都四山地轨道交通主变电所设计思考

施 敏

（中铁二院工程集团有限责任公司,四川 成都 610036）

0 引言

都四山地轨道交通项目位于四川省阿坝藏族羌族自治州，横断山脉东缘，起于都江堰成灌高铁站，止于阿坝州小金县四姑娘山镇，由成都平原（平均海拔650 m）向青藏高原（海拔4 000 m 以上）东部边缘高山峡谷带行进。线路全长约123 km，共设车站11 座，全线桥隧比高达98%，5 km 以上的长大隧道共7 座，其中最长巴朗山隧道约13.5 km，施家山隧道瓦斯浓度最大达7.18%，沿线地质地貌特征复杂多变，施工难度极大。

该线列车首次在国内采用了“轮轨+齿轨”双制式的牵引模式，齿条位于轨道中心线处、安装在轨枕之上，轨距1 000 mm，轮轨段限制坡度40‰，齿轨段12%，最高行车速度120 km/h，齿轨段30 km/h。线路齿轨段包括两部分：翻越巴郎山上坡段（海拔2 772 m上升至3 696 m）、四姑娘山特大桥沿大纵坡沟谷走行段。主变电所作为整个供电系统的心脏，其安全运行至关重要。

1 供电系统设计概况

该项目供电系统主要包括110 kV 主变电所、35 kV中压环网、牵引变电所、降压变电所、牵引网（含回流系统）、动照系统、杂散电流腐蚀防护系统等部分，其中牵引供电系统采用直流1 500 V 接触轨供电、走行轨回流方式。根据供电计算，该线共新建110 kV 主变电所4 座，牵引变电所21 座，降压变电所3 座，结合当地外部电源情况，新建的4 座110 kV 主变电所依次位于蒲阳、映秀、卧龙、四姑娘山。

主变电所采用110 kV/35 kV 两级电压，除卧龙由一路110 kV 外电源供电外，其余3 座主变电所均由两路110 kV 独立外电源同时供电；35 kV 侧采用单母线分段，在35 kV 两段母线上均设置SVG 和固定电抗器用于补偿该项目供电系统中压环网及负荷侧产生的无功；因蒲阳、卧龙2 座主变电所外电源供电线路长且电缆敷设占比高，在对应所内110 kV 侧设置MCR 磁控电抗器用于补偿线路上的无功，稳定电网电压。与常规轨道交通主变电所相比，采用MCR+SVG 新型无功补偿的配合方式，能更好地同时发挥SVG 对负荷侧无功快速响应的特点，MCR 对系统侧大容量无功长期连续补偿调节的能力，起到1+1>2 的效果。

2 主变电所的设计

该项目主变电所设计过程中需要考虑山地高海拔低气压、强地震、极端低温、多雷电、地质灾害频发等多种不良环境因素的影响，以及自然保护区内生态保护的严格要求，在设计上提出相应的解决措施。

2.1 生态保护措施

国家级第三大卧龙自然保护区内动植物种群丰富，但生态也较脆弱。因该线供电需要，卧龙主变电所不得已设置于其中，为保护当地生态，尽可能地减少对周边的影响，结合该线旅游观光发车实时性要求不高的特点，适当降低供电电源可靠性要求，采用从当地熊猫水电站取一路110 kV 外电源的方案。外电源引入采用高压电缆敷设方式，不新建架空输电线路。

卧龙主变电所选址位于熊猫水电站大坝下游冲积扇，避开了泄洪通道，同时尽可能地减少对保护区内的土地占用和植被砍伐。根据声环境功能区划分，该区域为 1类声环境功能区，对环境噪声的要求较高。主变电所的噪声源主要包括主变压器、磁控电抗器、固定电抗器、高压设备室的散热风机（如发热量较大的SVG）等。针对布置于室外的主变压器和磁控电抗器，在设备底座基础安装减振器，并在室外设备区外侧加装隔音屏障。对于设置于室内的固定电抗器，在设备底座基础安装减振器；SVG 的散热方式由风冷改成水冷，取消风机的设置。

2.2 场坪选址

该项目线路隧道外区段大多沿山地之间的河道设置高架桥行进，河道两侧山体多数有不同程度的大面积滑坡堆积体。为避开不良地质地段，保证该线供电设施的安全，主变电所选址大都位于河道边的狭长缓坡处，场坪标高满足当地的百年洪水位，所内总平面布置需要适应狭长地形的要求，重点考虑所内电气综合楼半地下电缆夹层和场坪四周排水通畅，防止雨水倒灌，将半地下电缆夹层底面标高抬高，并在户外电缆沟引出所外围墙处设置积水井，设置必要的强排措施，尽可能避免所内场坪积水。

2.3 抗震措施

该项目位于龙门山地震构造带上，地震烈度高达8度（0.2 g 加速度），地震活动频繁。强震容易造成所内电气设备损坏，如变压器、磁控电抗器的出线套管断裂、室外中式布置的断路器、隔开等设备部件断裂、设备倾斜或跌落等事故。

根据GB50260—2013[1]规定，可对重要电力设施按抗震设防烈度提高1 度设防，即主变电所电气设备抗震设防烈度按9 度（0.4 g 加速度）设计。此外，其他措施包括选用设备重心较低、抗震性能好的GIS 开关柜、GIS组合电器；一次设备间采用软导线连接；变压器低压侧出线套管与硬铜排连接处采用软铜带过渡；针对变压器、磁控电抗器等大型设备在结构底座处定设隔振装置等。

