高速铁路电力远动箱变设计方案简析_产品与技术_机械工业北京电工技术经济研究所

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高速铁路电力远动箱变设计方案简析

作者: 周君 田丽丽 王明军 骆祥华  来源:青岛特锐德电气股份有限公司 铁路总公司拉林铁路建设总指挥部 时间:2019-06-24

摘  要  本文系统阐述了高速铁路箱式变电站的设计方案,通过方案简析,明确了该领域产品的设计要求,以及参考的运行规范,为高速铁路电力远动箱变设备的选择提供了依据。

关键词  箱式变电站 智能化 结构设计 防腐处理 环控系统

0、引言

在过去的十年间,中国的高铁事业得到了突飞猛进的发展。在国家有关部门、各省市自治区及社会各界的大力支持下,高铁建设取得了巨大成就:目前中国高铁运营里程超过2.2万公里,京哈、京沪、沪昆等高速铁路宛如一条条巨龙连接了祖国各地,设计时速均达到或超过了350公里/小时,屡屡刷新世界纪录,取得了举世瞩目的成就,成为中国耀眼的“外交名片”,承担着“一带一路”中互联互通的时代使命。

2016年,新的《中长期铁路网规划》明确了高铁运营目标:2020年达到3.0万公里,2025年达到3.8万公里、2030年达到4.5万公里。如此宏伟的规划,对高铁的建设发展提供强大动力的同时也对高铁产业链的各个环节提出了更高更严的标准和要求。高速铁路电力远动箱变作为铁路通信信号电源最核心的设备,其方案设计也变得尤为重要,容不得半点马虎;本文将对其设计方案进行系统的分析,明确其具体要求。

高速铁路电力远动箱变是针对铁路自动闭塞和电力贯通线路供电特点而专门设计的高新技术产品。它将高压环网开关柜、信号变压器、低压开关柜和电力远动终端装置等组合在一起,结构紧凑,安全可靠,不受外界干扰,功能扩展空间大,不仅能够对信号电源实时监控,还能通过RTU从后台进行开关的合分操作,真正实现了“三遥”。

整个箱变建设中一二次系统集成化、装配模块化;建设过程工厂化、施工简单化;检修集中、简单,占地面积小,不受恶劣环境的侵害,很好地替代了原有户内安装设备。

1   高速铁路电力远动箱变系统方案

高速铁路电力远动箱变主要由高压环网开关柜、变压器、低压开关柜、电源系统、电力远动终端装置、环控系统等组成,现将关键组成部分说明如下:

1.1高压环网开关柜

环网开关柜一般采用紧凑型、共箱式SF6气体绝缘环网柜,实现10kV系统全封闭、全绝缘。所有带电部件均密闭于SF6气室内,环网柜外壳由不小于3mm厚的不锈钢板焊接而成,具有较好的气密性和可靠性,运行不受外界环境的影响,防护等级达到IP65以上。环网柜应装设SF6气体压力表;充气后箱体无变形,SF6气体年泄漏率小于0.1 %。

环网柜负荷开关均采用电动操作,具备远方操作接口,通过RTU实现远信方的遥信、遥测、遥控的“三遥”功能。RTU三遥点应至少包括:开关合、分闸操作,低气压报警信号,电流、电压遥测,开关合分闸信号、接地开关合闸信号、熔丝熔断信号等。

环网柜应设置母线PT,以便于实现10kV电压监测功能。一般做法为环网柜母线引出套管,连接全绝缘电缆头,电缆对侧采用大口径美式电缆头与母线PT连接;电缆头配内置熔断器,插拔式安装,熔管更换方便。

环网柜电缆室应有较大空间(一般要求≮600mm),保证元器件安装方便及电缆连接不受应力影响;电缆室应配置电缆固定夹便于固定电缆;同时电缆室的底板过线孔应设置密封圈,现场施工完毕后应采用防火泥或发泡等方式进行封堵处理,避免产生凝露及防止小动物误入。

结合铁路电力双线路、环形供电的特点,环网柜主要分为负荷开关单元、负荷开关+熔断器单元。负荷开关单元作为箱式变电站的进线和出线,负荷开关+熔断器单元作为变压器及电抗器馈线。

根据数条高铁项目近十年的运行经验,环网柜部分有以下几点需要特别说明:

(1)负荷开关:采用三位置开关,具备分、合、接地三个工位,分、合位置与接地开关间可靠闭锁,同时接地开关操作机构应具备可靠的带电闭锁功能。

(2)熔断器:采用高压限流熔断器,每相安装于独立的小室内,熔断器熔断后应能触发上传信号。另外熔断器电流的选择应考虑其特性曲线要求,对于所保护变压器容量≤100kVA时,熔断器选择应考虑较大的裕度,一般建议按照2~3倍的额定电流配置。

