寒温及寒冷地区铁路牵引变电所设计方案研究

曲江浩

（中国铁路设计集团有限公司电化电信工程设计研究院，天津 300308）

0 引言

我国地域幅员辽阔，可划分为寒冷、寒温II、寒温I、暖温、干热、亚湿热、湿热共7 种户外气候类型［1］，而寒温及寒冷地区占国土面积近一半。寒温及寒冷地区气候条件较恶劣，此地区牵引变电所常出现SF6气体液化、绝缘材料开裂、隔离开关拒动、冬季接地电阻值不满足要求等问题，下面对寒温及寒冷地区铁路牵引变电所设计经常出现的问题进行分析。

1 影响牵引变电所设计的气象因素

根据《环境条件分类 自然条件 温度和湿度》（GB/T 4797.1—2018）［1］给出的寒温及寒冷地区温度和湿度的绝对极值（如表1 所示），可以看出，温度低是寒温及寒冷地区的首要特点，温度低还会引起该地区覆冰厚、冻土深。

表1 绝对极值划分的各种气候类型［1］Tab.1 Various climatic types classified by absolute extreme value

2 寒温及寒冷地区对牵引变电所的影响分析

寒温及寒冷地区具有温度低、覆冰厚、冻土深等特征，对设备、材料产生很多不利影响。

2.1 温度低造成的影响

2.1.1 引发物质的形态变化，导致功能丧失

（1）变压器油在低温环境下会发生凝固，失去应有的绝缘、散热、消弧作用［2］。

（2）SF6断路器中的SF6气体三态变化如图1 所示，图中的S-T-K曲线称为饱和蒸气压力曲线，它代表了在给定的温度下气相与液相、气相与固相处于平衡状态的压力值。曲线右边为气态区，中间为液态区，左边为固态区。S点为SF6气体升华点，T点为SF6气体的熔点，K点为SF6气体的临界点。由图1 可知，SF6气体临界温度高，在低温环境下会发生液化，导致其失去应有的绝缘、灭弧作用。

图1 SF6三态图［3］Fig.1 SF6 tri-state diagram

根据SF6气体在电气设备的实际使用情况，绘制的状态参数特性曲线如图2 所示，只要知道SF6气体压力、密度和温度中任何两个参数，就可以查出其余的参数。

应用图2 可以求取SF6气体的液化温度。例如，当温度为20 ℃时，SF6气体（表压力）的液化温度如表2 所示。

由图2 和表2 可以得出如下结论：

表2 20℃时SF6压力（表压力）的液化温度［3］Tab.2 Liquefaction temperature of SF6 pressure（gauge pressure）at 20°C

图2 SF6气体状态参数曲线［3］Fig.2 SF6 gas state parameter curve

1）SF6液化温度与20 ℃时额定工作压力有关，工作压力越高则液化温度越高。如果环境温度最低为-30 ℃，则工作压力大于0.5 MPa 时SF6就会发生液化。

2）SF6电气设备的气体额定压力也不能选得太低。因为环境温度下降时，压力也会更低，这时会发生不经液化而直接凝华成固态的情况［3］。

另外，综合考虑SF6断路器的开断关合电流能力与分合闸时间，工程上通常将SF6断路器的工作压力设置在0.55 MPa～0.6 MPa 范围内，此时对应的SF6气体液化温度为-24 ℃～-22 ℃，远高于寒温及寒冷地区低温［1］时的环境温度，此环境下的SF6气体易发生液化。

2.1.2 引起物质的性能下降，导致寿命缩短

（1）电缆的绝缘层、护套层通常采用PVC、PE 等聚合物材料，当环境温度低于材料玻璃化温度时，其力学性能降低，出现发硬发脆的现象。聚合物材料形变与温度的关系如图3 所示，纯PVC 的玻璃化转变温度为87 ℃（在工程上使用的PVC，添加了增塑剂、改性剂等助剂，一般可降到-15 ℃，耐寒型可降到-30 ℃［4］），PE 的玻璃化转变温度为-68 ℃［4］。

图3 聚合物材料形变与温度关系Fig.3 Relationship between deformation and temperature of polymer materials

（2）干式电压互感器、电流互感器所使用的环氧树脂，在低温环境下容易诱发内部的应力增大而发生开裂，降低了材料的绝缘性能，严重时甚至会引起爆炸［5］。

（3）钢材按用途-工程结构分类，可分为碳素结构钢和低合金高强度结构钢。钢材在温度低于某一界限时，钢的冲击吸收功大幅度下降，从韧性状态变为脆性状态。这一温度被称为韧脆转变温度，钢材冲击吸收功和温度的关系曲线如图4 所示。不同钢材的韧脆转变温度不同，碳素钢的韧脆转变温度在-20 ℃左右；低合金高强度钢的韧脆转变温度在-30 ℃以下，最低可达-110 ℃［6］。

图4 钢材冲击吸收功和温度的关系曲线Fig.4 Relationship between impact energy and temperature of steel

（4）电路板及其电子元器件（电容、电阻、芯片等）、液晶屏均有工作温度要求，低温环境下，超出其工作温度范围时，可能会发生显示异常、芯片无法工作的情况，并影响其使用寿命。

2.2 覆冰厚造成的影响

低温环境对隔离开关几乎无影响，但覆冰对隔离开关的操作性能、导电性能影响很大，甚至造成隔离开关拒动，如图5 所示。

图5 电动隔离开关覆冰Fig.5 Electric isolation switch icing

2.3 冻土深造成的影响

冻土深会造成接地电阻值不稳定，存在接地电阻值在夏季满足要求，在冬季不满足要求的现象。这是因为当温度大于0 ℃时，土壤电阻率变化不大；当温度小于0 ℃时，土壤电阻率随温度的下降而明显上升。出现这种现象的原因在于，当温度降低至0 ℃以下时，土中水分随温度的降低部分或全部冻结为冰，而冰的电阻率大于液态水的电阻率。

