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箱式牵引变电站国产化的发展与应用


2019-04-15

箱式牵引变电站又称户外成套牵引变电站,或者组合式牵引变电站,其结构主要由钢结构箱体,温度调节装置,微增压装置及其内部供电设备等构成。其发展历史可以从20世纪60年代算起,在此期间,欧美等西方发达国家推出一种户外成套变电站的新型变电设备。

 
箱式牵引变电站又称户外成套牵引变电站,或者组合式牵引变电站,其结构主要由钢结构箱体,温度调节装置,微增压装置及其内部供电设备等构成。其发展历史可以从20世纪60年代算起,在此期间,欧美等西方发达国家推出一种户外成套变电站的新型变电设备。
 
20世纪80年代中期,我国陆续从法国、德国等欧洲国家进口预装箱式变电站(俗称"欧式箱变"),1995年又从美国引入组合式变压器(俗称"美式箱变");20世纪90年代中期,经各地推广应用,改进研发,陆续生产出各种符合我国供用电法规要求的箱式变电站,箱式变电站得到了迅速发展。
 
2002年,上海地铁莘庄线轨道交通工程率先使用箱式牵引变电站(美国POWELL公司生产),由此箱式牵引变电站正式进入国内的轨道交通领域。
 
箱式牵引变电站的优势
 
与传统的变电站相比,箱式变电站的优势十分明显:采用领先设计和加工工艺,质量能得到充分保证;箱体内一次设备为全绝缘结构,全站可实现无油化运行,设备运行安全可靠;全站智能化设计,自动化程度高,满足无人值班的要求;.所有设备均可在工厂内安装、调试合格,能实现变电站建设工厂预制化;箱式牵引变电站结构比较紧凑,箱体内形成多个独立系统,可根据需要灵活组合;箱式牵引变电站较同规模常规牵引变电站减少投资40%~50%;箱式牵引变电站与土建变电站相比,占地约为1/20,工期约为1/7;箱式牵引变电站土建工作仅包括安装基础的建设,土建设计工作量小;箱式牵引变电站安装地点到负荷中心距离小,提高了供电质量,并且降低了线路成本;箱式牵引变电站可以根据牵引负荷的实际情况合理确定位置,无须与车站合建;箱式牵引变电站能适应多种环境的需要,美化环境。
 
箱式牵引变电站的设计要点
 
箱式牵引变电站的设计须具备如下性能:防晒、防雨、防雪、防渗漏、防腐蚀、防盐雾、防尘、防盗,抗冲击、防小动物(如蛇)进入等[6]。箱变壳体结构坚固,隔热性能优良,防火阻燃,应能承受因内部故障电弧而引起的冲击力,并且其形状和颜色要尽量与周边环境相协调。
 
箱体框架结构的设计
 
箱式牵引变电站的框架采用标准集装箱材料及制作工艺,有良好的防腐性能,保证20年不锈蚀。结构强度要求运输、安装不变形、不倾斜,且能抵抗7级烈度地震。箱体根据设备平面布置要求布设槽钢,并预留箱体吊装位;侧墙框架预留安装空调室外机等设备的安装条件;箱体底部设电缆夹层,用于敷设箱体内的低压、控制电缆;天花板与箱顶之间预留相关线缆管道的敷设条件。
 
墙体和箱顶均采用双层板设计,其夹层内一般都设有导热系数较低的防火保温隔热材料作填料(如岩棉板、聚苯乙烯泡沫塑料等)。箱顶要求不能积水积物并具有足够的强度,具备顶部检修、清扫的条件。一般在设计箱顶时,要求箱顶中间要比箱顶四周略高,成一定角度,以便雨雪等物不积存在柜顶。
 
