淺議箱式變電站在城市軌道交通工程的應(yīng)用
摘 要：介紹、分析了箱式變電站的特點(diǎn)、接口、技術(shù)要求和在城市軌道交通工程中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：箱式、變電站、軌道交通、應(yīng)用
一、引言
隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，城市軌道交通已成為解決大中型城市公共交通的首選交通工具，廣州、上海、深圳、南京、天津、北京、重慶等城市都有已建/在建項(xiàng)目，其他還有一些城市正在處于擬建或籌建階段，我國的城市軌道交通建設(shè)處于高速發(fā)展階段。在我國的大中城市，不論地鐵還是輕軌，都存在空間緊張、土建投資費(fèi)用高、工期緊張等問題。牽引變電所作為地鐵/輕軌牽引供電系統(tǒng)的核心，具有設(shè)備種類多、用房占地面積大和設(shè)計周期長的特點(diǎn)。如能將箱式變電站引入城市軌道交通建設(shè)，無疑能縮小車站規(guī)模、易于實(shí)現(xiàn)車站的景觀造型、減少拆遷工作量、節(jié)省土建投資、大大減少現(xiàn)場配合量、縮短施工工期等。
二、箱式變電站在城市軌道交通領(lǐng)域中的應(yīng)用情況
目前，牽引箱式變電站已在國外電力系統(tǒng)、城市軌道交通等領(lǐng)域獲得非常廣泛的應(yīng)用，如在美國達(dá)拉斯地區(qū)輕軌系統(tǒng)的16座1500kW 和2500kW的牽引變電所采用的都是箱式牽引變電站；圣地亞哥地鐵系統(tǒng)E1 CAJON LRT 線工程中，12 座1000kVA 牽引變電所采用的也都是箱式牽引變電站；在香港正在運(yùn)營的東部鐵路中，兩個牽引變電所和一個分區(qū)所采用的都是箱式變電站，該箱式變電站是由當(dāng)時的英國南威爾士公司制造(現(xiàn)在并入英國FKI集團(tuán))，運(yùn)行至今將近20年了。
在即將投入運(yùn)營的香港西部鐵路中，一個牽引變電所、一個分區(qū)所和一個開閉所采用的都是箱式變電站，該箱式變電站是由德國西門子公司供貨，預(yù)計2004年開通。在國內(nèi)，我國由于在這方面的起步相對較晚，一些應(yīng)用相對簡單，一般在集裝箱里安裝的僅是配電變壓器及一些配套開關(guān)等主要設(shè)備，功能相對比較單一。在一些地方也有一些不同程度的應(yīng)用，如城鄉(xiāng)建筑、居民小區(qū)、中小型工廠、礦山油田以及臨時施工用電等場所。
長期以來，我國一直在關(guān)注著箱式變電站的發(fā)展和應(yīng)用，同時在這方面一直進(jìn)行著積極的準(zhǔn)備和技術(shù)儲備。雖然到目前為止，箱式變電站在我國城市軌道交通領(lǐng)域中還沒有實(shí)際的運(yùn)營業(yè)績，但箱式變電站的技術(shù)已發(fā)展成熟，且已經(jīng)在其他國家和地區(qū)的軌道交通領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。前不久，上海地鐵公司率先在我國軌道交通領(lǐng)域，即上海地鐵莘閔線軌道交通工程中，訂購了一座由美國POWELL公司生產(chǎn)的牽引變電所的箱式變電站，預(yù)計在今年年底投入使用；后又在共和新路軌道交通工程中，訂購了四座由美國POWELL公司生產(chǎn)的箱式變電站，預(yù)計在明年年底投入使用。
天津津?yàn)I快速軌道交通工程中5個牽引變電所也準(zhǔn)備采用箱式變電站型式，預(yù)計在明年7月底投入使用。天津地鐵一號線工程中也有部分牽引變電所準(zhǔn)備采用箱式變電站型式，預(yù)計在2005年年底投入使用。
三、箱式變電站的特點(diǎn)
眾所周知，城市軌道交通的線路規(guī)劃和沿線分布的車站基本上都在城市市區(qū)內(nèi)，作為一個城市的基礎(chǔ)設(shè)施，沿線每個車站一般都有景觀、造型的要求。通常傳統(tǒng)牽引降壓混合變電所的建造規(guī)模、用地需求相對較大，如果把牽引變電所(傳統(tǒng)牽引變電所的面積約為400m2 ，箱式變電站的面積約為100m2 )與車站合建，那么為實(shí)現(xiàn)這些車站的景觀造型，在建筑設(shè)計中難度較大；此外為滿足傳統(tǒng)牽引變電所較大的用地要求，也引起相應(yīng)的拆遷工作量增大，拆遷費(fèi)用、征地費(fèi)用增加，同時也導(dǎo)致工程的難度加大。為此可將牽引降壓混合變電所中的牽引變電所部分移出車站，采用箱式變電站型式，進(jìn)行單獨(dú)建造，而僅將降壓部分(通常降壓部分的面積約為100m2)與車站合建，這樣就較好的解決了此問題。
