高寒地区牵引变电箱式所亭设计研究
★中国电工技术学会出品★
致力于产业界与学术界融合创新的品牌会议
①浏览会议通知，请戳下面标题 ☟
☞会议通知︱2018第十二届中国电工装备创新与发展论坛暨第八届电工技术前沿问题学术论坛（第一轮）
②了解大会征文详情，请戳下面标题 ☟
☞两大技术论坛联合征文︱《电工技术学报》《电气技术》两刊携手打造学术盛宴
③参会注册，请长按识别下方二维码 ☟（先注册网站会员，然后提交报名信息）
中铁工程设计咨询集团有限公司的研究人员王潘潘，在2018年第4期《电气技术》杂志上撰文，针对高寒地区的气候特点，对牵引变电箱式所亭的设计进行探讨。主要从如何加强箱体的保温隔热、加强箱体内部恒温系统的设计、提高牵引变电箱体内部设备对环境温度的适用能力等方面进行研究。并对牵引变电箱式所亭的设计提出优化措施。
27.5kV牵引变电箱式所亭具有投资及运营成本低、占地少、选址受限制少等优点。随着我国电气化铁路的发展，牵引变电箱式所亭在我国铁路供电系统中得到越来越多的应用[1]。
牵引变电箱式所亭是指将分区所、开闭所高压室内的27.5kV一次设备和主控室内的二次设备均置于箱体内，箱体内27.5kV的一次设备采用手车式结构，可实现无人值班、无人值守的牵引变电箱式设施。图1为箱式开闭所主接线图。
牵引变电箱式所亭可分为箱体、一次设备间隔、二次设备间隔三部分。箱体除包括箱体本身之外，一般还包括穿墙套管等。一次设备间隔主要由真空断路器、隔离开关、电压互感器、电流互感器、所用变等组成。二次设备主要由保护测控装置、通信系统、交直流系统、视频监视系统、辅助设备等组成。
1 普通牵引变电箱式所亭存在的问题
目前我国铁路供电系统中，采用的牵引变电箱式所亭户外环境温度一般在25℃～55℃之间[2-3]。而在东北、内蒙、西北、新疆等高寒地区，普通的牵引变电箱式所亭很难适应高寒地区的气候特点。为了保证牵引变电箱式所亭设施的正常运行。提高牵引变电箱式所亭对温度的适应能力显得非常重要。
图1 箱式开闭所主接线图
提高牵引变电箱式所亭对温度的适应能力可以从以下三个方面进行研究：1）提高牵引变电箱式所亭箱体的保温、隔热能力。2）加强箱体内部恒温系统的设计，当箱体内的温度低于或高于设定值时，起动相应的功能。3）提高牵引变电箱体内部设备对环境温度的适用能力。
2 提高牵引变电箱式所亭对环境温度的适应能力
2.1 提高牵引变电箱式所亭的保温隔热能力
牵引变电箱式所亭的箱体是保证箱体内各种设备正常运行的基础。提高牵引变电箱式所亭的保温隔热能力，建议从箱体方面进行考虑研究。
一般牵引变电箱式所亭的箱体采用全密封螺装式金属框架结构[4]。箱体内设若干个一次电气设备单元和若干个二次电气设备单元，一、二次电气设备单元采用全封闭钢板隔离方式。所内二次电缆在箱体内设置了专用的全密封通道，外接电缆从箱体内二次间隔屏体下部设有专用通道内通过。图2所示为普通箱体的外形图。
图2 普通箱体的外形图
由于金属框架结构具有良好的热传递性，箱体内的工作温度很容易受到外界环境的影响，因此普通的箱体很难满足箱式所亭内对保温、隔热的要求。
结合高寒地区的气候特点，建议对牵引变电箱式所亭的箱体进行以下几个方面的优化设计，使其达到具有良好的保温、隔热性能的目的。
1）在箱体表面采用冰箱保温工艺
建议箱体采用一体式聚氨酯保温层，通体无热桥。断桥隔热技术将内外两层金属既隔开又紧密连接成一个整体，防止内外金属热量的传导。
采用此种工艺后箱体的导热系数仅为0.025W/m·℃左右，隔热、保温性能明显，其不仅适用于高寒地区箱式所亭内的保温、还适应于高温环境下箱体内的隔热。除此它还具有抗冲击能力强，弹性变形可恢复等优点。
