大型箱式牵引变电所在新制式轨道交通中的应用

王尉舟 由恒远

（1．中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610094；2．青岛特锐德电气股份有限公司，山东 青岛 266100）

0 引言

随着近些年来新制式轨道交通（有轨电车、磁悬浮、山地轨道交通、空轨以及城际快铁等）行业的发展。，很多新制式轨道交通项目采用中压35 kV、直流1 500 V 牵引的供电制式。由于新制式轨道交通与传统地铁项目之间的差异很大，新制式轨道交通变电站一般设置在地面或地上，往往不具备传统地铁项目变电所的土建条件。即使采用常规的土建式牵引变电站，也一直存在造价高、选址难、建设周期长以及维护接口复杂等问题[1]，如何解决牵引变电所建站和选址的问题成为新制式轨道交通项目供电系统专业面临的一个重大技术难题。箱式变电站的应用可以较大程度地解决牵引变电所建站和选址的问题，箱式结构变电站由于具有集成度高、占地面积小、土建工程少等优势，因此将会成为新制式轨道交通牵引供电的主流选择，该文通过对大型牵引变电所的箱式方案的设计思路和实现方案的阐述，为新制式轨道交通项目供电系统的设计提供了参考。

1 大型箱式牵引变电所方案说明

在大型城市轨道交通项目中，例如某市域轨道交通项目的主要设备为35 kV 开关柜、2 套整流机组（3 000 kVA整流变压器+整流器）、直流开关柜、上网开关柜、交直流屏系统、排流柜、钢轨电位限制装置以及再生制动设备。为了节约箱体空间，配电变压器放置在车站负荷中心，箱式牵引所内变压器容量应满足箱式牵引所负荷需求。

对于一次方案，35 kV 开关柜通常采用GIS 充气柜，主流35 kV GIS 充气柜一般为分相式结构和共箱式结构，其优缺点如下。

分相式结构包括以下3 个特点。1） 开关柜采用分相结构，不会产生相间短路，供电连续性能较优。2）电流互感器外置，不需承受动热稳定影响。3）缺点是占地空间较大，需要补气空间，安装结构只有内锥直插结构。

共箱式结构的特点包括以下4 点：1）产品体积较小，比较适用于户外箱式变电站内部空间布置要求。2）产品并柜采用内锥母线插拔技术，产品现场安装无需进行现场充气。3）对外一次电缆接线方式可采用外锥配肘型头，安装更加方便。4） 缺点是互感器内置带来的安全隐患。

笔者推荐采用共箱式结构的35 kV GIS 时将35 kV 电压互感器单独成柜，避免因35 kV 电压互感器烧毁导致整个气室的破坏和故障范围的扩大。

传统轨道交通项目是以整流机组作为核心的牵引供电设备。随着我国对低碳节能的要求愈发严格，全国各地项目逐渐开始推广再生制动成套设备，其可以在机车制动时进行能量回收。

近些年来双向变流器装置应运而生。双向变流装置同时具有整流和逆变功能，可根据系统牵引能量流动情况自主选择整流及逆变工况。其优势包括以下3 条：1）采用双向变流装置可以省掉再生制动装置，节约生产用房规模。2）双向变流装置损耗小，谐波含量小。3）采用双向变流装置可使系统能量得到充分应用。但目前双向变流器装置仅处于实验阶段，并未投入实际项目运营，缺乏实际项目论证。双向变流器装置高额的成本使其难以在具体项目中得以应用。

该文推出的方案在应用最为广泛的“双整流机组+再生制动成套设备”的基础上完成。具体项目可根据设备的增减或变化在该方案基础上修改后应用。

1.1 箱式变电站整体布置方案说明

大型箱式牵引变电所的方案最早应用于重庆跳蹬线—江津段项目中。项目现场的2 个桥墩之间的净空间距离为32 m，箱变的2 个预制舱拼接后长度为29 m，刚好留下开门空间。在该极端狭小的空间中，箱式变电站的集成优势体现的非常明显。

重庆跳蹬线—江津段项目中采用的是2 个预制舱的箱式牵引变电所方案。将整流变压器、所用变压器、交直流成套装置和35 kV 设备放置在其中1 个预制舱内。将直流设备及再生制动设备放置在另1 个预制舱内。

经过对重庆跳蹬线—江津段项目的实践总结，笔者认为，2 个预制舱的箱式牵引变电所方案尚存在以下3 个问题。1） 变压器集中在其中1 个预制舱内造成荷载不均，2 台整流变压器集中在较长的箱体的一端，造成预制舱一端荷载远大于另外一端，使得箱体在运输和吊装过程中难度加大。2）2 个预制舱的箱式牵引变电所方案设备间接线不能做到方案最优，某些设备线缆长度较大。3）2台整流变压器和2 台所用变压器集中在1 个预制舱内导致环控压力较大。

经过后期对箱式牵引所结构的优化，笔者设计了3 个预制舱的箱式牵引所方案，如图1～图3 所示，并将该方案应用于彭白铁路改建工程项目中。

图1 箱体1 平面布置示意图

3 个预制舱的箱式牵引所方案可根据场坪条件进行排布。如果场坪宽度较窄，可以按照箱体1、箱体2、箱体3的顺序从左到右一字排列布置。也可以分2 排布置，第1排从左至右按照箱体2、箱体1 的顺序排布，箱体3 为第2 排，中间设置1.5 m～2 m 的检修通道。