在城市軌道交通工程規(guī)劃中，考慮到運(yùn)營初近期的客流量情況，有些車站在初近期階段設(shè)計為預(yù)留車站，這些車站通常在遠(yuǎn)期若干年后才建造；而位于預(yù)留車站的牽引變電所由于運(yùn)營需要先建造并投入運(yùn)行，這樣在若干年后建造車站時，隨著城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，后期車站建造的規(guī)模、具體位置或方案很可能發(fā)生變化，這樣先期建造投入運(yùn)行的牽引變電所如果采用的為箱式變電站就可以進(jìn)行很方便的拆移，不但拆移工作量小，大大減少拆移工期，而且可大大縮短停電時間，不影響全線的行車；并且與后期建造的車站可以進(jìn)行很好的協(xié)調(diào)配合。
另外，箱式變電站特別適用于工期非常緊的城市軌道交通工程。若采用傳統(tǒng)的牽引變電站，施工安裝、各設(shè)備間的調(diào)試周期比較長，現(xiàn)場配合工作量大；而箱式變電站是在工廠進(jìn)行裝配、調(diào)試，現(xiàn)場配合工作量比較小。
實(shí)際工程應(yīng)用中，箱式變電站是將傳統(tǒng)牽引變電所中的主要設(shè)備都集中裝配在一個工廠預(yù)制的鋼結(jié)構(gòu)集裝箱內(nèi)，工程采用的箱式變電站應(yīng)包括如下主要設(shè)備：
中壓交流開關(guān)柜
牽引整流變壓器
整流器
直流開關(guān)柜、負(fù)極柜、排流柜、鋼軌電位限制裝置
控制信號盤、交直流電源盤
所用配電變壓器或動力配電變壓器等
此外還可以在集裝箱里安裝普通照明裝置、應(yīng)急燈、電源插座、通風(fēng)系統(tǒng)、防凝露裝置、設(shè)備間互聯(lián)電纜線槽等。另外，根據(jù)實(shí)際需要還可以選擇安裝空調(diào)、防災(zāi)報警裝置、防非法進(jìn)入裝置等等。以上設(shè)備都是在工廠集中安裝調(diào)試完后，再由工廠整體運(yùn)輸?shù)阶冸娝惭b現(xiàn)場進(jìn)行直接安裝。
簡單說來，箱式變電站與傳統(tǒng)的變電所相比較，有以下優(yōu)點(diǎn)：
將傳統(tǒng)的變電所的尺寸減少到最小、體積和布置緊湊、占地面積少、節(jié)省投資；與常規(guī)的變電站相比，同容量的箱式變電站占地面積通常僅為常規(guī)變電站的1/4~5左右，大大減少了施工量，減少了建設(shè)費(fèi)用；
完全是工廠預(yù)先制造，集中安裝調(diào)試，現(xiàn)場影響小；工程中提高工廠化程度，減少現(xiàn)場安裝工作量；最大限度的減少現(xiàn)場安裝、調(diào)試對設(shè)備質(zhì)量的影響；
運(yùn)到安裝現(xiàn)場時只需安裝，與外部的設(shè)備連接即可，現(xiàn)場安裝工程量減至最少；
搬運(yùn)拆遷方便；
與外部的接口內(nèi)容少，而且簡單；
適宜使用在城市環(huán)境里，易與周圍其他建筑物相協(xié)調(diào)；
維護(hù)工作量少；
不受外部氣候環(huán)境條件的影響。
可有效縮短現(xiàn)場施工工期
四、箱式變電站與其它專業(yè)接口配合內(nèi)容
箱式變電站通常在工廠預(yù)先把箱體內(nèi)的各個單體設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一安裝、連接、布線、調(diào)試完畢后，再運(yùn)到安裝現(xiàn)場，進(jìn)行施工安裝和與外部纜線的連接，它通常與下述專業(yè)存在著接口配合,但其接口配合的內(nèi)容比較少、且簡單：
1. 土、房建專業(yè)
由于箱式變電站安裝在戶外，不需要專門的設(shè)備用房，僅需要土、房建專業(yè)提供安裝用的混凝土基礎(chǔ)以及敷設(shè)箱外電纜用的電纜溝等，這樣就大大簡化了兩個專業(yè)的配合工作量和縮短了配合周期。
2. 供電專業(yè)
中壓環(huán)網(wǎng)供電電纜：