图3 箱体保温材料的示意图
2）加厚箱体保温层
普通箱体一般采用30mm的双层结构，为了更好的增加保温效果可结合当地的气候条件将箱体进行加厚（比如加厚到50mm等），这样其内部就可以填充更多的发泡聚氨酯，保温效果非常明显。
3）选用双层保温顶盖和保温底板
牵引变电箱式所亭箱体的顶盖和底部往往是保温的薄弱环节，为了减少热量从顶盖和底板处流失，箱体的顶盖选用质轻高强度、防火防腐、抗震性强、美观耐用的双层保温彩色钢板。箱体底部采用双层保温底板。
4）加强箱体材料的选择
（1）箱体钢板选用优质的冷轧钢
极端低温会使普通钢板的硬度和韧性降低。为了减少低温对箱体本身的影响，因此箱体表面钢板采用优质的冷轧钢，该材料在低温和高温环境下都具有很强的适应能力，可以充分保证箱体的高强度及耐久性。
（2）建议选用硅橡胶密封胶条
密封性能的好坏是保证箱体内部气温不受影响的重要环节。普通箱体的密封胶条一般采用三元乙丙材料[5]。三元乙丙材料在低温环境下会变硬，不仅使用寿命会降低，还会影响到密封效果。硅橡胶材料具有很好的耐低温性能，选用硅橡胶密封胶条，不仅可以保证箱体的密封性能不受影响，还能延长的密封材料的使用寿命，从而确保箱体内具有一个比较良好的密封状态。
通过采用上述的这些措施后，牵引变电箱式所亭的箱体不仅可以很好的减少外界低温气体对箱体内正常工作温度的影响，也大大的减少了外界高温气体对箱体内设备的影响，从而达到一个很好的保温、隔热效果。
除此之外，箱体也可以采用其他材料，比如采用纤维水泥材料。纤维水泥材料无论是在保温还是隔热方面都具有很好的性能。但是其抗震、抗冲击性比较差，在运输途中容易出现箱体开裂等。
2.2 加强箱体内部恒温系统的设计
箱体内的恒温系统主要包括在低温条件下保温、加热功能及在高温环境中隔热、降温功能两部分组成[6]。由于箱体内的一次设备和二次设备对环境温度的要求不同，因此，在箱体内将一二次设备间隔分开，根据其不同特点设置恒温装置。
箱体内恒温系统选择可连续工作的工业空调和工业加热器。工业空调建议满足在50℃～55℃的环境中正常工作，工业加热器应满足在50℃～40℃的环境中正常工作。
1）在低温环境下保温加热功能
在高寒地区，必须采用保温和加热相结合的方式，才能保障电气设备正常工作。在牵引变电箱式所亭的各设备中，二次设备是对环境温度要求最为严格，因此除在箱体内配备大功率的工业空调保证箱体内的恒温之外，还应在二次电气设备间隔内设置工业级可连续工作的加热器。
恒温系统采用自动控制和远动控制相结合的方式。当箱体内的温度低于设定值时，首先自动起动箱体内的工业空调进行加热，如果温度还不满足要求时，就再次起动二次设备间隔内的工业加热装置。采用此种措施可以充分保证箱体内的温度处于一种恒温状态。
箱体内的工业空调及工业加热器需纳入所内综合自动化系统，箱体内的温度信息可以通过远动通道上传至控制中心，控制中心可根据箱体内温度情况，可以实现对工业空调及工业加热器的远程控制。
当恒温系统的自动控制失灵时，控制中心也可以通过远动通道开起、关闭恒温系统，设置恒温系统的工作温度等。恒温系统也可以实现人工手动控制。通过远程操作及人工手动控制可以进一步保证恒温系统工作的高可靠性。
2）在高温环境下降温、通风功能
高寒并不是一种常态，在采取了保温措施之后，如何保证牵引变电箱式所亭在其他温度下尤其是在高温状态下的安全运行也是本课题所需要研究的重点内容。
