城軌牽引供電預制艙設計方案內容探討

石金石

（中鐵建電氣化局，北京 100000）

城市軌道交通作為現代城市交通的重要組成部分，對于城市的發展和居民的出行質量起著至關重要的作用。牽引供電系統是城市軌道交通運行的核心，其安全、可靠、高效的供電能力對于保障城市軌道交通正常運行不可或缺。在眾多牽引供電方案中，預制艙技術作為一種主流方案已經廣泛應用于有軌電車、磁懸浮、跨坐式單軌、智軌等。變電站的預制艙技術具有集成度高、占地面積小、施工周期短等優點，不僅提高了供電系統的效率和可靠性，還為城市軌道交通的發展帶來了新的機遇[1]。隨著預制艙技術的不斷應用和推廣，相關設計理念也得到優化。經過運營單位的反饋和實際運行經驗的積累，變電站的結構、設備配置、運行方式等方面得到了不斷優化，供電系統的可靠性和經濟性逐漸提高。然而，在預制艙技術實際應用過程中也出現了一些工藝和細節上的問題，影響了其性能的發揮和使用的便捷性。因此，文章剖析我國當前預制艙牽引供電現狀，提出若干改進建議，以期提升預制艙變電站的性能和可靠性，為城市軌道交通的發展提供有力支持。

1 城軌牽引供電預制艙應用中存在的問題

1.1 安全性

安全性是城軌牽引供電預制艙應用中的一個重要關注點。如果預制艙箱體寬體結構設計不合理或者材料選擇不當，可能降低箱體強度，容易發生結構失穩、抗風壓能力不足等問題。同時，箱體寬體設計通常涉及更多的電氣設備和元件，如變壓器、開關設備等。這些設備在運行過程中可能產生電弧、過熱和電擊等危險，需要特別注意絕緣、接地和漏電保護等措施，避免觸電和其他電氣安全事故的發生。

1.2 應用便捷性

城市軌道交通系統中，預制艙內電源設備和負載設備直接連接到母排上。電纜接頭和連接器數量較多，導致布線復雜，增加了安裝的復雜性和困難度，并對維護和排障工作提出了更高的要求。在系統出現故障時，由于電源設備和負載設備的一次連接均采用母排，故障可能會傳遞，增加故障定位和隔離的難度。

1.3 維護方便性

預制艙外觀噴繪容易受風、雨、紫外線等外界因素的影響。長期暴露在惡劣的氣候條件下，噴繪圖案可能會褪色、起泡或被刮傷，從而影響整體的外觀效果。同時，清潔噴繪圖案會使用特殊清潔劑和方法，確保圖案的完整性，進一步增加了噴繪維護的工作量和成本。

2 城軌牽引供電預制艙優化設計

2.1 箱體寬體設計

預制艙變電站結構設計主要遵循國家標準《高壓/低壓預裝式變電站》（GB/T 17467—2020）。關于內部空間對檢修通道的要求，標準規定操作通道預裝式變電站內部的操作通道應便于進行各類操作和維護，通道寬度應不小于800 mm；任一開啟的固定位置的門或開關設備和控制設備突出的機械傳動裝置，不應使通道寬度減少至500 mm 以下[2]。因此，傳統預裝式變電站的尺寸基本受高速路收費站限制，通常控制在3.2 ～3.6 m，這是由于預制艙頂蓋尺寸增加后達到了4 m的極限。傳統的預制艙變電站的箱體設計較為緊湊，導致內部空間有限，不利于設備的安裝和維護。《高速公路收費站及收費廣場設計規范》中規定：收費車道的標準寬度為3.2 m，條件限制時可采用3.0 m；最外側的通道作為超大型車輛的通道，其標準寬度為4.5 m，條件限制時可采用4.0 m[3]。在4 m 的限寬條件下，若預制艙內安裝1.6 m 深的直流開關柜，手車拉出1 m，拉出手車后滿足500 mm 操作空間，凈空間已達3.1 m，如圖1 所示。因此，預制艙寬度基本設計為3.4 ～4.0 m。然而，在運維過程中發現，對于供電可靠性要求極高的城市軌道交通供電系統，其可檢修時間主要在22：30 至次日4：00。若內部檢修空間狹窄，夜間施工難度較大，人員和設備難以展開。因此，設計中存在運輸寬度和檢修空間的矛盾。

為了解決上述問題，提出箱體寬體設計的思路。綜合考慮安全可靠性是城市軌道交通的第一需求，建議采用加寬檢修走廊設計的方案。通過將箱體的寬度增加一定比例，提供更加充足的空間，使設備布局更加合理，方便安裝和維護。參照預制艙結構思路，將預制艙結構寬度改為5.4 m 以上，增設兩個檢修走廊，如圖2 所示。5.4 m 寬度方向可采用縱切拼裝方式實現。雖然現場安裝工作量增加，但是擴大寬度設計能更好地滿足設備安裝、檢修和維護需求，提升城市軌道交通供電系統的穩定性和可靠性，也更符合現代城市美觀和舒適的需求。

