高原環境下電氣化鐵路設計特點探討

周路遙

北京交通大學電氣工程學院 100044

高原環境下電氣化鐵路設計特點探討

周路遙

北京交通大學電氣工程學院 100044

針對高原地區的特點，結合青藏鐵路西格二線的工程設計，對電氣化鐵路設計在電工電子產品、電力變配電所改造、接觸網、房建和土建方面進行了一些研究和探討，為高原電氣化鐵路設計提供借鑒。

高原地區；高原環境；電氣化鐵路

引言

隨著西部地區建設的飛速發展和《中長期鐵路網規劃》的快速實施，青藏線西格段、蘭新第二雙線、敦煌至格爾木線等多條電氣化鐵路將陸續建成。這些線路通過地區沿線自然條件復雜、惡劣，屬高原高寒地區。

在高原環境下，空氣壓力和空氣密度下降、空氣溫度降低、日溫差大、空氣絕對濕度減少等因素均對電器設備的正常使用帶來了不良影響。為進一步提高高原地區電氣化鐵路安全、可靠運行水平，針對高原環境，結合青藏鐵路西格二線的工程設計情況，對高原地區電氣化鐵路設計進行一些探討。

1 高原環境的特點

1.1 海拔地區空氣壓力或空氣密度降低

空氣壓力或空氣密度降低，造成空氣間隙的擊穿電壓下降，使電氣間隙和瓷絕緣的放電特性下降，空氣介質滅弧性能降低，飛狐距離增加，燃弧時間延長。

1.2 海拔地區熱輻射和紫外線輻射增強，溫度降低，溫度變化大

高原地區熱輻射增強，增加電氣設備表面附加溫升，雖然高原地區平均氣溫低，可部分補償熱輻射引起的設備表面附加溫升，但是由于日溫度變化，補償不均勻。電氣設備表面附加溫升將降低有機絕緣材料的材料性質，使材料變形、生產機械熱應力。

1.3 高原地區空氣濕度相應地減少

高海拔地區空氣濕度減少，電氣設備的外絕緣強度降低。

1.4 高海拔地區土壤溫度較低，且凍結期長

凍土的凍結和融化而引起的土層凍脹隆起，開裂和融沉，對于房屋、軌道和橋梁等都有很大的作用，對于電氣化鐵路的正常運行有著不可忽視的影響。

2 高原環境下電氣化鐵路設計特點

針對高原環境的影響，對電氣化鐵路設計在電工電子產品、電力變配電所改造、接觸網、房建和土建方面進行了一些研究和探討。

2.1 電工電子產品

電氣化鐵路涉及大量的電工電子產品，故而在設計的時候必須仔細考慮高原環境的影響。

高原地區對電工電子產品影響較大的環境因素為：低氣壓、低溫、日夜溫差、太陽輻射、雷擊與靜電等。高原地區使用的電工電子產品，在研制階段有針對性地提出防護措施。例如：采用灌封措施、密封設計、溫度調節設計、功率組件降額與優化設計、防雷設計。在材料與元器件的選用方面，盡可能地選用耐低溫、防紫外線的材料，然后通過環境試驗(高溫、低溫、低氣壓、太陽輻射等等)進行驗證與考核，發現并消除設計中存在的隱患，從而提高電工電子產品環境適應性能力。同時，在使用過程中需著重考慮以上幾種環境因素的影響，加強防護措施，例如改善設備使用環境，安裝避雷裝置等，減少環境對產品的危害。

另外，凍土的凍結和融化而引起的土層凍脹隆起，開裂和融沉，對埋在地下的電纜彎曲拉伸影響很大，有可能將鉛電纜拉斷。據調查中反映，凍土層中最低溫度一般不會低于-16℃，因而在敷設電纜時，在電纜周圍填300×300mm含鹽砂介質中，一方面可以使電纜處于不凍狀態，另一方面在凍脹隆起、開裂的情況下，可以對凍層作較大的相對位移，從而可以減少在電纜上的張力。

2.2 電力變配電所改造

電力變配電所是電氣化鐵路的一個重要組成部分。由于高海拔地區溫度變化大，使電氣設備外殼容易變形、龜裂，密封結構容易破裂。紫外線輻射增強，引起有機絕緣材料的加速老化，使空氣容易電離而導致外絕緣強度和電暈起始電壓降低。因此，在有條件的情況下，高海拔地區的變配電所宜采取室內布置方式，有利于延長電氣設備的使用壽命。

當工程地點位于多年凍土，為保護變配電所內凍土層，接地網可采用外引接地極方式，但對可能將高電位引向所外或將低電位引向所內的設施，應采取隔離措施；當工程地點位于季節凍土或季節融化層，接地網可采用所內敷設接地極方式。為保護多年凍土周圍環境的穩定性，變配電所場區排水系統應完善，場區地面易采取硬化措施。

