高原环境下电气化铁路设计特点探讨

周路遥

北京交通大学电气工程学院 100044

高原环境下电气化铁路设计特点探讨

周路遥

北京交通大学电气工程学院 100044

针对高原地区的特点，结合青藏铁路西格二线的工程设计，对电气化铁路设计在电工电子产品、电力变配电所改造、接触网、房建和土建方面进行了一些研究和探讨，为高原电气化铁路设计提供借鉴。

高原地区；高原环境；电气化铁路

引言

随着西部地区建设的飞速发展和《中长期铁路网规划》的快速实施，青藏线西格段、兰新第二双线、敦煌至格尔木线等多条电气化铁路将陆续建成。这些线路通过地区沿线自然条件复杂、恶劣，属高原高寒地区。

在高原环境下，空气压力和空气密度下降、空气温度降低、日温差大、空气绝对湿度减少等因素均对电器设备的正常使用带来了不良影响。为进一步提高高原地区电气化铁路安全、可靠运行水平，针对高原环境，结合青藏铁路西格二线的工程设计情况，对高原地区电气化铁路设计进行一些探讨。

1 高原环境的特点

1.1 海拔地区空气压力或空气密度降低

空气压力或空气密度降低，造成空气间隙的击穿电压下降，使电气间隙和瓷绝缘的放电特性下降，空气介质灭弧性能降低，飞狐距离增加，燃弧时间延长。

1.2 海拔地区热辐射和紫外线辐射增强，温度降低，温度变化大

高原地区热辐射增强，增加电气设备表面附加温升，虽然高原地区平均气温低，可部分补偿热辐射引起的设备表面附加温升，但是由于日温度变化，补偿不均匀。电气设备表面附加温升将降低有机绝缘材料的材料性质，使材料变形、生产机械热应力。

1.3 高原地区空气湿度相应地减少

高海拔地区空气湿度减少，电气设备的外绝缘强度降低。

1.4 高海拔地区土壤温度较低，且冻结期长

冻土的冻结和融化而引起的土层冻胀隆起，开裂和融沉，对于房屋、轨道和桥梁等都有很大的作用，对于电气化铁路的正常运行有着不可忽视的影响。

2 高原环境下电气化铁路设计特点

针对高原环境的影响，对电气化铁路设计在电工电子产品、电力变配电所改造、接触网、房建和土建方面进行了一些研究和探讨。

2.1 电工电子产品

电气化铁路涉及大量的电工电子产品，故而在设计的时候必须仔细考虑高原环境的影响。

高原地区对电工电子产品影响较大的环境因素为：低气压、低温、日夜温差、太阳辐射、雷击与静电等。高原地区使用的电工电子产品，在研制阶段有针对性地提出防护措施。例如：采用灌封措施、密封设计、温度调节设计、功率组件降额与优化设计、防雷设计。在材料与元器件的选用方面，尽可能地选用耐低温、防紫外线的材料，然后通过环境试验(高温、低温、低气压、太阳辐射等等)进行验证与考核，发现并消除设计中存在的隐患，从而提高电工电子产品环境适应性能力。同时，在使用过程中需着重考虑以上几种环境因素的影响，加强防护措施，例如改善设备使用环境，安装避雷装置等，减少环境对产品的危害。

另外，冻土的冻结和融化而引起的土层冻胀隆起，开裂和融沉，对埋在地下的电缆弯曲拉伸影响很大，有可能将铅电缆拉断。据调查中反映，冻土层中最低温度一般不会低于-16℃，因而在敷设电缆时，在电缆周围填300×300mm含盐砂介质中，一方面可以使电缆处于不冻状态，另一方面在冻胀隆起、开裂的情况下，可以对冻层作较大的相对位移，从而可以减少在电缆上的张力。

2.2 电力变配电所改造

电力变配电所是电气化铁路的一个重要组成部分。由于高海拔地区温度变化大，使电气设备外壳容易变形、龟裂，密封结构容易破裂。紫外线辐射增强，引起有机绝缘材料的加速老化，使空气容易电离而导致外绝缘强度和电晕起始电压降低。因此，在有条件的情况下，高海拔地区的变配电所宜采取室内布置方式，有利于延长电气设备的使用寿命。

当工程地点位于多年冻土，为保护变配电所内冻土层，接地网可采用外引接地极方式，但对可能将高电位引向所外或将低电位引向所内的设施，应采取隔离措施；当工程地点位于季节冻土或季节融化层，接地网可采用所内敷设接地极方式。为保护多年冻土周围环境的稳定性，变配电所场区排水系统应完善，场区地面易采取硬化措施。