箱体的材料选择和表面处理
 
箱式牵引变电站表面处理的方法较多,可以采用喷漆、烤漆、喷塑等方法进行处理,也有在水泥板结构的壳体外贴上彩色瓷砖或贴面。
 
箱体外壳一般采用敷铝锌钢板、冷轧钢板,但钢板存在表面防护层的附着力差、寿命短等问题,这也制约了普通钢板在户外型箱变上的应用。如今更多的厂家开始尝试采用新材料或新工艺来解决这样的问题。不锈钢板、铝合金板开始被大量应用,并且非金属外壳(如玻璃纤维增强水泥板、聚苯乙烯复合板等)的采用也是一种趋势。
 
箱体的通风散热方案设计
 
箱变的热量主要来自两个方面:一个是箱变内部元器件产生的热量;一个是外界太阳辐射经箱体传入箱内的热量[2]。箱式牵引变电站目前存在着隔热、散热通风、密闭防尘三大问题,这三大问题互相影响和制约。箱体设计成密闭箱体内温升过高影响高低压设备和元器件的正常运行;而要降低温度就得加强通风散热,这就需要解决安全防护和防尘等问题。
 
从材料上改进。国外箱体材料多用玻纤加水泥合成材料,这种材料耐热抗压,抗紫外线辐射,防潮阻燃耐腐蚀,且不易产生凝露,易于加工成型。国内也有不少企业致力于新材料的应用,并开发出多种非金属材料的箱体。例如:玻璃纤维丝增强材料的高强度特种水泥、金邦板等。
 
采用损耗较低,发热量较小的变压器。整个箱体内供电设备发热量最大的当属变压器。降低变压器的发热量能够显著提高箱式牵引变电站的负载能力,这对当前国产变压器的研发工作提出了更高的要求。
 
增加吹风冷却的设备。给箱体增设足够的百叶窗以便空气流通;墙体采用波纹板式结构,增大散热面积的同时还加强了结构强度;采用电动风机加强箱体内空气流通,提高散热效率;箱体内安装空调及除湿装置,设备运行不受自然气候环境及外界污染等影响,可保证在-40℃~+40℃的恶劣环境下正常运行[15]。
 
采用微增压马达装置,使箱体内处于微增压状态,能有效防止灰尘的进入;并且在进风口设置空气过滤装置,保证箱体内空气清洁度。
 
对箱体结构进行改良。各个设备的发热量并不相同,合理布置设备位置和箱体结构,能最大限度地改善箱体内环境温度分布,从而保护电气设备的正常运行。
 
采用能适应高温运作的元件。随着科技的发展,各种新材料的诞生和运用,能够提高元件能够适应各种恶劣的环境。
 
箱体的防凝露方案设计
 
箱式牵引变电站的外壳很多采用钢板,铝板等金属结构,由于气温变化,箱内外的温差引起箱式变电站内部发生凝露现象,破坏电器绝缘甚至导致变压器的闪络。如果箱式牵引变电站在潮湿和有腐蚀性气体的环境中或沿海多烟雾地区运行,箱体还会容易被腐蚀和氧化,使其安全性降低,增大了运行中的故障发生率。
 
为了防止凝露现象的发生,一种办法是在箱体内部加装加热器、通风装置和温湿度控制仪。当箱内环境处于低温、高湿状态,接通加热器并开启通风;当箱内环境处于低温、低湿状态,只接通加热器,使得箱内温湿度保持在一定范围内,以确保箱体内电气设备不会产生凝露。但这种办法的效果很大程度上取决于智能控制系统的运行状况,效果有时并不够理想。现在更多厂家致力于通过改变箱体材料或者箱体结构来解决。比如采用金属绝热材料夹芯板以及双层通道式结构的箱体等。
 
箱体的安装
 
箱式牵引变电站在工厂完成箱体组装、设备安装、接线、实验、调试等工作,运到现场只需要完成箱体安装和电缆的连接,就可开通送电。箱体可采用吊车或者其他牵引设备安装到预埋的地基位置。箱体四角焊有高强度起吊件,起吊时应遵守相应起吊作业规范,起吊时必须按箱变外壳上标明部位起吊。一般来说长度低于10m,或总重低于25吨的箱体的起吊可直接利用箱体上的起吊件,特殊长度的箱体的起吊需要设计专用的起吊工具。
 