当箱体内的温度高于设定值时，自动起动工业空调的制冷功能，降低箱体内的工作温度，保证箱体内的温度处于恒温状态。在箱体内设置通风口及轴流风机并设置温度传感器。通风口平时处于关闭状态，当箱体内的温度高于设定值时，起动轴温风机的通风功能。
轴温风机的控制纳入远动系统，信息通过远动通道上传至控制中心，当轴流风机不能自动起动时，控制中心可通过远动通道自动控制轴温风机的开起。通风口及轴温风机也可以实现人工手动控制。通风口的设置应满足防水的要求，在通风口开起时，应充分保证雨水不能渗透到箱体内。
2.3 提高牵引变电箱体内设备对环境温度的适用能力
牵引变电箱式所亭的设备可分为一次设备和二次设备[7]。
1）一次设备选择
一次设备主要包括真空断路器、隔离开关、电压互感器、电流互感器、所用变等。
相对于二次设备而言，一次设备对温度的适用能力更强一些。由于一次设备是安装在箱体内部的，因此可以参考室内设备参数标准对一次设备进行选型，但是考虑到高寒地区的气候特点，建议提高某些具体技术参数的指标。
（1）断路器、隔离开关
断路器是电气化铁路电力牵引供电系统的接受和分配电能的主要开关设备。其主要功能一般包括控制、保护和测量等。牵引变电箱式所亭一般选用耐受低温能力较强的27.5kV铁路专用户内真空断路器[8]。
隔离开关一般起到隔离电源保证检修安全的作用，牵引变电箱式所亭一般选用耐受低温能力较强的27.5kV户内单极电动隔离开关。在高寒地区建议其在箱体内的工作温度应至少满足25℃～55℃的要求。
（2）互感器
电压、电流互感器是牵引供电系统的重要测量设备。电压互感器在牵引变电箱式所亭中一般单独安装在一次设备隔间内，电流互感器一般安装在手车上与真空断路器配合使用[9]。
普通电压、电流互感器一般选用环氧树脂作为绝缘材料，一、二次绕组、铁心等部件全部密封于绝缘的树脂层中。普通的环氧树脂在低温环境下具有脆性大、易开裂等缺点。因此，建议选用聚四氟乙烯作为绝缘材料，聚四氟乙烯通常作为110kV或220kV干式电压互感器或电流互感器的绝缘，它具有很强的稳定性，可以在低温环境中保持很好的运行，是运用在干式设备中比较稳定的绝缘材料。
2）二次设备
二次设备包括保护测控装置、通信系统、防灾系统、交直流系统、视频监视系统、辅助设备等。相对于一次设备而言二次设备对温度的适应能力较差。因此除了对二次设备间隔加强保温措施之外，还需要选择耐受低温较强的二次设备。
（1）保护测控装置
保护测控装置是牵引供电设备安全运行的重要保证，也是最容易受到低温影响的设备，因此提高保护测控装置的耐低温能力对提高整个牵引变电箱式所亭的耐低温能力具有重要意义。
在整个保护测控装置中中央处理器、DSP芯片及其他所有集成芯片是最容易受到气候影响的。建议中央处理器、DSP芯片及其他所有集成芯片均采用对低温和高温都具有很强适应性的军品级的产品，其可在25℃～55℃的环境温度内正常的工作，这样可以提高整个保护测控装置适应低温的能力。
（2）安全视频监控系统
牵引变电箱式所亭为无人值班无人值守设计，设置安全视频监控系统能够保证牵引供电设备的运行安全，保证铁路线路的正常供电。
安全视频监控系统采用球形摄像头，安装在箱体上或者箱体外的支柱上。普通的球形摄像头很难满足严寒地区对低温的要求，因此需要选用耐寒性较强的耐寒性球形摄像头，要求其在室外的工作温度满足50℃～55℃的要求。
3 结论
本文针对高寒地区的气候特点，主要从提高牵引变电箱式所亭箱体的保温、隔热能力；加强箱体内部恒温系统的设计；提高牵引变电箱体内部设备对环境温度的适用能力等三个方面进行优化设计。对高寒地区牵引变电箱式所亭的优化设计具有一定的指导意义。