淺議箱式變電站在城市軌道交通工程的應用

摘 要：介紹、分析了箱式變電站的特點、接口、技術要求和在城市軌道交通工程中的應用。
關鍵詞：箱式、變電站、軌道交通、應用
一、引言
隨著我國經濟的持續發展，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處于高速發展階段。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/輕軌牽引供電系統的核心，具有設備種類多、用房占地面積大和設計周期長的特點。如能將箱式變電站引入城市軌道交通建設，無疑能縮小車站規模、易于實現車站的景觀造型、減少拆遷工作量、節省土建投資、大大減少現場配合量、縮短施工工期等。
二、箱式變電站在城市軌道交通領域中的應用情況
目前，牽引箱式變電站已在國外電力系統、城市軌道交通等領域獲得非常廣泛的應用，如在美國達拉斯地區輕軌系統的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，預計2004年開通。在國內，我國由于在這方面的起步相對較晚，一些應用相對簡單，一般在集裝箱里安裝的僅是配電變壓器及一些配套開關等主要設備，功能相對比較單一。在一些地方也有一些不同程度的應用，如城鄉建筑、居民小區、中小型工廠、礦山油田以及臨時施工用電等場所。
長期以來，我國一直在關注著箱式變電站的發展和應用，同時在這方面一直進行著積極的準備和技術儲備。雖然到目前為止，箱式變電站在我國城市軌道交通領域中還沒有實際的運營業績，但箱式變電站的技術已發展成熟，且已經在其他國家和地區的軌道交通領域中得到廣泛的應用。前不久，上海地鐵公司率先在我國軌道交通領域，即上海地鐵莘閔線軌道交通工程中，訂購了一座由美國POWELL公司生產的牽引變電所的箱式變電站，預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公司生產的箱式變電站，預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劃和沿線分布的車站基本上都在城市市區內，作為一個城市的基礎設施，沿線每個車站一般都有景觀、造型的要求。通常傳統牽引降壓混合變電所的建造規模、用地需求相對較大，如果把牽引變電所(傳統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，那么為實現這些車站的景觀造型，在建筑設計中難度較大；此外為滿足傳統牽引變電所較大的用地要求，也引起相應的拆遷工作量增大，拆遷費用、征地費用增加，同時也導致工程的難度加大。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計為預留車站，這些車站通常在遠期若干年后才建造；而位于預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，隨著城市經濟的發展，后期車站建造的規模、具體位置或方案很可能發生變化，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調配合。
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。若采用傳統的牽引變電站，施工安裝、各設備間的調試周期比較長，現場配合工作量大；而箱式變電站是在工廠進行裝配、調試，現場配合工作量比較小。
實際工程應用中，箱式變電站是將傳統牽引變電所中的主要設備都集中裝配在一個工廠預制的鋼結構集裝箱內，工程采用的箱式變電站應包括如下主要設備：
中壓交流開關柜
牽引整流變壓器
整流器
直流開關柜、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、應急燈、電源插座、通風系統、防凝露裝置、設備間互聯電纜線槽等。另外，根據實際需要還可以選擇安裝空調、防災報警裝置、防非法進入裝置等等。以上設備都是在工廠集中安裝調試完后，再由工廠整體運輸到變電所安裝現場進行直接安裝。
簡單說來，箱式變電站與傳統的變電所相比較，有以下優點：
將傳統的變電所的尺寸減少到最小、體積和布置緊湊、占地面積少、節省投資；與常規的變電站相比，同容量的箱式變電站占地面積通常僅為常規變電站的1/4~5左右，大大減少了施工量，減少了建設費用；
完全是工廠預先制造，集中安裝調試，現場影響小；工程中提高工廠化程度，減少現場安裝工作量；最大限度的減少現場安裝、調試對設備質量的影響；
運到安裝現場時只需安裝，與外部的設備連接即可，現場安裝工程量減至最少；
搬運拆遷方便；
與外部的接口內容少，而且簡單；
適宜使用在城市環境里，易與周圍其他建筑物相協調；
維護工作量少；
不受外部氣候環境條件的影響。
可有效縮短現場施工工期
四、箱式變電站與其它專業接口配合內容
箱式變電站通常在工廠預先把箱體內的各個單體設備進行統一安裝、連接、布線、調試完畢后，再運到安裝現場，進行施工安裝和與外部纜線的連接，它通常與下述專業存在著接口配合,但其接口配合的內容比較少、且簡單：
1. 土、房建專業
由于箱式變電站安裝在戶外，不需要專門的設備用房，僅需要土、房建專業提供安裝用的混凝土基礎以及敷設箱外電纜用的電纜溝等，這樣就大大簡化了兩個專業的配合工作量和縮短了配合周期。
2. 供電專業
中壓環網供電電纜：