大部分工程施工中采取基底敷设浆砌片石，并注意避免雨天施工，施工中减少基坑的暴露时间，加上变配电所周围及场区完善的排水系统，严格防止了生产生活用水的渗漏，场区地面采取了硬化措施，保护了湿陷性黄土周围环境的稳定性。多年运营实践证明，采取基底敷设浆砌片石的方式，保证了基础稳定、电气设备的可靠运行。

青藏线地处高原地区，为提高自动化水平及满足无人值班的需要，全线各牵引变配电所及分区所均采用了综合自动化系统，并设置视频安全监控系统，电气设备选型均采用了高原型设备。

2.3 接触网工程

接触网工程是电气化铁路设计的一个重要部分。对于接触网设备而言，在工频电压作用下，主要承受雷电过电压、操作过电压、污耐受电压等3种类型的电压，应用于高原地区时均需进行海拔校正。因此，接触网设备耐受电压的海拔校正可参照《高压输变电设备的绝缘配合》(GB311.1-1997)、《特殊环境条件高原用高压电器的技术要求》(GB/T20635-2006)、《电气化铁路绝缘子第1部分：棒形瓷绝缘子》(TB/ T3199.1-2008)中规定的修正方法、校正因数，并借鉴青藏线科研成果进行海拔校正计算。综合上述耐受电压海拔校正因数的计算规定，考虑高原地区恶劣的自然环境和现行规范体系的具体应用情况，建议高原地区电气化铁路接触网设备的耐受电压校正因数选用现有标准体系中的较大值，即：一般按GB311.1-1997规定的海拔校正因数，接触网棒式绝缘子耐受电压海拔校正因数按铁路标准规定选用。

接触网空气绝缘间隙的海拔校正可参照(66kV及以下架空电力线路设计规范》(GB50061-97)、《铁路电力牵引供电设计规范》(TBl0009--2005)规定的修正方法进行海拔校正计算。综合考虑铁路现行规范体系的具体应用情况，建议高原地区电气化铁路接触网设备的空气绝缘修正时按TB10009--2005规定选用海拔校正因数。

目前高原地区电气化铁路实际运行经验不多，建议对关键接触网设备进行监测，为高原地区电气化铁路的安全运行、运营维护管理及电气化设备铲平制造积累经验。对于时速160Km的城际铁路，对接触网的受流要求很高，全线站场及与正线有关的站线采用新型硬横跨，具有整体刚度好，受力均匀，抗灾能力强的优点。

2.4 房建工程

由于季节融化层的冻融变化直接影响和危及建筑物、杆塔的稳定性。高原电气化铁路房屋、设备、架构基础设计，接地网敷设深度的拟定，首先应明确工程地点为季节冻土或多年冻土。当工程地点为多年冻土区域，应根据勘测确定的多年冻土上限，根据保护冻土的原则，从保持基础持力层的稳定性，保护多年冻土周围环境的稳定性出发，考虑房屋内取暖有可能影响地温等因素，按照《冻土地区建筑地基基础设计规范》JGJ118-98中的要求，进行多年冻土地区建筑物地基的融化深度和基础稳定性计算，确定冻土强度指标的设计值，进行多方案比选，谨慎地设计工程地点变配电所房屋、设备、架构基础。

2.5 土建工程

土建工程涉及路基、桥涵、桥墩和轨道方面的建造。由于高原地区环境的特殊性，在建造的同时必须考虑到。针对青藏高原一日中常见四季的恶劣的自然环境和气候条件，研究解决了高原大温差地区轨缝控制技术。针对青藏线率先使用的新型免维护扣件，研究解决了大转矩紧固弹条I型扣件钉联工艺。

随着气温升高，造成冻土退化和地面沉陷，地基约束刚度降低，桥梁自振基本周期增大，墩身地震弯矩减小，桩身弯矩和墩顶位移增大。为了减少冻土对路基工程的危害，青藏铁路冻土地区大量应用了桥梁工程。耐久梁是青藏线为满足抗震、抗裂、抗冻融和耐久性而做特殊设计的桥梁。

3 结语

加快开发西部地区，对于推进全国的改革和建设和保持国家的长治久安，是一个全局性的发展战略，不仅具有重大的经济意义，而且具有重大的政治和社会意义。本文剖析了高原环境的特点，就电气化铁路设计中应考虑的一些问题阐述认识，供大家参考，促使西北电气化铁路健康和迅速发展。

[1]许霓，张卓见.浅析西北高原地区电气化工程设计特点.北京：铁道工程学报，2004.

[2]侯婉秋，李海燕.高原环境对低压电器产品的影响及其对策.青海：青海科技，2009.

[3]孙丽军，蔡汝山等.高原环境对电工电子产品的影响及防护.广州：电子产品可靠性与环境试验，2010.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.09.096