需要在安裝現(xiàn)場把外部的來自其它變電所的交流電力電纜與箱式變電站中對應(yīng)預(yù)留的纜線位置進(jìn)行連接。
導(dǎo)引線電纜和雙邊聯(lián)跳電纜：
需要在安裝現(xiàn)場把外部的來自其它變電所的導(dǎo)引線和雙邊聯(lián)跳電纜與箱式變電站中對應(yīng)預(yù)留的纜線位置進(jìn)行連接。
3. 接觸網(wǎng)專業(yè)
直流1500V正饋線回路：
需要在安裝現(xiàn)場把外部的連接接觸網(wǎng)上網(wǎng)電動隔離開關(guān)的電纜與箱式變電站中預(yù)留的纜線位置進(jìn)行連接。
牽引回流回路：
需要在安裝現(xiàn)場把外部的連接接觸網(wǎng)回流箱的電纜與箱式變電站中預(yù)留的纜線位置進(jìn)行連接。
4. 車站動力、照明專業(yè)
箱式變電站內(nèi)部的動力、照明、布線、配電、開關(guān)、電源插座、空調(diào)設(shè)備等全部在工廠進(jìn)行集中裝配、調(diào)試，到現(xiàn)場后通常只需連接400V電源。
5. 防災(zāi)報警專業(yè)
箱式變電站內(nèi)部的防災(zāi)報警設(shè)備如煙感、溫感等全部在工廠進(jìn)行集中裝配、調(diào)試。
6. 與雜散電流防護(hù)專業(yè)
在安裝現(xiàn)場把外部的連接雜散電流收集網(wǎng)的電纜與箱式變電站中預(yù)留的纜線位置進(jìn)行連接。
五、箱式變電站箱體的總體結(jié)構(gòu)
箱式變電站應(yīng)設(shè)計成能夠安全進(jìn)行正常使用、檢查和維護(hù)。
變電站應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、運(yùn)行安全、實(shí)用美觀、便于試驗(yàn)和維修，外觀應(yīng)同環(huán)境相協(xié)調(diào)。
1. 箱體內(nèi)供電設(shè)備平面布置的一般要求
每臺整流變壓器應(yīng)有單獨(dú)的隔間。平面布置設(shè)計時應(yīng)在符合GB及IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的條件下考慮箱內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行巡視及維修的空間。箱內(nèi)應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的照明設(shè)施（包括正常照明和應(yīng)急照明及維修照明）、通風(fēng)設(shè)施、消防設(shè)施以及通信、網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)施和用以保證電氣設(shè)備正常運(yùn)行的環(huán)境要求。
2. 箱式變電站的箱體結(jié)構(gòu)和配置
箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)滿足防雨、雪、防滲漏、防腐蝕、防塵、防小動物進(jìn)入、防盜、抗腐蝕等要求。箱體為帶操作走廊(工作人員在箱內(nèi)操作)。根據(jù)現(xiàn)場情況，箱式變電站可以是一個預(yù)制的整體型箱殼，也可以是多個預(yù)制的箱體組成的分體型箱殼。箱體應(yīng)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，在運(yùn)輸、安裝中不應(yīng)發(fā)生變形。應(yīng)力求外型美觀、色彩與環(huán)境協(xié)調(diào)。箱體底座應(yīng)能進(jìn)行臨時安裝和永久安裝。箱體頂部不能積水、積物，并應(yīng)有一定強(qiáng)度。箱體內(nèi)設(shè)架空地板，地板應(yīng)能承受各設(shè)備的荷載。
