張 濤

加強(qiáng)型預(yù)裝箱式設(shè)備的設(shè)計(jì)研究

張 濤

針對(duì)內(nèi)蒙、甘肅、新疆等西北地區(qū)惡劣氣候環(huán)境條件，在國(guó)內(nèi)目前產(chǎn)品設(shè)備的基礎(chǔ)上，研究了新型電氣化鐵道27.5 kV戶外加強(qiáng)型預(yù)裝箱式氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)方案，其研究將對(duì)電氣化鐵路在西北惡劣環(huán)境地區(qū)的建設(shè)和安全運(yùn)營(yíng)提供參考。

27.5 kV；氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備；電氣牽引；西北地區(qū)；環(huán)境適應(yīng)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(yùn)營(yíng)；西北地區(qū)日漸成為鐵路建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域，今后將有更多的電氣化鐵路項(xiàng)目在西北部地區(qū)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)。

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(fēng)、浮塵、溫差大、鹽漬等），給電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的設(shè)備提出了很多新的適應(yīng)性要求。以新疆南疆地區(qū)大風(fēng)區(qū)段為例，8級(jí)以上的大風(fēng)天氣超過(guò)百天，年平均風(fēng)速可達(dá)40 m/s；大風(fēng)引起大量浮塵、沙塵；晝夜溫差大，極限年溫差可達(dá)80℃；個(gè)別區(qū)段還存在嚴(yán)重鹽漬污染，大大削弱了電氣設(shè)備的絕緣能力，并腐蝕設(shè)備的金屬結(jié)構(gòu)、部件。類似的氣候條件對(duì)設(shè)備的防護(hù)能力、運(yùn)行穩(wěn)定性提出了更為嚴(yán)格、苛刻的要求，為此，需要對(duì)設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性能進(jìn)行重新研究。

1 預(yù)裝箱式設(shè)備現(xiàn)狀

目前已有很多電氣化線路采用預(yù)裝箱式分區(qū)所等設(shè)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(shè)備安裝簡(jiǎn)便、運(yùn)營(yíng)維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，可有效降低工程數(shù)量，減小工程造價(jià)，縮短工程進(jìn)度。

箱式分區(qū)所內(nèi)高壓設(shè)備通常選用的是常規(guī)空氣絕緣高壓設(shè)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(jìn)出線；地面高臺(tái)基礎(chǔ)安裝，這種結(jié)構(gòu)形式的設(shè)備制造、安裝簡(jiǎn)單，成本低；但對(duì)氣候環(huán)境的適應(yīng)能力較低。如穿墻套管在高污穢環(huán)境、冰封積雪下無(wú)法保障電氣絕緣能力；抗污穢能力弱；箱體通常安放在高臺(tái)基礎(chǔ)上，抗大風(fēng)和抗震能力差；廠家在部分箱體生產(chǎn)時(shí)為了節(jié)約成本，采用機(jī)械強(qiáng)度較差的復(fù)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(duì)預(yù)裝箱式開(kāi)關(guān)設(shè)備做適應(yīng)性改造，不能簡(jiǎn)單照搬常規(guī)地區(qū)的設(shè)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(diǎn)，研究新型的預(yù)裝箱式氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)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(fēng)、浮塵、溫差大、高污染、重污穢等特點(diǎn)。

西北地區(qū)普遍遠(yuǎn)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(dá)48.9℃，極端最低氣溫曾達(dá)-51.5℃。無(wú)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(yù)裝箱設(shè)備防護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)參數(shù)

（1）最高持續(xù)運(yùn)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(yàn)電壓為95 kV，

雷電沖擊試驗(yàn)電壓為200 kV；

（5）箱體防護(hù)等級(jí)：IP63。

3.2 防護(hù)設(shè)計(jì)

該方案是在常規(guī)地區(qū)箱式設(shè)備的技術(shù)基礎(chǔ)上，對(duì)箱體主結(jié)構(gòu)進(jìn)行有針對(duì)性、加強(qiáng)型設(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用了多種防護(hù)措施，提高了箱體防護(hù)能力。該方案以保證最終設(shè)備能適應(yīng)各種惡劣的風(fēng)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(shè)計(jì)

（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(qiáng)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(wú)法堆積在頂蓋上，稍有風(fēng)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(qiáng)頂蓋流體性能設(shè)計(jì)，頂蓋連接處做表面處理，保證光滑、平整。為了增強(qiáng)排水、排冰性能，頂蓋每隔數(shù)十厘米形成溝槽，以分?jǐn)嘌K。

（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(duì)于易積雪、積冰地區(qū)，在頂蓋內(nèi)部均勻布置多個(gè)電加熱器、溫度傳感器等溫控器件，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、均勻加熱達(dá)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(yù)設(shè)的環(huán)境條件自動(dòng)控制加熱器的啟動(dòng)和停止等動(dòng)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(shí)仍不會(huì)漏水。涂層含特殊的活性成份，具有荷葉效應(yīng)，有優(yōu)良的透氣性和疏水性，防污自潔性好，保護(hù)飾面潔凈常新，起到長(zhǎng)久保護(hù)的作用。

3.2.2 防風(fēng)設(shè)計(jì)

（1）半埋式框架底座的設(shè)計(jì)。為了加強(qiáng)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(qiáng)型槽鋼、工字鋼等焊接而成，牢固可靠，可承受較大的壓、彎負(fù)荷。為了更好地固定箱體，箱體采用半埋式安裝，見(jiàn)圖1?；炷粱A(chǔ)內(nèi)預(yù)埋高強(qiáng)度預(yù)埋螺栓，螺栓焊接在基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)鋼筋上以加強(qiáng)抗拉伸能力。箱體底框通過(guò)預(yù)埋螺栓整體固定于半埋式混凝土基礎(chǔ)內(nèi)，與混凝土基礎(chǔ)緊密可靠的結(jié)合。預(yù)埋深度半米甚至更深，可抵抗颶風(fēng)等自然災(zāi)害。特殊區(qū)段可考慮在以上技術(shù)措施基礎(chǔ)上增建抗風(fēng)墻。