(3)电流互感器:采用穿心式结构,测量精度不低于0.5级。由于此类互感器的制作工艺及材料受限导致小变比互感器(一次侧电流30A)的二次输出容量受限(1.5VA),故二次侧电流应设计为1A。若采用二次侧为5A的互感器,则其精度无法满足既定要求。

下面针对二次侧电流为5A和1A的互感器分别进行计算验证:假设二次线长度为20m(箱变长度6m时,最远处互感器二次侧至RTU的连线长度),截面积为2.5mm2,不计电流表内阻及接触电阻,忽略线路电抗、仅考虑电阻的情况下互感器二次侧负荷容量计算如下:

5A时:S1=I12R= I12ρl/s=(5A)2×1.75×10-8Ωm×20m÷(2.5×10-6)m2=3.5VA>1.5VA

1A时:S2=I22R= I22ρl/s=(1A)2×1.75×10-8Ωm×20m÷(2.5×10-6)m2=0.14VA<1.5VA

式中,ρ为铜导体的电阻率,取1.75×10-8Ωm

通过上述计算,可以得出结论:针对高速铁路电力远动箱变高压流互二次侧电流的设计应优先考虑1A。这个问题在目前的铁路项目设计中应予以足够的重视,尽量避免5A互感器的使用。

(4)电压互感器:采用全绝缘全密封形式,插拔式结构,采用三相V/V接线方式,实现母线电压测量,精度0.5级。

(5)护层保护器:铁路贯通线采用单芯电缆线路,距离较长时应采用一端直接接地、另一端经护层保护器接地的形式,避免环流导致的绝缘等级降低或减少电缆使用寿命的问题。当贯通线路采用三芯电缆时,认为电缆护层通过的电流为零,可不设护层保护器。当贯通线路采用三芯电缆但三相严重不平衡或者存在其他强感应电流时,可增设一只护层保护器。

1.2 10/0.4/0.23kV变压器

变压器选用SC10/SC11系列干式配电变压器,线圈采用环氧树脂浇注形式,由于高铁电力远动箱变变压器容量普遍较小(一般为30kVA/50kVA/63kVA),故建议采用自然风冷的变压器。变压器应符合《干式电力变压器技术参数和要求》(GB/T10228)及其所提及的法规和标准的相关规定。

主要技术参数:

规格型号

SC10/SC11

额定电压:

10kV/0.4/0.23kV

额定频率:

50Hz

相    数:

3相/单相

联接组别:

Dyn11

绕组材料:

铜导线

绝缘材料耐热等级:

F

分接范围:

10±2x2.5%kV

噪声水平:

不大于55dB

进线方式:

电缆

出线方式:

电缆

考虑到高铁项目经常会涉及到公网覆盖等导致的变压器增容问题,故箱变设计时应考虑预留一定的增容空间,建议<100kVA的变压器均按照100kVA预留增容条件。

1.3 低压开关柜

低压开关柜采用固定间隔式,设独立端子箱,便于现场操作、检修等工作。

低压电气元件应通过国家 3C(china compulsory certification)强制性认证。低压开关一般为固定安装塑壳断路器,具备电动操作功能,可进行远方及本地操作,实现遥控、遥信、遥测等“三遥”功能。结合高铁项目运行情况,低压开关应能实现故障后自动复位功能,可实现脱扣后后台遥控功能,避免人为现场复位情况出现。

低压进线总开关上侧应安装隔离开关,便于形成明显的断开点。考虑到铁路沿线震动较大,为避免隔离开关脱落导致的不良后果,应选用可防误操作形式的隔离开关,即自带合闸自锁装置。

1.4电源系统

操作电源主要由交流充电电源、切换电路、UPS等组成。交流充电电源引自箱变不同变压器低压侧,两路电源互为备用,由切换电路自动完成切换。通过UPS向需要在交流电缺失时进行电动操作的设备及RTU装置供电。双电源备自投输出给UPS电源,并设UPS备用电源回路,最大可能地提高高压开关及RTU等操作电源的可靠性,同时,UPS失电时向后台发出失电信号,以便及时检修排除故障。UPS电源的容量不小于2000VA。

1.5箱变环控系统

(1)温度控制

1)箱体保温:箱体为双层结构,采用冰箱保温工艺,内部聚氨酯发泡填充,采用门窗的断桥隔热技术,从而达到夏天隔热、冬天保温的效果。

2)通风设计:变压器室采用通风结构,门板冲切百叶窗,具备防雨功能,且可靠通风;同时设强制风冷系统,温度高于设定值时,自动启动轴流风机强制排风降温,同时上传超温报警信号。

