張 濤

加強型預裝箱式設備的設計研究

張 濤

針對內(nèi)蒙、甘肅、新疆等西北地區(qū)惡劣氣候環(huán)境條件，在國內(nèi)目前產(chǎn)品設備的基礎上，研究了新型電氣化鐵道27.5 kV戶外加強型預裝箱式氣體絕緣開關(guān)設備的設計方案，其研究將對電氣化鐵路在西北惡劣環(huán)境地區(qū)的建設和安全運營提供參考。

27.5 kV；氣體絕緣開關(guān)設備；電氣牽引；西北地區(qū)；環(huán)境適應性

0 引言

目前，在內(nèi)蒙、青海、甘肅、新疆等西北部地區(qū)已有大量的電氣化線路投入運營；西北地區(qū)日漸成為鐵路建設的重點區(qū)域，今后將有更多的電氣化鐵路項目在西北部地區(qū)建設和運營。

由于西北地區(qū)特殊的地理環(huán)境和氣候條件（如高海拔、大風、浮塵、溫差大、鹽漬等），給電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的設備提出了很多新的適應性要求。以新疆南疆地區(qū)大風區(qū)段為例，8級以上的大風天氣超過百天，年平均風速可達40 m/s；大風引起大量浮塵、沙塵；晝夜溫差大，極限年溫差可達80℃；個別區(qū)段還存在嚴重鹽漬污染，大大削弱了電氣設備的絕緣能力，并腐蝕設備的金屬結(jié)構(gòu)、部件。類似的氣候條件對設備的防護能力、運行穩(wěn)定性提出了更為嚴格、苛刻的要求，為此，需要對設備的環(huán)境適應性能進行重新研究。

1 預裝箱式設備現(xiàn)狀

目前已有很多電氣化線路采用預裝箱式分區(qū)所等設備，相比較于常規(guī)房建式分區(qū)所，箱式分區(qū)所具有占地面積小、設備安裝簡便、運營維護簡單等特點，可有效降低工程數(shù)量，減小工程造價，縮短工程進度。

箱式分區(qū)所內(nèi)高壓設備通常選用的是常規(guī)空氣絕緣高壓設備，如干式變壓器、手車式斷路器、干式電流互感器等；箱體采用戶外結(jié)構(gòu)形式；一般采用瓷或硅橡膠穿墻套管、架空進出線；地面高臺基礎安裝，這種結(jié)構(gòu)形式的設備制造、安裝簡單，成本低；但對氣候環(huán)境的適應能力較低。如穿墻套管在高污穢環(huán)境、冰封積雪下無法保障電氣絕緣能力；抗污穢能力弱；箱體通常安放在高臺基礎上，抗大風和抗震能力差；廠家在部分箱體生產(chǎn)時為了節(jié)約成本，采用機械強度較差的復合彩鋼板作為主材料，隔熱、保溫和防腐性能較差。

因此，在某些氣候環(huán)境條件比較惡劣的地區(qū)，必須對預裝箱式開關(guān)設備做適應性改造，不能簡單照搬常規(guī)地區(qū)的設備形式，必須根據(jù)西北地區(qū)特殊的地理氣候環(huán)境特點，研究新型的預裝箱式氣體絕緣開關(guān)設備。

2 西北地區(qū)環(huán)境條件

西北地區(qū)氣候條件較差，具有大風、浮塵、溫差大、高污染、重污穢等特點。

西北地區(qū)普遍遠離海洋，是典型的溫帶大陸性干旱氣候。以新疆地區(qū)南疆平原為例，年平均氣溫10℃左右。吐魯番最高氣溫曾達48.9℃，極端最低氣溫曾達-51.5℃。無霜期南疆平原200～220 d，北疆平原大多不到150 d。

3 系統(tǒng)參數(shù)及預裝箱設備防護設計

3.1 系統(tǒng)參數(shù)

（1）最高持續(xù)運行電壓：31.5 kV；

（2）額定電流：1 250 A；

（3）額定頻率：50 Hz；

（4）系統(tǒng)絕緣水平：

1 min工頻試驗電壓為95 kV，

雷電沖擊試驗電壓為200 kV；

（5）箱體防護等級：IP63。

3.2 防護設計

該方案是在常規(guī)地區(qū)箱式設備的技術(shù)基礎上，對箱體主結(jié)構(gòu)進行有針對性、加強型設計，綜合運用了多種防護措施，提高了箱體防護能力。該方案以保證最終設備能適應各種惡劣的風沙雨雪、高溫、低溫等氣候條件為目的。