另外，底框還可作為外接高壓、低壓電纜的進(jìn)出通道；也可提供通風(fēng)電機(jī)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(kāi)連接孔；箱體與底框間采用螺栓固定，連接緊密、可靠；必要時(shí)也可將箱體直接焊接在底框上。

（3）斜拉固定。考慮到特殊大風(fēng)區(qū)段的特點(diǎn)，為進(jìn)一步增強(qiáng)箱體的抗風(fēng)能力，在箱體四周預(yù)制混凝土基礎(chǔ)，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(fēng)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(fēng)特殊結(jié)構(gòu)。箱體內(nèi)部主力框架采用高強(qiáng)度槽鋼等型材焊接制作，根據(jù)受力分析，增加加強(qiáng)筋、梁設(shè)計(jì)。大梁采用橫向支撐、十字交叉支撐，增強(qiáng)箱體自身的抗變形、抗扭曲能力。

（5）迎風(fēng)面、背風(fēng)面處理。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)向分析，為減小風(fēng)阻，箱體迎風(fēng)面采用三角形設(shè)計(jì)，材質(zhì)采用抗沙粒沖擊的加厚型鋼板等；進(jìn)出氣換氣通道設(shè)計(jì)在箱體背風(fēng)面，以避開(kāi)風(fēng)沙直接沖擊。

3.2.3 環(huán)境（抗高低溫）設(shè)計(jì)

（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(shè)備區(qū)與箱體外環(huán)境熱交換，內(nèi)層設(shè)備區(qū)采用空調(diào)設(shè)備降溫抗高溫；采用分散式加熱設(shè)備抗低溫。

（2）風(fēng)道。加強(qiáng)型預(yù)裝箱式開(kāi)關(guān)設(shè)備箱體采用多個(gè)通風(fēng)通道，見(jiàn)圖2。在箱壁和半埋式底座四周都設(shè)有通風(fēng)通道。一般情況下，通過(guò)環(huán)控設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制通風(fēng)，特殊情況下可進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)。具體實(shí)施方法：采取下通風(fēng)方式，風(fēng)機(jī)通過(guò)底部通風(fēng)道排風(fēng)。箱體底部進(jìn)氣通道設(shè)計(jì)成之字形，加大沙塵流通阻力。為避免沙塵進(jìn)入進(jìn)風(fēng)口，進(jìn)風(fēng)口采取防雨型下彎式結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)多層濾網(wǎng)。

為增強(qiáng)極端氣候條件的適應(yīng)能力，避免極端狀況對(duì)箱體造成永久破壞，箱體外安裝風(fēng)速、能見(jiàn)度等氣候條件檢測(cè)裝置、設(shè)備，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果自動(dòng)開(kāi)合或關(guān)閉進(jìn)出風(fēng)通道，避免大風(fēng)、揚(yáng)塵時(shí)，粉塵和沙粒進(jìn)入箱體或阻塞濾網(wǎng)。

圖2 特殊的換氣風(fēng)道設(shè)計(jì)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(guò)濾”掉紅外線熱流，反射、散射掉太陽(yáng)照射90%以上的熱量，阻止熱能的傳導(dǎo)，從而產(chǎn)生隔熱效能。

（4）防腐蝕、耐酸堿。采用特殊工藝進(jìn)行防腐蝕、耐酸堿處理；對(duì)多種化學(xué)品浸泡無(wú)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(jìn)出線，使箱體外無(wú)裸露的髙壓導(dǎo)體，所有的高壓全嚴(yán)密的防護(hù)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(jiàn)圖3。

（2）電氣污穢。為保證電氣絕緣性能，要求所有電氣設(shè)備均按照Ⅳ級(jí)污穢等級(jí)環(huán)境條件設(shè)計(jì)。

（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(qiáng)型鋁合金或不銹鋼材質(zhì)，能抗颶風(fēng)吹動(dòng)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(jìn)線示意圖

4 設(shè)備構(gòu)成

戶外加強(qiáng)型預(yù)裝箱式氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備為主要由戶外電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)和安裝在全封閉金屬開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的SF6氣體絕緣開(kāi)關(guān)柜或小車式真空斷路器、戶內(nèi)電動(dòng)隔離開(kāi)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(shè)備和交直流電源系統(tǒng)、微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置、通信管理裝置、溫濕度控制裝置等設(shè)備以及消防、門(mén)禁、照明、通風(fēng)等附件設(shè)備共同組成，按無(wú)人值守設(shè)計(jì)。

戶外加強(qiáng)型預(yù)裝箱式氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備主接線見(jiàn)圖4所示。

圖4 主接線示意圖

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

該設(shè)備27.5 kV進(jìn)出線采用電纜進(jìn)出線方式，電纜進(jìn)出線由箱體底部通過(guò)電纜溝引入。

10 kV所用變進(jìn)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(yǔ)

在地質(zhì)氣象環(huán)境復(fù)雜的區(qū)域進(jìn)行鐵路建設(shè)時(shí)，加強(qiáng)型氣體絕緣開(kāi)關(guān)具有較高的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景，其設(shè)計(jì)研究將對(duì)電氣化鐵路在惡劣環(huán)境地區(qū)的建設(shè)和安全運(yùn)營(yíng)具有極為重要的意義。

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

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

[3] TB10758-2010 中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)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(xué)出版社，2005.

[5] 王漢兵.牽引變電所自投系統(tǒng)存在問(wèn)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(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，工程師，電話：18612038261。