地下牽引變電所主變壓器的選型

李晨琨，黃 維，王 林

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063）

0 引 言

當前城市交通設施發展突飛猛進，城際鐵路項目不斷增加，越來越多的牽引變電所需要設置在市區。地下變電站具備對城市環境影響較小、能綜合利用土地資源等特殊優勢[1]。由于地下牽引變電所的特殊布置形式，其設備的要求有別于一般牽引所亭。牽引變壓器作為牽引變電所的核心設備，其選型需考慮防火、環保、成本等多方面因素，傳統礦物油油浸變壓器往往無法滿足建設需求。

本文針對地下牽引變電所主變壓器的設備特點進行分析，對標鐵路及電力系統各類規范，梳理了當前市場上不同類型的牽引變壓器，總結歸納其優缺點，并結合鐵路實際建設需求給出選型思路和結論。

1 地下變電所采用傳統油浸式變壓器的局限性

當前，鐵路牽引變電所的主變壓器通常選用傳統的油浸式變壓器，但根據規范要求，地下牽引變電所若采用油浸式變壓器，在設計上會面臨諸多限制。

1.1 火災危險性等級分類

地下牽引變電所若采用傳統油浸式牽引變壓器，常規礦物油的閃點為165 ℃，采用阻燃型絕緣冷卻油閃點可達320 ℃。但礦物油燃點較低，如果溫度達到了400 ℃，那么變壓器內絕緣油就會被大量的分解，形成了甲烷、氫等易燃氣體，很可能引起火災[2]?；馂奈ｋU性等級對標如表1所示[3-6]。

表1 火災危險性等級對標

根據建筑、電力、鐵路多個行業相關或相近規范要求，當地下牽引變電所采用油浸式變壓器布置時，其火災危險性分類應屬于丙類。

1.2 地下變電所與車站聯合建設的限制

實際工程中，地下變電所與車站或其他建筑聯合建設的需求很高。變電所設置在地下的主要原因之一是征地困難，通過與車站或其他建筑聯合建設可進一步減小征地難度。

鐵路車站屬于人員密集的交通公共建筑，是民用建筑的一種；地下牽引變電所若采用油浸式變壓器，其容量通常遠大于1 260 kV·A。結合以上情況與以下規范對標，如表2所示[3，7-9]。

根據建筑、電力、鐵路多個行業相關或相近規范要求，地下牽引變電所若采用油浸式變壓器，不應與車站或其他人員密集的民用建筑合建。

1.3 安全疏散要求

安全疏散規定對所內至安全出口的直線距離有要求，對安全出口位置及個數、變電所房屋設計均有限制，如表3所示。

地下牽引變電所若采用油浸式變壓器，其所內至安全出口的直線距離為30 m。

2 地下變電所牽引變壓器選型

根據表1、表2、表3可知，若牽引變壓器火災危險性為丁類，變電所就可以與車站或其他人員密集的民用建筑合建，且消防、疏散等要求也會相應降低。參考電力行業，目前得到廣泛工程應用且能夠滿足火災危險性為丁類要求的變壓器，只有SF6氣體絕緣電力變壓器（Gas Insulated Transformer，GIT）。GIT主要應用在110 kV（66 kV）電壓等級。另外還有兩種火災危險性為丁類的絕緣型式變壓器，均處于試用和研發階段，分別是蒸發冷卻電力變壓器和環氧樹脂澆注干式變壓器。難燃油變壓器也是現階段的一個研發熱點。然而其火災危險性能否劃分為丁類，還有待防火設計規范或消防部門的認定[10]。