圖2 5 400 mm 寬項目布置方案

2.2 直流系統一次連接母排設計

城市軌道交通系統中的直流設備一次關系連接復雜，且不同設備間不兼容銅排連接，通常一次電纜連接需要100 ～200 根大容量直流電纜，不僅使得成本增加，而且給防火安全帶來了潛在的隱患，尤其是電纜夾層內危害更大[4-5]。為了解決這一問題，建議在適當的條件下，使用銅排母線實現柜間的電連接。

采用銅排母線連接具有5 點優勢。第一，負載能力強。與具有較厚絕緣層的電纜相比，尤其是地鐵直流電纜，裸銅排具有更強的負載能力。第二，母線槽的熱量釋放可視。通過紅外熱成像可以快速判斷系統過載的情況。第三，具有天然的防火優勢。盡管城軌系統已經基本采用了阻燃電纜，但大量電纜的相互影響仍然可能導致事故擴大，帶來更大的損失。而銅排母線具備天然的防火性，可以防止火災事故擴大。第四，使用壽命長。銅排母線的使用壽命在50 年以上，而電纜的使用壽命僅為20 ～30 年，可見銅排母線在長期使用中更具優勢。第五，安裝維護方便。銅排的連接方式相對簡單，便于連接和拆卸。相比之下，電纜的鋪設和連接較為復雜，需要專業技術人員進行電纜終端加工等操作。

然而，采用銅排連接也存在一定的劣勢。例如：銅排結構要求相鄰設備滿足連接條件，兼容性較差。在預制艙設計前期，需要對各廠家的結構進行詳細分析，確保母排的安全通過，同時滿足安裝強度要求。這需要設計人員綜合掌握電力系統和開關柜知識，且設計難度較大。

在某項目中，整流變壓器與整流器之間采用了部分銅排連接結構，在直流進線柜與整流器之間采用母排連接。這種設計使得整體項目預制艙內的電纜用量減少1/2 以上，證明了銅排連接在減少電纜用量和提高效率方面的優勢。總之，銅排連接在減少電纜用量和提高系統效率方面具有顯著優勢，應用前景廣闊。通過優化銅排連接的設計、選材和應用，可以降低項目成本，提升設備的可靠性和穩定性。

2.3 箱體外觀裝飾貼花工藝

預制艙變電站的箱體外觀質量對于整個設備的美觀度和防護能力具有重要影響。城市軌道交通作為一座城市的標志性工程，通常置于道路兩側或中央。為了使其與城市整體形象更加協調一致，預制艙外觀采用噴繪圖案進行美化，已廣泛應用于實際場景。一個獨特、美觀的預制艙外觀設計不僅能夠提升城市形象，還能夠彰顯城市的文化底蘊和特色。

然而，噴繪涂料的顏色耐久力差，壽命只有5 ～7 年。超期服役后，噴繪會出現掉色甚至脫落現象，而全面更換噴繪，周期較長。由于黏膠工藝水平的提高，傳統短壽命的貼花工藝同樣可以做到5 ～7 年的使用壽命，且貼花到期后拆除方便并更新迅速。

相比之下，噴繪的特點是可以提供一種整體的美學效果，但其壽命限制和更換成本較高。因此，在選擇美化方案時，考慮成本、效果、使用壽命以及更換成本等多個因素，可以使貼花方案更具優勢。首先，貼花能夠提供更靈活多變的選擇。使用不同的貼花材料和設計元素可以輕松創造獨特且多樣的外觀效果，為預制艙變電站增添個性化的魅力。其次，貼花方案更加環保。隨著社會對環境保護的日益重視，選擇環保的美化方案已經成為一種趨勢。貼花使用可回收再利用材料，符合可持續發展的要求。相比之下，噴繪所使用的涂料和溶劑可能會對環境造成一定的污染。同時，貼花方案的廢棄物較少，不會產生過多的垃圾，從而減輕了對環境的壓力。最后，貼花方案的安裝和維護過程相對簡單便捷。貼花作為一種預制材料，只需將貼花直接粘貼在預制艙的表面即可完成安裝，簡化施工步驟，可進一步縮短美化工作時間，降低施工難度和成本。貼花的維護也相對簡單，若出現損壞或老化，只需局部更換即可，降低了維護和修復頻率。

3 結語

對城軌供電系統中的預制艙設計進行詳細探討，從預制艙寬度、直流系統一次連接母排設計以及箱體外觀裝飾貼花工藝等方面進行分析和建議。通過優化設計，可以更好地滿足城市軌道交通供電系統的安全可靠性需求，提高系統效率，減少電纜用量，降低成本，同時提升城市形象。在未來的城軌項目中，應該根據具體需求和實際情況，綜合考慮各種因素，進行更詳細和深入的設計和規劃。