土建地基上需预留千斤顶安放位置,以便箱体就位时调整位置。箱体安装到位后,外壳底部与基础结合处需要用水泥浆抹封,以防虫、水进入电缆室。所有电缆进入套管后,其缝隙必须密封,以防虫、水进入。在箱式牵引变电站的基础下面设有电缆室,而在箱体内部底板上开设有人井孔,可供人员进入电缆室进行安装维护。
 
箱式牵引变电站的应用
 
箱式牵引变电站是箱式变电站中具有代表意义的产品,是轨道交通工程的重要组成部分。由于轨道交通线路沿线每一两座车站就需设置一座牵引变电站,牵引变电站实现箱式化具有更加深远的意义。
 
箱式牵引变电站在国外已经有广泛的应用。比如说圣地亚哥的地铁系统、美国达拉斯地区的轻轨系统、宾夕法尼亚东南部捷运局等等。另外英国、法国的电气化铁路都大量使用了箱式牵引变电站。国内的天津开发区新交通洞庭路试验线、北京5号线正线供电系统扩容改造工程以及香港东部和西部铁路也使用了箱式牵引变电站。下面简单对国内两个箱式牵引变电站项目举例说明:
 
天津开发区新交通洞庭路试验线项目(图一)。天津开发区新交通项目共设6座直流箱式牵引变电站。该项目于2006年11月投入使用,到目前运行正常,采用国产直流箱式变电站,主要由以下因素决定:变电站的现场环境要求牵引变电站占地面积尽可能小;国内已具备国产化直流箱变的能力;进口直流牵引箱变成本高,不利于工程维护;箱式牵引变电站本身比土建变电站具有的优势。
 
天津开发区新交通项目直流箱式牵引变电站的顺利投产运行,标志着直流牵引箱式变电站国产化取得了初步的成功。
            
                        图一.天津开发区新交通项目直流箱式牵引变电站
 
北京5号线正线供电系统扩容改造工程(见图二)。北京5号线正线供电系统扩容改造是基于北京城市规模不断发展,人口数量迅速增长的需要。选择箱式牵引变电站的原因是:近几年国内箱式变电站发展迅速,国内越来越多城市交通项目采用了箱式变电站,国产化箱式变电站的市场已经成熟;并且由于变电站选址在高架桥下面,要求变电站占地面积尽可能小。
             
                      
 
该箱体采用集装箱式外壳设计,大量采用波纹板夹层设计,内衬保温岩棉;根据箱体内设备散热量,合理配置空调、风机和散热风口;采用自然通风和强迫通风并行的方式,冷空气从箱体下部进风口进入箱体,由箱体上部出风口排出;箱体内设置泄压通道及可拆卸泄压装置;采用吊顶式空调,美观实用,节省空间;箱体内部承重梁,支撑梁设计合理,主要连接点采用满焊焊接工艺,保证箱体具有优良的机械强度。箱体到达现场后,可采取起吊就位或用滑动导轨就位;箱体外侧预留千斤顶顶升位置,便于调整箱体位置;箱体就位后,可焊接在预先做好的地基上。现在该项目箱式牵引变电站已经投入使用,运行状况良好。
 
随着社会发展和城市化进程的加快,负荷密度越来越高,城市用地越来越紧张,箱式牵引变电站将成为输变电主要设备之一。且目前在我国箱式牵引变电站的应用仅占整个市场的10%左右,而国外已达到的70-90%,可见箱式牵引变电站其社会效益显著,市场前景广阔。随着国产箱式牵引变电站的生产技术和工艺不断积累、提高和完善,箱式牵引变电站必然将会成为牵引变电站的发展方向。
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