大部分工程施工中采取基底敷設漿砌片石，并注意避免雨天施工，施工中減少基坑的暴露時間，加上變配電所周圍及場區完善的排水系統，嚴格防止了生產生活用水的滲漏，場區地面采取了硬化措施，保護了濕陷性黃土周圍環境的穩定性。多年運營實踐證明，采取基底敷設漿砌片石的方式，保證了基礎穩定、電氣設備的可靠運行。

青藏線地處高原地區，為提高自動化水平及滿足無人值班的需要，全線各牽引變配電所及分區所均采用了綜合自動化系統，并設置視頻安全監控系統，電氣設備選型均采用了高原型設備。

2.3 接觸網工程

接觸網工程是電氣化鐵路設計的一個重要部分。對于接觸網設備而言，在工頻電壓作用下，主要承受雷電過電壓、操作過電壓、污耐受電壓等3種類型的電壓，應用于高原地區時均需進行海拔校正。因此，接觸網設備耐受電壓的海拔校正可參照《高壓輸變電設備的絕緣配合》(GB311.1-1997)、《特殊環境條件高原用高壓電器的技術要求》(GB/T20635-2006)、《電氣化鐵路絕緣子第1部分：棒形瓷絕緣子》(TB/ T3199.1-2008)中規定的修正方法、校正因數，并借鑒青藏線科研成果進行海拔校正計算。綜合上述耐受電壓海拔校正因數的計算規定，考慮高原地區惡劣的自然環境和現行規范體系的具體應用情況，建議高原地區電氣化鐵路接觸網設備的耐受電壓校正因數選用現有標準體系中的較大值，即：一般按GB311.1-1997規定的海拔校正因數，接觸網棒式絕緣子耐受電壓海拔校正因數按鐵路標準規定選用。

接觸網空氣絕緣間隙的海拔校正可參照(66kV及以下架空電力線路設計規范》(GB50061-97)、《鐵路電力牽引供電設計規范》(TBl0009--2005)規定的修正方法進行海拔校正計算。綜合考慮鐵路現行規范體系的具體應用情況，建議高原地區電氣化鐵路接觸網設備的空氣絕緣修正時按TB10009--2005規定選用海拔校正因數。

目前高原地區電氣化鐵路實際運行經驗不多，建議對關鍵接觸網設備進行監測，為高原地區電氣化鐵路的安全運行、運營維護管理及電氣化設備鏟平制造積累經驗。對于時速160Km的城際鐵路，對接觸網的受流要求很高，全線站場及與正線有關的站線采用新型硬橫跨，具有整體剛度好，受力均勻，抗災能力強的優點。

2.4 房建工程

由于季節融化層的凍融變化直接影響和危及建筑物、桿塔的穩定性。高原電氣化鐵路房屋、設備、架構基礎設計，接地網敷設深度的擬定，首先應明確工程地點為季節凍土或多年凍土。當工程地點為多年凍土區域，應根據勘測確定的多年凍土上限，根據保護凍土的原則，從保持基礎持力層的穩定性，保護多年凍土周圍環境的穩定性出發，考慮房屋內取暖有可能影響地溫等因素，按照《凍土地區建筑地基基礎設計規范》JGJ118-98中的要求，進行多年凍土地區建筑物地基的融化深度和基礎穩定性計算，確定凍土強度指標的設計值，進行多方案比選，謹慎地設計工程地點變配電所房屋、設備、架構基礎。

2.5 土建工程

土建工程涉及路基、橋涵、橋墩和軌道方面的建造。由于高原地區環境的特殊性，在建造的同時必須考慮到。針對青藏高原一日中常見四季的惡劣的自然環境和氣候條件，研究解決了高原大溫差地區軌縫控制技術。針對青藏線率先使用的新型免維護扣件，研究解決了大轉矩緊固彈條I型扣件釘聯工藝。

隨著氣溫升高，造成凍土退化和地面沉陷，地基約束剛度降低，橋梁自振基本周期增大，墩身地震彎矩減小，樁身彎矩和墩頂位移增大。為了減少凍土對路基工程的危害，青藏鐵路凍土地區大量應用了橋梁工程。耐久梁是青藏線為滿足抗震、抗裂、抗凍融和耐久性而做特殊設計的橋梁。

3 結語

加快開發西部地區，對于推進全國的改革和建設和保持國家的長治久安，是一個全局性的發展戰略，不僅具有重大的經濟意義，而且具有重大的政治和社會意義。本文剖析了高原環境的特點，就電氣化鐵路設計中應考慮的一些問題闡述認識，供大家參考，促使西北電氣化鐵路健康和迅速發展。

[1]許霓，張卓見.淺析西北高原地區電氣化工程設計特點.北京：鐵道工程學報，2004.

[2]侯婉秋，李海燕.高原環境對低壓電器產品的影響及其對策.青海：青海科技，2009.

[3]孫麗軍，蔡汝山等.高原環境對電工電子產品的影響及防護.廣州：電子產品可靠性與環境試驗，2010.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.09.096