3.2.1 防沙、防雨、防積雪設計

（1）箱體屋面。箱體屋面采用具有一定傾斜角度的斜坡式頂蓋。為增加強度和平滑性，頂蓋一次折彎成型。頂蓋平面投影面積稍大于箱體，四周邊沿大約超出30 cm。頂蓋為人字形結(jié)構(gòu)，斜坡的傾斜度不小于15°，沙塵、灰塵無法堆積在頂蓋上，稍有風力即自然滑落，特殊區(qū)段甚至可考慮再加大傾斜度。為了加強頂蓋流體性能設計，頂蓋連接處做表面處理，保證光滑、平整。為了增強排水、排冰性能，頂蓋每隔數(shù)十厘米形成溝槽，以分斷雪塊。

（2）除積雪、積冰。在易積雪地區(qū)，可增加頂蓋的傾斜度或改變頂蓋的折彎梯度；對于易積雪、積冰地區(qū)，在頂蓋內(nèi)部均勻布置多個電加熱器、溫度傳感器等溫控器件，實現(xiàn)多點、均勻加熱達到融雪、融冰的目的。箱內(nèi)配置智能型溫控裝置，可根據(jù)預設的環(huán)境條件自動控制加熱器的啟動和停止等動作。

（3）防水自潔。在屋頂涂刷50～125 μm厚的涂料使其在有積水浸泡時仍不會漏水。涂層含特殊的活性成份，具有荷葉效應，有優(yōu)良的透氣性和疏水性，防污自潔性好，保護飾面潔凈常新，起到長久保護的作用。

3.2.2 防風設計

（1）半埋式框架底座的設計。為了加強箱體自身抗變形能力，箱體的底框、邊框、支柱等結(jié)構(gòu)件采用加強型槽鋼、工字鋼等焊接而成，牢固可靠，可承受較大的壓、彎負荷。為了更好地固定箱體，箱體采用半埋式安裝，見圖1。混凝土基礎內(nèi)預埋高強度預埋螺栓，螺栓焊接在基礎的結(jié)構(gòu)鋼筋上以加強抗拉伸能力。箱體底框通過預埋螺栓整體固定于半埋式混凝土基礎內(nèi)，與混凝土基礎緊密可靠的結(jié)合。預埋深度半米甚至更深，可抵抗颶風等自然災害。特殊區(qū)段可考慮在以上技術(shù)措施基礎上增建抗風墻。

另外，底框還可作為外接高壓、低壓電纜的進出通道；也可提供通風電機的安裝空間。

圖1 半埋式框架底座安裝示意圖

（2）箱體與底框間的固定。在底框上均勻開連接孔；箱體與底框間采用螺栓固定，連接緊密、可靠；必要時也可將箱體直接焊接在底框上。

（3）斜拉固定?？紤]到特殊大風區(qū)段的特點，為進一步增強箱體的抗風能力，在箱體四周預制混凝土基礎，植入固定樁、固定支柱；支柱材質(zhì)、埋地深度、空間平面位置等根據(jù)防風量大小確定。采用鋼索將箱體與固定樁、固定支柱斜拉固定。

（4）箱體防風特殊結(jié)構(gòu)。箱體內(nèi)部主力框架采用高強度槽鋼等型材焊接制作，根據(jù)受力分析，增加加強筋、梁設計。大梁采用橫向支撐、十字交叉支撐，增強箱體自身的抗變形、抗扭曲能力。

（5）迎風面、背風面處理。根據(jù)現(xiàn)場風向分析，為減小風阻，箱體迎風面采用三角形設計，材質(zhì)采用抗沙粒沖擊的加厚型鋼板等；進出氣換氣通道設計在箱體背風面，以避開風沙直接沖擊。

3.2.3 環(huán)境（抗高低溫）設計

（1）溫度控制。箱體采用3層特殊結(jié)構(gòu)：中間的保溫層防止內(nèi)層設備區(qū)與箱體外環(huán)境熱交換，內(nèi)層設備區(qū)采用空調(diào)設備降溫抗高溫；采用分散式加熱設備抗低溫。

（2）風道。加強型預裝箱式開關(guān)設備箱體采用多個通風通道，見圖2。在箱壁和半埋式底座四周都設有通風通道。一般情況下，通過環(huán)控設備進行自動控制通風，特殊情況下可進行強制通風。具體實施方法：采取下通風方式，風機通過底部通風道排風。箱體底部進氣通道設計成之字形，加大沙塵流通阻力。為避免沙塵進入進風口，進風口采取防雨型下彎式結(jié)構(gòu)，內(nèi)設多層濾網(wǎng)。

為增強極端氣候條件的適應能力，避免極端狀況對箱體造成永久破壞，箱體外安裝風速、能見度等氣候條件檢測裝置、設備，根據(jù)檢測結(jié)果自動開合或關(guān)閉進出風通道，避免大風、揚塵時，粉塵和沙粒進入箱體或阻塞濾網(wǎng)。