表2 與民用建筑合建要求對標

表3 與安全疏散要求對標

2.1 SF6 氣體絕緣變壓器

SF6氣體絕緣變壓器是以SF6氣體作為絕緣和冷卻介質，替代傳統油浸式變壓器的變壓器油。SF6氣體絕緣變壓器具有如下特點。

（1）不燃不爆，安全性高。SF6氣體是一種惰性氣體，具有無毒、不燃不爆、無氣味、無腐蝕性，同時絕緣性能杰出。

（2）成本較高。SF6氣體絕緣變壓器氣箱工藝要求較高，變壓器成本較大。

2.2 蒸發冷卻電力變壓器

蒸發冷卻電力變壓器是用一種不燃環保的新型液態絕緣材料作為絕緣冷卻介質，并通過介質自身氣液相變對器身進行高效冷卻的一種新型變壓器。蒸發冷卻電力變壓器具有如下特點。

（1）防火防爆，安全性高。氟碳絕緣冷卻液具有不燃、無毒、易于相變、黏度低、流動性強等特點。

（2）冷卻性能好。蒸發冷卻電力變壓器利用冷卻介質的汽化潛熱來吸收傳遞熱量，達到迅速、高效冷卻的目的。

（3）成本較高。蒸發冷卻電力變壓器采用的氟碳絕緣冷卻液制作費用高昂，且消耗較快，變壓器整體成本較大。

2.3 環氧樹脂澆注干式變壓器

環氧樹脂干式變壓器是一種將環氧樹脂作為絕緣材料、采用空氣循環進行冷卻的變壓器，具有如下特點。

（1）防火防爆，安全性高。環氧樹脂具有難燃、阻燃的特點，防火防爆性能高。

（2）成本較低。干式變壓器生產技術成熟，安裝簡便，運行成本低。

（3）電壓等級和容量較小。一般應用于實際工程的干式變壓器最高電壓為35 kV，最高容量為10 MV·A。

2.4 難燃油變壓器

難燃油變壓器是一種采用難燃油作為冷卻絕緣介質的變壓器。通常變壓器油分為礦物變壓器油、硅油變壓器油、天然酯變壓器油以及合成酯變壓器油。礦物變壓器油的燃點一般低于140 ℃，硅油、天然酯、合成酯變壓器油的燃點一般超過300 ℃，后三者屬于難燃油。其中硅油不適用于35 kV以上電壓等級的變壓器，合成酯成本較高，因此天然酯油變壓器往往是難燃油變壓器的首選，具有如下特點。

（1）防火防爆，安全性高。天然酯油燃點和閃點均在300 ℃以上，具有自熄性。

（2）成本較低。天然酯油可從農產品中獲得，渠道成熟，價格低廉。

（3）電壓等級和容量合適。國內已制造出電壓等級110 kV、容量50 MV·A的牽引變壓器，并在鐵路項目中投運；目前已制造的天然酯油變壓器電壓等級最高為420 kV，容量最高為300 MV·A。

（4）環保性高。天然酯絕緣油由生物原料制造、可降解，綠色環保。

3 地下變電所牽引變壓器對比

氟碳蒸發液浸式變壓器造價高，且技術尚未成熟；干式變壓器目前主要用于10 kV、35 kV配電變壓器，電壓等級和容量都不滿足鐵路牽引變電所要求；天然酯絕緣油變壓器和SF6氣體絕緣變壓器均有在工程中應用的范例，對這兩種變壓器以及傳統油浸式變壓器的具體比較如表4所示。

表4 變壓器特性對比

綜合比較，天然酯絕緣牽引變壓器各項性能基本滿足地下變電所要求，且其主要絕緣材料、組件、制造與常規礦物油變壓器基本一致，成本比SF6氣體絕緣變壓器小很多；另外，從環保型、安全性、占地空間角度考慮，天然酯絕緣牽引變壓器也比SF6氣體絕緣變壓器更具優勢。因此目前地下牽引變電所牽引變壓器的選型優先推薦天然酯絕緣牽引變壓器。

4 結 論

（1）地下牽引變電所若采用油浸式變壓器，存在諸多限制：一是其火災危險性分類屬于丙類，存在一定火災隱患，消防要求較高；二是無法與車站或其他人員密集的民用建筑合建，選址條件嚴苛，征地隱性成本大；三是所內至安全出口的直線距離偏近，對變電所大小及安全出口布置有一定限制；四是礦物油作為石化產品難以降解，環保性不強。

（2）消防等級較高的變壓器有SF6氣體絕緣變壓器、蒸發冷卻電力變壓器、環氧樹脂澆注干式變壓器以及難燃油變壓器。SF6氣體絕緣變壓器、蒸發冷卻電力變壓器成本較高，環氧樹脂澆注干式變壓器電壓等級和容量偏小，天然酯油變壓器作為難燃油變壓器的首選最適合作為地下牽引變電所的主變壓器。

考慮成本、容量等各方面因素，天然酯油變壓器應為當前大部分地下牽引變電所主變選型的最佳方案之一。