加强型预装箱式设备的设计研究

张 涛

加强型预装箱式设备的设计研究

张 涛

针对内蒙、甘肃、新疆等西北地区恶劣气候环境条件，在国内目前产品设备的基础上，研究了新型电气化铁道27.5 kV户外加强型预装箱式气体绝缘开关设备的设计方案，其研究将对电气化铁路在西北恶劣环境地区的建设和安全运营提供参考。

27.5 kV；气体绝缘开关设备；电气牵引；西北地区；环境适应性

0 引言

目前，在内蒙、青海、甘肃、新疆等西北部地区已有大量的电气化线路投入运营；西北地区日渐成为铁路建设的重点区域，今后将有更多的电气化铁路项目在西北部地区建设和运营。

由于西北地区特殊的地理环境和气候条件（如高海拔、大风、浮尘、温差大、盐渍等），给电气化铁路牵引供电系统的设备提出了很多新的适应性要求。以新疆南疆地区大风区段为例，8级以上的大风天气超过百天，年平均风速可达40 m/s；大风引起大量浮尘、沙尘；昼夜温差大，极限年温差可达80℃；个别区段还存在严重盐渍污染，大大削弱了电气设备的绝缘能力，并腐蚀设备的金属结构、部件。类似的气候条件对设备的防护能力、运行稳定性提出了更为严格、苛刻的要求，为此，需要对设备的环境适应性能进行重新研究。

1 预装箱式设备现状

目前已有很多电气化线路采用预装箱式分区所等设备，相比较于常规房建式分区所，箱式分区所具有占地面积小、设备安装简便、运营维护简单等特点，可有效降低工程数量，减小工程造价，缩短工程进度。

箱式分区所内高压设备通常选用的是常规空气绝缘高压设备，如干式变压器、手车式断路器、干式电流互感器等；箱体采用户外结构形式；一般采用瓷或硅橡胶穿墙套管、架空进出线；地面高台基础安装，这种结构形式的设备制造、安装简单，成本低；但对气候环境的适应能力较低。如穿墙套管在高污秽环境、冰封积雪下无法保障电气绝缘能力；抗污秽能力弱；箱体通常安放在高台基础上，抗大风和抗震能力差；厂家在部分箱体生产时为了节约成本，采用机械强度较差的复合彩钢板作为主材料，隔热、保温和防腐性能较差。

因此，在某些气候环境条件比较恶劣的地区，必须对预装箱式开关设备做适应性改造，不能简单照搬常规地区的设备形式，必须根据西北地区特殊的地理气候环境特点，研究新型的预装箱式气体绝缘开关设备。

2 西北地区环境条件

西北地区气候条件较差，具有大风、浮尘、温差大、高污染、重污秽等特点。

西北地区普遍远离海洋，是典型的温带大陆性干旱气候。以新疆地区南疆平原为例，年平均气温10℃左右。吐鲁番最高气温曾达48.9℃，极端最低气温曾达-51.5℃。无霜期南疆平原200～220 d，北疆平原大多不到150 d。

3 系统参数及预装箱设备防护设计

3.1 系统参数

（1）最高持续运行电压：31.5 kV；

（2）额定电流：1 250 A；

（3）额定频率：50 Hz；

（4）系统绝缘水平：

1 min工频试验电压为95 kV，

雷电冲击试验电压为200 kV；

（5）箱体防护等级：IP63。

3.2 防护设计

该方案是在常规地区箱式设备的技术基础上，对箱体主结构进行有针对性、加强型设计，综合运用了多种防护措施，提高了箱体防护能力。该方案以保证最终设备能适应各种恶劣的风沙雨雪、高温、低温等气候条件为目的。

3.2.1 防沙、防雨、防积雪设计

（1）箱体屋面。箱体屋面采用具有一定倾斜角度的斜坡式顶盖。为增加强度和平滑性，顶盖一次折弯成型。顶盖平面投影面积稍大于箱体，四周边沿大约超出30 cm。顶盖为人字形结构，斜坡的倾斜度不小于15°，沙尘、灰尘无法堆积在顶盖上，稍有风力即自然滑落，特殊区段甚至可考虑再加大倾斜度。为了加强顶盖流体性能设计，顶盖连接处做表面处理，保证光滑、平整。为了增强排水、排冰性能，顶盖每隔数十厘米形成沟槽，以分断雪块。

（2）除积雪、积冰。在易积雪地区，可增加顶盖的倾斜度或改变顶盖的折弯梯度；对于易积雪、积冰地区，在顶盖内部均匀布置多个电加热器、温度传感器等温控器件，实现多点、均匀加热达到融雪、融冰的目的。箱内配置智能型温控装置，可根据预设的环境条件自动控制加热器的启动和停止等动作。

（3）防水自洁。在屋顶涂刷50～125 μm厚的涂料使其在有积水浸泡时仍不会漏水。涂层含特殊的活性成份，具有荷叶效应，有优良的透气性和疏水性，防污自洁性好，保护饰面洁净常新，起到长久保护的作用。

3.2.2 防风设计

（1）半埋式框架底座的设计。为了加强箱体自身抗变形能力，箱体的底框、边框、支柱等结构件采用加强型槽钢、工字钢等焊接而成，牢固可靠，可承受较大的压、弯负荷。为了更好地固定箱体，箱体采用半埋式安装，见图1。混凝土基础内预埋高强度预埋螺栓，螺栓焊接在基础的结构钢筋上以加强抗拉伸能力。箱体底框通过预埋螺栓整体固定于半埋式混凝土基础内，与混凝土基础紧密可靠的结合。预埋深度半米甚至更深，可抵抗飓风等自然灾害。特殊区段可考虑在以上技术措施基础上增建抗风墙。

