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、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。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時的英國南威爾士公司制造(現(xiàn)在并入英國FKI集團)，運行至今將近20年了。
在即將投入運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行著積極的準備和技術(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)域中還沒有實際的運營業(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。
天津津濱快速軌道交通工程中5個牽引變電所也準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
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，拆遷費用、征地費用增加，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，進行單獨建造，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營需要先建造并投入運行，這樣在若干年后建造車站時，隨著城市經(jīng)濟的發(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行的牽引變電所如果采用的為箱式變電站就可以進行很方便的拆移，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行裝配、調(diào)試，現(xiàn)場配合工作量比較小。
實際工程應(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)實際需要還可以選擇安裝空調(diào)、防災(zāi)報警裝置、防非法進入裝置等等。以上設(shè)備都是在工廠集中安裝調(diào)試完后，再由工廠整體運輸?shù)阶冸娝惭b現(xiàn)場進行直接安裝。
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：
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)費用；
完全是工廠預(yù)先制造，集中安裝調(diào)試，現(xiàn)場影響??；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)備進行統(tǒng)一安裝、連接、布線、調(diào)試完畢后，再運到安裝現(xiàn)場，進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行集中裝配、調(diào)試。
6. 與雜散電流防護專業(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)計成能夠安全進行正常使用、檢查和維護。
變電站應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、運行安全、實用美觀、便于試驗和維修，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)有單獨的隔間。平面布置設(shè)計時應(yīng)在符合GB及IEC相關(guān)標準的條件下考慮箱內(nèi)設(shè)備的運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)有足夠的機械強度，在運輸、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)標準的要求。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，并標明接地符號。外殼防護等級的分類應(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)置銘牌和危險標志。
3. 主要設(shè)備配置
根據(jù)城市軌道交通工程的特點，考慮到變電所運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，其費用一般由以下幾部分組成：購地費、土房建費用、牽引變電所內(nèi)各主體設(shè)備費、安裝費、動力照明設(shè)施費用、防災(zāi)報警裝置費用等，其中牽引變電所內(nèi)各主體設(shè)備及其安裝費約為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)備費約為1000萬元人民幣(牽引變電所部分)，但該費用包括傳統(tǒng)牽引變電所內(nèi)所有的設(shè)備費及其安裝費，如箱體內(nèi)的照明設(shè)施費用、防災(zāi)報警裝置費用，另外它沒有土房建費用等。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，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、需進一步研究的問題
隨著我國技術(shù)的進步和經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，從長遠的發(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，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行深入的研究，同時就箱式變電站的國產(chǎn)化問題進行專門的研究，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