需要在安裝現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預留的纜線位置進行連接。
導引線電纜和雙邊聯跳電纜：
需要在安裝現場把外部的來自其它變電所的導引線和雙邊聯跳電纜與箱式變電站中對應預留的纜線位置進行連接。
3. 接觸網專業
直流1500V正饋線回路：
需要在安裝現場把外部的連接接觸網上網電動隔離開關的電纜與箱式變電站中預留的纜線位置進行連接。
牽引回流回路：
需要在安裝現場把外部的連接接觸網回流箱的電纜與箱式變電站中預留的纜線位置進行連接。
4. 車站動力、照明專業
箱式變電站內部的動力、照明、布線、配電、開關、電源插座、空調設備等全部在工廠進行集中裝配、調試，到現場后通常只需連接400V電源。
5. 防災報警專業
箱式變電站內部的防災報警設備如煙感、溫感等全部在工廠進行集中裝配、調試。
6. 與雜散電流防護專業
在安裝現場把外部的連接雜散電流收集網的電纜與箱式變電站中預留的纜線位置進行連接。
五、箱式變電站箱體的總體結構
箱式變電站應設計成能夠安全進行正常使用、檢查和維護。
變電站應結構簡單、性能可靠、運行安全、實用美觀、便于試驗和維修，外觀應同環境相協調。
1. 箱體內供電設備平面布置的一般要求
每臺整流變壓器應有單獨的隔間。平面布置設計時應在符合GB及IEC相關標準的條件下考慮箱內設備的運行巡視及維修的空間。箱內應設置相應的照明設施（包括正常照明和應急照明及維修照明）、通風設施、消防設施以及通信、網絡接口設施和用以保證電氣設備正常運行的環境要求。
2. 箱式變電站的箱體結構和配置
箱體的結構設計應滿足防雨、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(工作人員在箱內操作)。根據現場情況，箱式變電站可以是一個預制的整體型箱殼，也可以是多個預制的箱體組成的分體型箱殼。箱體應有足夠的機械強度，在運輸、安裝中不應發生變形。應力求外型美觀、色彩與環境協調。箱體底座應能進行臨時安裝和永久安裝。箱體頂部不能積水、積物，并應有一定強度。箱體內設架空地板，地板應能承受各設備的荷載。
箱體應方便吊裝。各單元的結構應牢固，吊裝時不致引起變形和損傷。箱體應考慮箱體內各設備間采用電纜連接，箱體結構應保證電纜敷設空間需要。箱體應有通風孔和隔熱措施，必要時可采用散熱措施，以防止內部溫度過高。高低壓開關設備小室內的空氣溫度應不致引起各元件的導體溫度超過相應標準的要求。同時還應采取措施保證溫度急劇變化時，內部無凝露現象發生。箱殼應有防塵措施。變壓器室應以自然通風為主，變壓器室應通風良好。箱式變電站噪音水平不應大于規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符合GB 4208的規定。高低壓部分溫升符合GB 763和GB 7251的有關規定。應在外殼的明顯處設置銘牌和危險標志。
3. 主要設備配置
根據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備：
中壓交流開關柜
牽引整流變壓器
牽引整流器
直流開關柜、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
綜合自動化系統，包括與電力監控的接口等
空調設備
防凝露裝置
防災報警裝置
防盜系統
六、投資分析
通常，根據一個傳統牽引變電站(牽引變電所部分)的規模，其費用一般由以下幾部分組成：購地費、土房建費用、牽引變電所內各主體設備費、安裝費、動力照明設施費用、防災報警裝置費用等，其中牽引變電所內各主體設備及其安裝費約為960萬元人民幣。
據了解，現在上海莘閔線即將采用的箱式變電站設備費約為1000萬元人民幣(牽引變電所部分)，但該費用包括傳統牽引變電所內所有的設備費及其安裝費，如箱體內的照明設施費用、防災報警裝置費用，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備及其安裝投資與常規變電站相比，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，進行箱式變電站設備布置方案(附圖2、3)，同時以傳統變電站的布置方案(附圖4)作對比。 從下述兩種布置方案中可以看出，常規的牽引變電站的占地規模約為410平方米，而采用箱式變電站的占地規模約為110平方米，從這方面也可看出箱式變電站的優越性。

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
隨著我國技術的進步和經濟的持續發展，從長遠的發展趨勢上看，功能日益完善的箱式變電站將以傳統變電所無法比擬的優點，將成為今后一個時期內我國的城市軌道交通中牽引變電站的一個發展趨勢。與傳統的牽引變電站相比，箱式變電站無疑代表著技術的較高發展水平，它不僅涉及有交流設備，還涉及有直流設備。但是箱式變電站并不是僅僅的把一些傳統的牽引供電設備移到普通的集裝箱中那種簡單的概念，無論其箱體技術如結構、強度、配置，還是牽引供電設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化問題進行專門的研究，從而使箱式變電站廣泛的應用在我國的城市軌道交通上。

文章出處：中國交通運輸協會城市軌道交通專業委員會首屆中青年專家論文集