该方案具有7 点优势：1） 各预制舱内荷载相对一致，便于运输和吊装。2） 各预制舱内设备功能统一。3） 将变压器和发热量大的设备集中设置，减少箱变环控的难度。4）充分考虑到箱体间、箱体内部设备接线关系，让有接线关系的设备临近，最大程度地节约电缆，保证供电可靠性。5） 全站可打开前后门检修，方便安装维护。每个预制舱设置2 个以上的检修门，设置应急逃生锁，预制舱内设置贯通的检修巡视通道。保证检修维护设施安全方便，尤其是利于危险时逃生。6） 整流变压器是产生故障后对其他设备影响最大的元件，因此该项目设置独立的变压器间隔，使其完全独立，防止事故扩大，安全可靠。7） 在现场环境场地允许的情况下，可以在预制舱主体两侧设置1.5 m 的检修通道，该措施相当于土建变电站结构，实现全部箱变内维护检修。

1.2 箱式变电站内火灾监控和消防系统说明

箱式变电站为无人值守变电站，根据《火力发电厂与变电站设计防火标准》GB 50229—2019[2]中规定：屋外配电装置区域布置露天的电气以及设备支架和构架，不属于一般的建筑物，现在的电气设备一般是无油或少油电气设备，设备支架和构架较多为钢结构，不必按建筑的耐火等级规定构架和支架的耐火要求。因此不再规定屋外配电装置区域耐火等级要求。

箱变内不设置消防设施，设置火灾监控，通常设置感烟器等。火灾监控设备信号可以同时上传至综合监控FAS系统及辅助监控系统。

1.3 箱式变电站环控设计

对于大容量的变压器的发热量的控制需要针对现场环境做充分的设计。变压器室采用强制风冷来实现，参照《箱式一体化光伏逆变站的通风散热研究》[2]对风机和风口等条件进行优化设计。为了保证在通风窗有灰尘的情况下依然能保证足够的散热量，散热设计通常按2 倍以上的散热效果考虑。

以《有轨电车箱式牵引变电站的方案结构优化》[3]中对微正压的描述作为参考，箱变内非变压器部分均考虑使用微正压空调来对环境进行优化控制。由于系统容量较大，在发热量大的设备顶部应酌情考虑设置风道接入来加强降温功能，增加设备运行寿命。

1.4 箱式变电站辅助监控系统说明

近些年来，在由电力系统推行、铁路行业大力推广以及城市轨道交通行业逐步全面应用的背景下，由于箱式变电站对无人化要求更高，因此，箱式牵引变电所应采用辅助监控系统。辅助监控系统主要实现功能如下。

1.4.1 视频监控及巡检信息

采集实时视频流数据、巡检照片、语音对话、自检信息和告警信息等。

1.4.2 安全防范信息

采集所内门禁、红外双鉴/三鉴、激光对射、玻璃破碎等告警信息和自检信息等。

1.4.3 火灾报警信息

采集火灾处理单元的现场探测信息、设备自检信息等。

1.4.4 环境监控信息

采集温、湿度传感器、水浸传感器、SF6 监测传感器、空调等设备运行信息、告警信息及自检信息。

除此之外，辅助监控系统还能实现如变压器等设备的在线监测功能，例如变压器光纤测温、铁芯接地、开关柜的绝缘监测等功能。辅助监控系统由设置在箱式变电所内的辅助监控屏作为站级主机，通过光纤网络上传至控制中心线路级主站。

2 箱式变电所在轨道交通行业的应用前景

铁路行业的箱式变电所应用主要应用于规模较小的降压配电变电所、分区所，铁路行业非常成熟，箱式变电所的应用范围有限且固定。

图2 箱体2 平面布置示意图

图3 箱体3 平面布置示意图

在地铁行业中，变电所往往与车站或生产用房合建，箱式变电所极少应用。在一些地铁改造项目中，在没有土建条件的情况下，可应用箱式变电站。但地铁行业中的箱式变电站的基本应用仅局限于跟随式降压变电所，而在牵引所中极少应用。

在新制式轨道交通行业中，车站往往规模很小，牵引变电所往往需要单独考虑土建条件的因素。特别在一些城际快速轨道交通项目中，由于项目站间距大，因此还需要在空间较大的区间选址设置区间牵引变电所。

在空轨、有轨电车项目中，基本采用直流750 V 单机组牵引供电制式，由于设备数量和体积不大，因此该类项目能够做到箱式变电站全覆盖。在一些新制式轨道交通项目，例如城际快速轨道交通项目中，采用直流1 500V 双机组牵引供电制式，由于设备数量较多，体积较大，该类项目往往采用土建式变电所，涉及专业众多，接口复杂且投资较大，现场实施缓慢，极易出现差错。

大型箱式牵引变电所方案的推出将很好地解决该类问题。箱式变电站具有“8 防2 抗”性能（防雨、防凝露、防渗漏、防腐蚀、防尘、防盐雾、防小动物、防盗、抗冲击和抗震），不需要使用生产用房，可直接采用户外布置。箱式变电站内部设备采用紧凑式的布置方式，在工厂完成箱体组装、设备安装、接线、试验以及调试等工作，箱体连同设备整体运至现场安装后即可开通送电功能。箱式变电所相较于传统土建变电所来说，占地更小、工程实施更快、投资更加经济，因此在该类项目中的应用前景极好。

3 结语

随着近些年来新制式轨道交通项目在全国各地的蓬勃发展，传统土建牵引变电所愈发难以满足行业技术发展、项目工期及成本的要求。该文对应用于新制式轨道交通项目的大型箱式牵引变电所的方案进行了阐述，并对大型箱式牵引变电所在新制式轨道交通项目中的应用前景进行了分析。