3 寒温及寒冷地区牵引变电所设计方案

3.1 温度低引起物质形态变化的解决办法

对于温度低引起物质的形态变化，导致功能丧失的情况，可以通过以下方式解决：

（1）变压器油以凝固点高低划分为三个标号，分别为10#、25#、45#变压器油，根据油的不同属性，确定其适用范围，如表3 所示。

表3 各标号变压器油性能及应用范围Tab.3 Transformer oil performance and application scope of each grade

由表3 可知，在寒温及寒冷地区，可选择45#变压器油，倘若仍不满足要求，则可选择凝固点更低的KI45X、KI50X 等变压器油。

（2）根据上文分析可知，SF6断路器在寒温及寒冷地区使用时采用纯SF6气体不可行，但通过在SF6气体中混合其它气体，通常为SF6+N2或SF6+CF4，可以遏制混合气体在一定的低温环境下发生液化。

3.2 温度低引起材料性能下降的解决办法

对于温度低引起物体的性能下降、寿命缩短，可以采取以下措施：

（1）对于电缆的绝缘层、护套层，可以采取以下选型和使用建议，如表4 所示。

表4 电缆的绝缘层、护套层选型和使用范围Tab.4 Insulation layer，sheath layer selection and application range of cables

如果敷设温度不满足上述条件，可以将电缆整体移动到具有足够空间的房屋内（屋内温度需在25 ℃左右）进行预热，待电缆温度达到并高于规定敷设温度时，再进行快速敷设施工，且敷设时间不宜超过1 h。

（2）在寒温及寒冷地区使用电压互感器和电流互感器时，建议采用油式产品。若必须采用干式，应避免开裂，可采用提高环氧树脂韧性或降低环氧树脂的线性膨胀系数等方式解决，如在其中加入聚氨酯以提高韧性，或加入SiO2粉末降低线性膨胀系数等。

（3）在寒温及寒冷地区选择钢材时，建议采用低合金高强度结构钢来代替碳素结构钢。低合金高强度结构钢不仅具有比碳素结构钢更低的韧脆转变温度，还能在确保在良好的塑性、韧性条件下具有更高的强度；同时，具有良好的焊接性能和加工工艺性能；此外，还更具有较好的耐大气腐蚀性能。

（4）对于电路板及其电子元器件（电容、电阻、芯片等）、液晶屏等，宜采用户内设置。比如寒温及寒冷地区的接触网开关控制站，之前采用光纤监控方案的接触网电动隔离开关出现了大量误动，现在改成电缆直驱方案之后，所有控制部分（包括液晶屏、电路板、电容、电阻、芯片等）全部置于室内，并配备能够满足电子设备工作温度要求的取暖设施，其在后期运行中完全避免了前文所述的故障。

3.3 覆冰厚的解决办法

考虑到覆冰厚对隔离开关的影响，解决思路同上。即在施工前，可以先调查当地的最大覆冰厚度的历史数据，再确定隔离开关应具备的破冰能力，通过选取更适合当地环境的材料来解决此问题。

3.4 冻土深的解决办法

对于冻土问题，需先区分冻土的类型，分辨出是永冻土还是季节冻土；再对应采取下列措施，可使接地电阻值在冬季仍能满足要求。

3.4.1 在永冻土地区

（1）可将接地装置敷设在融化地带，或融化地带的水池或水坑中。

（2）可敷设深钻式接地极，或可充分利用井管及其他深埋地下的金属构件作接地极；此外，还应敷设深埋垂直接地极，其敷设深度应保证深入冻土层下面的土壤至少0.5 m。

（3）在房屋溶化盘内敷设接地装置。

（4）在接地极周围人工处理土壤，降低土壤的冻结温度和土壤电阻率。

3.4.2 在季节冻土地区

（1）当季节冻土形成的高电阻率层的厚度较浅时，可将接地网埋在高电阻率层下0.2 m［7］。

（2）已采用多根深钻式接地极降低接地电阻时，可将水平接地网正常埋设。

（3）季节性的高电阻率层厚度较深时，可将水平接地网正常埋设，在接地网周围及内部接地极交叉节点布置短垂直接地极，其长度宜深入季节高电阻率层下面2 m。

4 结束语

在极端恶劣气候条件下，应充分考虑气象条件对牵引变电所设备和材料的影响，并根据当地气候条件以及材料、设备的特性采取必要的特殊设计。本文在分析我国气候分布特点的基础上，根据寒冷和寒温地区具有温度低、覆冰厚和冻土深的特点，提出了相应解决办法，包括（1）变压器油的选择要与环境温度相匹配；（2）采用在SF6气体中混入N2或CF4等其它气体解决低温环境下的SF6气体液化问题；（3）电缆的绝缘层、护套层选型要与环境温度相匹配；（4）寒温及寒冷地区使用的干式电压互感器、电流互感器中的环氧树脂需增加聚氨酯或SiO2粉末以避免开裂；（5）采用低合金高强度结构钢来代替碳素结构钢，以确保钢材在低温环境下具备良好的塑性和韧性；（6）在寒温及寒冷地区使用的电路板及其电子元器件（电容、电阻、芯片等）、液晶屏宜采用户内设置；（7）隔离开关的破冰能力要与当地的最大覆冰厚度相匹配；（8）对于冻土地带的接地方案，应先确定冻土类型，再采取相应的措施。所提方案可为寒温及寒冷地区铁路牵引变电所的设计提供参考。