箱體應(yīng)方便吊裝。各單元的結(jié)構(gòu)應(yīng)牢固，吊裝時不致引起變形和損傷。箱體應(yīng)考慮箱體內(nèi)各設(shè)備間采用電纜連接，箱體結(jié)構(gòu)應(yīng)保證電纜敷設(shè)空間需要。箱體應(yīng)有通風(fēng)孔和隔熱措施，必要時可采用散熱措施，以防止內(nèi)部溫度過高。高低壓開關(guān)設(shè)備小室內(nèi)的空氣溫度應(yīng)不致引起各元件的導(dǎo)體溫度超過相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求。同時還應(yīng)采取措施保證溫度急劇變化時，內(nèi)部無凝露現(xiàn)象發(fā)生。箱殼應(yīng)有防塵措施。變壓器室應(yīng)以自然通風(fēng)為主，變壓器室應(yīng)通風(fēng)良好。箱式變電站噪音水平不應(yīng)大于規(guī)定的變壓器噪音水平。箱殼不論采用金屬的或非金屬的材料，箱體金屬框架均應(yīng)有良好的接地，有接地端子，并標(biāo)明接地符號。外殼防護(hù)等級的分類應(yīng)符合GB 4208的規(guī)定。高低壓部分溫升符合GB 763和GB 7251的有關(guān)規(guī)定。應(yīng)在外殼的明顯處設(shè)置銘牌和危險標(biāo)志。
3. 主要設(shè)備配置
根據(jù)城市軌道交通工程的特點(diǎn)，考慮到變電所運(yùn)營管理無人值班方式，箱式變電站通常安裝有下述設(shè)備：
中壓交流開關(guān)柜
牽引整流變壓器
牽引整流器
直流開關(guān)柜、負(fù)極柜、軌電位限制裝置
排流柜
配電變壓器
交直流電源系統(tǒng)
綜合自動化系統(tǒng)，包括與電力監(jiān)控的接口等
空調(diào)設(shè)備
防凝露裝置
防災(zāi)報警裝置
防盜系統(tǒng)
六、投資分析
通常，根據(jù)一個傳統(tǒng)牽引變電站(牽引變電所部分)的規(guī)模，其費(fèi)用一般由以下幾部分組成：購地費(fèi)、土房建費(fèi)用、牽引變電所內(nèi)各主體設(shè)備費(fèi)、安裝費(fèi)、動力照明設(shè)施費(fèi)用、防災(zāi)報警裝置費(fèi)用等，其中牽引變電所內(nèi)各主體設(shè)備及其安裝費(fèi)約為960萬元人民幣。
據(jù)了解，現(xiàn)在上海莘閔線即將采用的箱式變電站設(shè)備費(fèi)約為1000萬元人民幣(牽引變電所部分)，但該費(fèi)用包括傳統(tǒng)牽引變電所內(nèi)所有的設(shè)備費(fèi)及其安裝費(fèi)，如箱體內(nèi)的照明設(shè)施費(fèi)用、防災(zāi)報警裝置費(fèi)用，另外它沒有土房建費(fèi)用等。從以上簡單的對比可以看出，單一的箱式變電站的設(shè)備及其安裝投資與常規(guī)變電站相比，略高一點(diǎn)，但從綜合的角度來看，箱式變電站更具有優(yōu)勢。
七、箱式變電站方案
下面就以一個典型的牽引變電所主接線(附圖1)為例，進(jìn)行箱式變電站設(shè)備布置方案(附圖2、3)，同時以傳統(tǒng)變電站的布置方案(附圖4)作對比。 從下述兩種布置方案中可以看出，常規(guī)的牽引變電站的占地規(guī)模約為410平方米，而采用箱式變電站的占地規(guī)模約為110平方米，從這方面也可看出箱式變電站的優(yōu)越性。
圖1 典型牽引變電站的主接線
圖2 箱式變電站布置方案(一)
圖3 箱式變電站布置方案(二)
圖4 常規(guī)的牽引變電站的布置方案
八、需進(jìn)一步研究的問題隨著我國技術(shù)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，從長遠(yuǎn)的發(fā)展趨勢上看，功能日益完善的箱式變電站將以傳統(tǒng)變電所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，將成為今后一個時期內(nèi)我國的城市軌道交通中牽引變電站的一個發(fā)展趨勢。與傳統(tǒng)的牽引變電站相比，箱式變電站無疑代表著技術(shù)的較高發(fā)展水平，它不僅涉及有交流設(shè)備，還涉及有直流設(shè)備。但是箱式變電站并不是僅僅的把一些傳統(tǒng)的牽引供電設(shè)備移到普通的集裝箱中那種簡單的概念，無論其箱體技術(shù)如結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、配置，還是牽引供電設(shè)備的選擇以及與箱體的配合等，都牽涉到很多方面的綜合知識。因此還需要對箱式變電站進(jìn)行深入的研究，同時就箱式變電站的國產(chǎn)化問題進(jìn)行專門的研究，從而使箱式變電站廣泛的應(yīng)用在我國的城市軌道交通上。
文章出處：中國交通運(yùn)輸協(xié)會城市軌道交通專業(yè)委員會首屆中青年專家論文集