圖2 特殊的換氣風道設計示意圖

（3）隔熱涂層。采用特殊隔熱涂層；所選用的涂料內(nèi)密集泡狀物結(jié)構(gòu)，可“過濾”掉紅外線熱流，反射、散射掉太陽照射90%以上的熱量，阻止熱能的傳導，從而產(chǎn)生隔熱效能。

（4）防腐蝕、耐酸堿。采用特殊工藝進行防腐蝕、耐酸堿處理；對多種化學品浸泡無損傷，耐堿、耐酸、 耐鹽霧。

3.2.4 其他特殊措施

（1）采用電纜作為引入箱體的進出線，使箱體外無裸露的髙壓導體，所有的高壓全嚴密的防護在箱體內(nèi)，在電氣絕緣方面能滿足西北地區(qū)環(huán)境要求，參見圖3。

（2）電氣污穢。為保證電氣絕緣性能，要求所有電氣設備均按照Ⅳ級污穢等級環(huán)境條件設計。

（3）材料。箱體為戶外金屬鎧裝封閉式，為特殊的雙層結(jié)構(gòu)。

箱體最外第一層為加強型鋁合金或不銹鋼材質(zhì)，能抗颶風吹動的沙石的沖擊、擊打，并具有優(yōu)良的抗腐蝕性能；中間夾層填充加厚型阻燃隔熱材料，有效避免箱體內(nèi)、外熱交換。第三層采用加厚鍍鋅鋼板，為非燃性板材。

圖3 電纜進線示意圖

4 設備構(gòu)成

戶外加強型預裝箱式氣體絕緣開關(guān)設備為主要由戶外電動隔離開關(guān)和安裝在全封閉金屬開關(guān)柜內(nèi)的SF6氣體絕緣開關(guān)柜或小車式真空斷路器、戶內(nèi)電動隔離開關(guān)、電流互感器、電壓互感器、避雷器、自用電變壓器等一次設備和交直流電源系統(tǒng)、微機保護測控裝置、通信管理裝置、溫濕度控制裝置等設備以及消防、門禁、照明、通風等附件設備共同組成，按無人值守設計。

戶外加強型預裝箱式氣體絕緣開關(guān)設備主接線見圖4所示。

圖4 主接線示意圖

該設備箱體內(nèi)部共分6個必需間隔和2個預留間隔。6個必需間隔分別為斷路器含PT、避雷器、進線間隔（2個），PT、避雷器、帶進線間隔（1個），27.5 kV所用變、避雷器、帶進線間隔（1個），戶內(nèi)隔離開關(guān)間隔（1個），10 kV所用變間隔（1個）。2個預留間隔分別為通訊預留間隔和視頻預留間隔。每個間隔設有通向戶外的金屬門，便于值班巡視和手車更換。在通訊預留間隔的后面還設有對開門，以便于檢修安放在該柜后部的直流系統(tǒng)和空調(diào)。預留間隔與髙壓間隔之間采用網(wǎng)柵隔開，以便空調(diào)冷氣能夠流向箱體的每個角落。

該設備27.5 kV進出線采用電纜進出線方式，電纜進出線由箱體底部通過電纜溝引入。

10 kV所用變進線采用高壓電纜直接連接方式，電源引自鐵路專用10 kV貫通線。

5 結(jié)語

在地質(zhì)氣象環(huán)境復雜的區(qū)域進行鐵路建設時，加強型氣體絕緣開關(guān)具有較高的實用價值和應用前景，其設計研究將對電氣化鐵路在惡劣環(huán)境地區(qū)的建設和安全運營具有極為重要的意義。

[1] TB10621-2009 中華人民共和國鐵道部.高速鐵路設計規(guī)范（試行）[S].北京：中國鐵道出版社，2010.

[2] TB10009-2005 中華人民共和國鐵道部.鐵路電力牽引供電設計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[3] TB10758-2010 中華人民共和國鐵道部.鐵路電力牽引供電設計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2011.

[4] 賀威俊.電力牽引供變電技術(shù).ISBN/7811041510[M].成都：西南交通大學出版社，2005.

[5] 王漢兵.牽引變電所自投系統(tǒng)存在問題及解決方案[J].電氣化鐵道，2011，2（1）：26-28.

According to the harsh natural environment in the northwest area, such as NeiMengGu、GanSu、XinJiang etc, and based on products experience, this article has studyed on the design of a new enhanced gas insulation box type power switch for the application of 27.5 kV electric railway. Research in this article is very meaningful for electric railway construction in harsh natural environment in the northwest and future safety operation.

27.5 kV; gas insulation power switch; electric traction; the northwest area; environmental suitability

U224

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1007-936X(2015)01-0029-04

2014-08-28

張 濤.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，工程師，電話：18612038261。