另外，底框还可作为外接高压、低压电缆的进出通道；也可提供通风电机的安装空间。

图1 半埋式框架底座安装示意图

（2）箱体与底框间的固定。在底框上均匀开连接孔；箱体与底框间采用螺栓固定，连接紧密、可靠；必要时也可将箱体直接焊接在底框上。

（3）斜拉固定。考虑到特殊大风区段的特点，为进一步增强箱体的抗风能力，在箱体四周预制混凝土基础，植入固定桩、固定支柱；支柱材质、埋地深度、空间平面位置等根据防风量大小确定。采用钢索将箱体与固定桩、固定支柱斜拉固定。

（4）箱体防风特殊结构。箱体内部主力框架采用高强度槽钢等型材焊接制作，根据受力分析，增加加强筋、梁设计。大梁采用横向支撑、十字交叉支撑，增强箱体自身的抗变形、抗扭曲能力。

（5）迎风面、背风面处理。根据现场风向分析，为减小风阻，箱体迎风面采用三角形设计，材质采用抗沙粒冲击的加厚型钢板等；进出气换气通道设计在箱体背风面，以避开风沙直接冲击。

3.2.3 环境（抗高低温）设计

（1）温度控制。箱体采用3层特殊结构：中间的保温层防止内层设备区与箱体外环境热交换，内层设备区采用空调设备降温抗高温；采用分散式加热设备抗低温。

（2）风道。加强型预装箱式开关设备箱体采用多个通风通道，见图2。在箱壁和半埋式底座四周都设有通风通道。一般情况下，通过环控设备进行自动控制通风，特殊情况下可进行强制通风。具体实施方法：采取下通风方式，风机通过底部通风道排风。箱体底部进气通道设计成之字形，加大沙尘流通阻力。为避免沙尘进入进风口，进风口采取防雨型下弯式结构，内设多层滤网。

为增强极端气候条件的适应能力，避免极端状况对箱体造成永久破坏，箱体外安装风速、能见度等气候条件检测装置、设备，根据检测结果自动开合或关闭进出风通道，避免大风、扬尘时，粉尘和沙粒进入箱体或阻塞滤网。

图2 特殊的换气风道设计示意图

（3）隔热涂层。采用特殊隔热涂层；所选用的涂料内密集泡状物结构，可“过滤”掉红外线热流，反射、散射掉太阳照射90%以上的热量，阻止热能的传导，从而产生隔热效能。

（4）防腐蚀、耐酸碱。采用特殊工艺进行防腐蚀、耐酸碱处理；对多种化学品浸泡无损伤，耐碱、耐酸、 耐盐雾。

3.2.4 其他特殊措施

（1）采用电缆作为引入箱体的进出线，使箱体外无裸露的髙压导体，所有的高压全严密的防护在箱体内，在电气绝缘方面能满足西北地区环境要求，参见图3。

（2）电气污秽。为保证电气绝缘性能，要求所有电气设备均按照Ⅳ级污秽等级环境条件设计。

（3）材料。箱体为户外金属铠装封闭式，为特殊的双层结构。

箱体最外第一层为加强型铝合金或不锈钢材质，能抗飓风吹动的沙石的冲击、击打，并具有优良的抗腐蚀性能；中间夹层填充加厚型阻燃隔热材料，有效避免箱体内、外热交换。第三层采用加厚镀锌钢板，为非燃性板材。

图3 电缆进线示意图

4 设备构成

户外加强型预装箱式气体绝缘开关设备为主要由户外电动隔离开关和安装在全封闭金属开关柜内的SF6气体绝缘开关柜或小车式真空断路器、户内电动隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、自用电变压器等一次设备和交直流电源系统、微机保护测控装置、通信管理装置、温湿度控制装置等设备以及消防、门禁、照明、通风等附件设备共同组成，按无人值守设计。

户外加强型预装箱式气体绝缘开关设备主接线见图4所示。

图4 主接线示意图

该设备箱体内部共分6个必需间隔和2个预留间隔。6个必需间隔分别为断路器含PT、避雷器、进线间隔（2个），PT、避雷器、带进线间隔（1个），27.5 kV所用变、避雷器、带进线间隔（1个），户内隔离开关间隔（1个），10 kV所用变间隔（1个）。2个预留间隔分别为通讯预留间隔和视频预留间隔。每个间隔设有通向户外的金属门，便于值班巡视和手车更换。在通讯预留间隔的后面还设有对开门，以便于检修安放在该柜后部的直流系统和空调。预留间隔与髙压间隔之间采用网栅隔开，以便空调冷气能够流向箱体的每个角落。

该设备27.5 kV进出线采用电缆进出线方式，电缆进出线由箱体底部通过电缆沟引入。

10 kV所用变进线采用高压电缆直接连接方式，电源引自铁路专用10 kV贯通线。

5 结语

在地质气象环境复杂的区域进行铁路建设时，加强型气体绝缘开关具有较高的实用价值和应用前景，其设计研究将对电气化铁路在恶劣环境地区的建设和安全运营具有极为重要的意义。

[1] TB10621-2009 中华人民共和国铁道部.高速铁路设计规范（试行）[S].北京：中国铁道出版社，2010.

[2] TB10009-2005 中华人民共和国铁道部.铁路电力牵引供电设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[3] TB10758-2010 中华人民共和国铁道部.铁路电力牵引供电设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2011.

[4] 贺威俊.电力牵引供变电技术.ISBN/7811041510[M].成都：西南交通大学出版社，2005.

[5] 王汉兵.牵引变电所自投系统存在问题及解决方案[J].电气化铁道，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

张 涛.中铁工程设计咨询集团有限公司，工程师，电话：18612038261。