2.4 防寒措施

四姑娘山地区昼夜温差大，冬季可长达半年以上，积雪或覆冰严重，历史极端低温达-35 ℃以下。低温会对各类电气设备及连接电缆的性能均有不同程度的影响。该项目除变压器、磁控电抗器、35 kV 电缆头支架、外电进线架构及避雷针等设备设施布置在户外，其他一二次设备均布置在主变电所电气综合楼内，房屋设置有保温隔热措施，因此主要针对户外设备设计防寒措施[2]。

低温会使变压器、磁控电抗器等设备中的绝缘油运行黏度增大，影响绝缘、散热性能，需要将变压器油由常规的#25 调整为#45，降低其凝固点。低温也会影响电缆的弹性和弯曲性能，甚至出现护套、绝缘层开裂情况，可选择ZR-YJY23、ZR-KYJYP2-23 等耐寒电缆。低温会使变压器在线监测箱体内的电子元器件无法正常工作，需提高箱体的密封性能，箱体内部元件采用耐寒产品，并且安装加热设施。另外，低温下的钢材强度会明显降低，户外架构、避雷针及电缆支架钢材可由Q235B 调整为Q235C，使用更低冲击温度的钢材。通过以上多种手段保证室外的一二次电气设备及电缆线材在低温环境下正常运行。

2.5 防雷措施

根据当地年平均雷暴日，该线位于多雷山区，主变电所内各类电气设备易受雷电影响造成雷击跳闸、供电中断，威胁该线运营安全。在所内通过设置独立避雷针、避雷器、二次防强电设施形成了一个比较完善的防雷防过电压系统。

根据避雷针保护范围计算，主变电所需要在围墙四角各设置1 座高35 m 常规避雷针。因部分主变电所选址位置靠近该线高架桥，避雷针倾倒会影响高架桥的安全，同时考虑该线沿途旅游观光的属性，以及建设后期主变电所景观提升的需求，采用保护范围更大的预放电避雷针，减少避雷针的设置数量及设置高度。

预放电避雷针[3]与常规避雷针虽然都是利用接闪器将电荷导入大地，保证建筑物不受雷击，但不同的是普通避雷针属于被动防雷，预放电避雷针则是主动引雷，引导雷电流定向流入大地，释放雷电能量，从而达到保护对象免受雷击的目的。其防护性能可根据提前放电时间分类，主要有10 μs、25 μs、45 μs、60 μs，提前放电时间越长，保护半径越大。

所内建构筑物高度15 m，按第二类防雷建筑物设计，对应的保护半径rx计算公式如下[4]：

式中，h——避雷针距离被保护物的高度（m）；r——建筑物防雷等级对应的滚球半径（m）；Δ——先导抢先运行距离（m），Δ=ΔT×106ΔT为预放电避雷针的预放电时间（μs）。

当选用的避雷针塔高度25 m，预放电时间选择25 μs，保护半径rx不小于51 m，在所内场坪中间位置设置1 座高25 m 预放电避雷针，就可满足防雷需求。

2.6 高海拔参数修正

该项目有1 座主变电所海拔约为3 100 m，高海拔低气压环境会降低电气设备的外绝缘水平，影响电气设备的安全运行，可按海拔3 500 m 对相关电气参数进行修正，作为设备选型及总平面布置的依据。

根据GB/T 311.1—2012[5]规范中采用海拔修正计算方法，对高压设备外绝缘耐受电压进行修正，海拔修正系数Ka计算公式如下：

式中，H——安装设备地点的海拔（m）；m——对雷电冲击耐受电压，对空气间隙和清洁绝缘子的短时工频电压，m取1。

当H取3 500 时，Ka=1.36， 再根据GB/T11022—2020[6]查表得到35 kV 及110 kV 电压等级下的工频耐受电压有效值和雷电冲击耐受电压峰值的基准值，具体修正值见表1。

表1 高压设备外绝缘耐受电压修正值对比表

根据DL/T 5352—2018[7]附录A 查表得海拔3 500 m时35 kV 及110 kV 对应的户外A1 修正值，同时计算得到海拔修正系数为1.25，再根据海拔1 000 m 时户外A2及户内A1、A2 的基准值，计算得到相应的修正值，具体净距A 的修正值见表2。

表2 安全净距A 修正值对比表

考虑山地轨道交通特殊运行环境，该线主变电所户外设备爬距按d 级设计，取值为43.3 mm/kV；户内设备爬距按c 级设计，取值34.7 mm/kV，并根据海拔3 500 m进行修正。爬电距离的海拔修正可参考的主要有电力行业标准DL/T 368—2010 和国家电网公司企业标准Q/GDW13001—2014[8]，该次计算根据DL/T 368—2010[9]附录B 查表得到，爬电距离修正结果见表3。

表3 爬电距离海拔修正值对比表

3 结语

都四线是采用“轮轨+齿轨”的新型山地轨道交通项目，该交通运输方式地形适应能力强、绿色低碳、安全可靠。该项目以客运为主，兼顾轻货运，可改变川西北生态示范区贫困状况，增添藏区出行方式，途经卧龙自然保护区、邓生原始森林、巴朗山巅云海，拥有丰富的自然生态景观和人文资源。列车厢体采用大面积的曲面玻璃，可以让乘客与窗外景观近距离交流，在全国山地旅游观光线路中具有广泛应用前景，对沿线地区乡村振兴具有重要意义，其中主变电所针对性的优化设计在其他山地轨道交通项目也具有借鉴意义。