎖，預制艙內設置貫通的檢修巡視通道。保證檢修維護設施安全方便，尤其是利于危險時逃生。6） 整流變壓器是產生故障后對其他設備影響最大的元件，因此該項目設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） 在現場環境場地允許的情況下，可以在預制艙主體兩側設置1.5 m 的檢修通道，該措施相當于土建變電站結構，實現全部箱變內維護檢修。

1.2 箱式變電站內火災監控和消防系統說明

箱式變電站為無人值守變電站，根據《火力發電廠與變電站設計防火標準》GB 50229—2019[2]中規定：屋外配電裝置區域布置露天的電氣以及設備支架和構架，不屬于一般的建筑物，現在的電氣設備一般是無油或少油電氣設備，設備支架和構架較多為鋼結構，不必按建筑的耐火等級規定構架和支架的耐火要求。因此不再規定屋外配電裝置區域耐火等級要求。

箱變內不設置消防設施，設置火災監控，通常設置感煙器等。火災監控設備信號可以同時上傳至綜合監控FAS系統及輔助監控系統。

1.3 箱式變電站環控設計

對于大容量的變壓器的發熱量的控制需要針對現場環境做充分的設計。變壓器室采用強制風冷來實現，參照《箱式一體化光伏逆變站的通風散熱研究》[2]對風機和風口等條件進行優化設計。為了保證在通風窗有灰塵的情況下依然能保證足夠的散熱量，散熱設計通常按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構優化》[3]中對微正壓的描述作為參考，箱變內非變壓器部分均考慮使用微正壓空調來對環境進行優化控制。由于系統容量較大，在發熱量大的設備頂部應酌情考慮設置風道接入來加強降溫功能，增加設備運行壽命。

1.4 箱式變電站輔助監控系統說明

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

1.4.1 視頻監控及巡檢信息

采集實時視頻流數據、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 火災報警信息

采集火災處理單元的現場探測信息、設備自檢信息等。

1.4.4 環境監控信息

采集溫、濕度傳感器、水浸傳感器、SF6 監測傳感器、空調等設備運行信息、告警信息及自檢信息。

除此之外，輔助監控系統還能實現如變壓器等設備的在線監測功能，例如變壓器光纖測溫、鐵芯接地、開關柜的絕緣監測等功能。輔助監控系統由設置在箱式變電所內的輔助監控屏作為站級主機，通過光纖網絡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的應用前景

鐵路行業的箱式變電所應用主要應用于規模較小的降壓配電變電所、分區所，鐵路行業非常成熟，箱式變電所的應用范圍有限且固定。

圖2 箱體2 平面布置示意圖

圖3 箱體3 平面布置示意圖

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

在新制式軌道交通行業中，車站往往規模很小，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間選址設置區間牽引變電所。

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，由于設備數量和體積不大，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，由于設備數量較多，體積較大，該類項目往往采用土建式變電所，涉及專業眾多，接口復雜且投資較大，現場實施緩慢，極易出現差錯。

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），不需要使用生產用房，可直接采用戶外布置。箱式變電站內部設備采用緊湊式的布置方式，在工廠完成箱體組裝、設備安裝、接線、試驗以及調試等工作，箱體連同設備整體運至現場安裝后即可開通送電功能。箱式變電所相較于傳統土建變電所來說，占地更小、工程實施更快、投資更加經濟，因此在該類項目中的應用前景極好。

3 結語

隨著近些年來新制式軌道交通項目在全國各地的蓬勃發展，傳統土建牽引變電所愈發難以滿足行業技術發展、項目工期及成本的要求。該文對應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用前景進行了分析。