3)空调设计:根据设备运行区域可选用空调设计,所选用的空调应采用工业型空调,具备工作状态上传后台、来电自启及后台开关机等功能,满足无人值守要求。

4)柜体保温:自动化柜作为对温度要求最为严格的单元,其结构应设计为独立的保温结构,同时增加风道等设计,保证柜内恒温35℃左右,满足RTU等精密元器件的运行要求。

(2)凝露控制——除潮:加强箱体密封,做好电缆出线孔封堵;同时设置自动凝露控制装置,湿度超限时自动启动加热装置进行除潮,同时上传凝露报警信号;沿海地区箱变设计启动加热板的同时启动风机,进行集中除潮;另外还可以根据需要增设除湿机除湿。

(3)防尘控制——密封:箱体顶盖和框架结合处设密封措施,变压器室门板设防尘网。

1.6箱变实现无人值守的辅助设计

(1)开门报警设计:箱变外门设有开门启动照明和开门报警装置,开门信号通过RTU上传至后台主站。

(2)烟雾报警信号:箱变内低压室、变压器室和高压室均设有烟雾报警装置,一旦有火情发生,感烟器即通过RTU向后台报警,可及时切除电源,防止事故扩大。

箱变布局

箱式变电站设置高压室、变压器室和低压室。一级贯通和综合贯通设备在布局上独立分割。

高压室设有两路电源的进线柜、出线柜和变压器馈线柜。变压器室设有两台变压器。低压室设有低压进出线开关柜、双电源切换装置、UPS及RTU装置等。

箱变的一级贯通和综合贯通系统实现严格的隔离,任何一套系统的检修、试验不会影响另一套系统的正常工作。两侧分别设端子箱,分别安装在两个低压柜端面,方便安装、检修和试验。

变压器室的隔板要采用密封型,任何一台变压器故障,不会影响另一台变压器的运行。

箱式变电站应保证布局合理、结构紧凑,便于操作、检查和维护。外型设计美观大方,与周边的环境相适应,具有良好的视觉效果。

 

3   箱体结构设计

箱体采用双层、密封、防腐蚀、隔温结构,双层箱体必须都采用2mm厚度以上的冷轧钢板制作,双层之间必须有建设部允许的防火隔温材料。内部采用钢板及阻燃绝缘隔板严密分割成高压室、变压器室、低压室。

箱体底架部件由槽钢焊接而成,框架及门采用优质冷轧钢板,框架钢板厚度不小于2.5mm,门和顶盖钢板厚度不小于2mm。门板采用两层钢板对扣焊接的结构型式,保证门板不变形,箱变底板采用厚度不低于1.5mm的冷轧钢板。

箱体骨架为焊接式,骨架应有足够的机械强度和刚度,在起吊、运输和安装时不会变形或损伤。外壳形状应不易积尘、积水;尽量少用外露紧固件,以免螺钉穿通外壳使水导入壳内;对穿通外壳的孔,均应采取相应的密封措施;外壳应防水、防震、防腐、防尘、防电燃。箱体底座采用槽钢结构,保证吊装运输的不变形,箱体与电缆沟之间安装有底板,防止小动物进入。

为确保箱变的高压、低压、保护控制、变压器等设备的可靠运行,并实现防尘、防潮、防凝露的要求,箱体的高压室、低压室和变压器室必须密封处理,所有能够开启的门均加装密封条,在门关上以后,保证箱变的防护等级达到IP54,以确保箱体的防尘、防潮、防凝露。

4   箱体防腐措施

箱体采用冷轧钢板,进行喷砂(增加锌和油漆的附着力)、除灰、热喷锌(增加金属的表面防腐能力)、喷锌加涂料(防锈)、喷锌加漆浆、喷聚胺脂面漆三遍等防腐处理,防腐能力较强,可保证20年不锈蚀。

5   结束语

通过上述高速铁路电力远动箱变方案的简析,以及同目前运行的箱式变电站产品比较,笔者得出如下结论:目前,高速铁路电力远动箱变是同类产品中运行可靠性最高、设计档次最高、标准化程度最高、规模化生产程度最高的产品,但是该产品使用和维护过程中仍然有许多不尽如人意的地方,随着该产品运行经验的不断积累以及新技术的不断运用,该产品必将向着节能型、无污型、免维护型发展,我们期望新一代高速铁路电力远动箱变的及早问世。

 

 

[参考文献]

[1]铁总运【2015】 91号:《铁路电力远动箱式变电站暂行技术条件》-TJ/GD016-2015

 

    (收稿日期:2018-6-28)

 


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