全戶內牽引變電所設計研究

曲衍寧

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300251)

全戶內牽引變電所設計研究

曲衍寧

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300251)

為克服戶外架構型敞開布置變電所占地面積大、環境適應能力差的缺點,天津和諧型大功率機車檢修基地牽引變電所設計借鑒國家電網公司220 kV變電站典型設計成果,采用將變壓器、高壓變配電設備布置于室內的全戶內設計方案。介紹全戶內牽引變電所的主接線、總平面布置、繼電保護等設計方案,著重介紹牽引變電專業與結構、暖通、電力、防災等專業的接口設計內容,有助于為全戶內變電所在電氣化鐵路中的應用積累設計經驗。

全戶內;牽引變電所;設計

1 概述

常規牽引變電所大都采用戶外架構型敞開布置方式,即采用將牽引變壓器及高壓配電裝置放置于戶外, 27.5 kV高壓室、控制室、通信機械室等布置在戶內的設計模式。目前,不少牽引變電所位于城郊、開發區、城市中心地帶,考慮到城市規劃、環保、節約土地資源、減少日常維護工作量等各方面因素,原來的戶外架構型敞開布置的變電所已經不能滿足要求,放置在戶外的變壓器所產生的噪聲及戶外設備與城市景觀的不協調也成為比較突出和亟待解決的問題。

從20世紀90年代開始,國內電力系統新建變電所工程,就以既滿足規劃和環保要求,又盡量減少征地面積為目標,逐步設計投產了各種類型的全戶內型變電所,即將主變壓器的主體及各級變電設備、配電裝置全部布置于戶內的模式,可以最大限度地縮小占地面積和空間體積,結構簡湊、環境適應能力強、可免受雨雷、塵沙及鹽霧等各種惡劣自然條件的影響,基本解決了上述問題。

天津和諧號大功率機車檢修基地工程,位于天津市濱海新區臨港工業區,牽引變電所位于檢修基地內,考慮到基地整體布局、環保、節約土地資源、減少日常維護工作量等各方面因素,采用將變壓器、高壓設備布置于室內的全戶內變電所設計方案。為節約電能,牽引變電所與電力配電所合建,共用220 kV高壓電源。

2 牽引變電所設計方案

2.1 主接線

牽引變電所引入2路220 kV電源,220 kV進線側采用線路變壓器組接線型式。設置2臺“V/V”接線、220/27.5 kV、(20+5)MVA牽引變壓器,2臺“YN, d11”接線、220/10.5 kV、25MVA電力變壓器。其中2臺電力變壓器并列運行,2臺牽引變壓器1臺運行, 1臺固定備用。計費采用高壓側計費方式且電力、牽引負荷分別計費。

27.5 kV側采用單母線分段接線型式。

牽引變電所主接線圖見圖1。

圖1 牽引變電所主接線圖

2.2 總平面布置

牽引變電所高壓側設備采用220 kV GIS組合電器,低壓側設備采用27.5 kV GIS開關柜,采用戶內布置。設牽引變壓器室、電力變壓器室、220 kV GIS室、27.5 kV高壓室、控制室、檢修室及輔助房屋,采用平房布置;除牽引變壓器、電力變壓器基礎外,其余房屋下方均設置敷設電力電纜用的電纜夾層。

設計時,對總平面布置進行了比選,當采用常規戶外設計方案,場坪面積為120m×100m;而采用全戶內設計方案,場坪面積僅為100 m×42 m,為常規戶外設計的35%,考慮到變電所位于檢修基地廠區內,對占地面積及與環境的協調性要求較高,因此,本項目采用了全戶內布置。

牽引變電所總平面布置見圖2。

圖2 牽引變電所總平面布置(單位:mm)

2.3 繼電保護設計

牽引變電所采用綜合自動化系統,實現牽引供電系統的控制、保護及牽引供電設施運行狀態的監視和報警等功能。綜合自動化系統基于網絡化構成,采用分層、分布式結構,繼電保護及自動裝置設置如下。

(1)牽引變壓器設自投裝置。

(2)牽引、電力變壓器設重瓦斯、縱差動、低電壓過電流保護、過熱,動作于跳閘;設輕瓦斯、過負荷、過熱發預告信號,其中電力變壓器設置雙套保護。

(3)牽引變電所饋線設速斷、過流、高阻保護及自動重合閘裝置。

根據《繼電保護和安全自動裝置技術規程》(GB/T14285—2006)4.3.3.3條的規定,電壓為220 kV及以上的變壓器裝設數字式保護時,除非電量保護外,應采用雙重化保護配置[1]。本次設計電力變壓器保護采用了雙重化保護配置,同時增加了中性點零序電流保護和中性點間隙的過流、過壓保護,作為接地短路故障的后備保護。

3 接口設計

3.1 結構設計

天津和諧號大功率機車檢修基地工程,位于天津市濱海新區臨港工業區,廣泛分布第四系沖海積松散堆積層,軟土地層普遍發育,強度低、厚度大,地質條件差,牽引變電所安全等級為二級、設防烈度7度,采用框架結構、樁基。接口設計部分主要表現在以下幾個方面。

(1)牽引變壓器單臺總質量85 t,電力變壓器單臺總質量62.5 t,基礎設計需要與房屋結構設計統籌考慮。

(2)根據《高壓配電裝置設計技術規程》(DL/ T5352—2006)9.3.6條規定,屋內GIS配電裝置應設置起吊設備,其容量應能滿足起吊最大檢修單元要求,并滿足設備檢修要求[2],本次設計220 kVGIS室上方需要設置安裝、檢修用的天車,吊鉤承重能力≮80 kN。

(3)220 kV GIS室下方設置敷設電力電纜用的電纜夾層,高度3m[3,4](地上1.2 m,地下1.8 m);牽引變壓器室、電力變壓器室下方設儲油池及主變基礎,其他部分設電纜夾層,墻為防火墻,大門采用帶鐵絲網及百葉窗的防火門;27.5 kV高壓室、控制室、檢修室、10 kV高壓配電室、10 kV變電室、電容器室、備品備件室及其他輔助房屋,下方設置敷設電力電纜用的電纜夾層,電纜夾層的高度2.2m(地上1.2m,地下1m),設置兩處樓梯間通向電纜夾層,用于緊急情況下的人員疏散。電纜夾層內設有防護進水、排水措施,在每處電纜溝進電纜夾層處設集水井,在電纜夾層設滲水井。

(4)事故貯油池設計,根據《高壓配電裝置設計技術規程》(DL/T5352—2006)要求,當設置有總事故儲油池時,其容量宜按最大一個油箱容量的100%確定[2],本次設計貯油池容積按能容納單臺牽引變壓器100%油量設計。

(5)場坪排水:所區內應有排水措施,場地設計坡度不應小于0.5%,不宜大于6%,當土質易受沖刷時,不宜大于5%[5]。

(6)電纜溝排水:電纜溝溝壁頂面高出地面100mm,穿越道路時取消溝蓋板,改為現澆電纜隧道形式,隧道頂板與路面整體澆筑。電纜溝內設緩坡利于排水,排水至集水井。

3.2 暖通設計

(1)牽引、電力變壓器室

全戶內變電所設計較常規戶外設計的最大區別在于將變壓器、高壓設備布置于室內,在變電專業的設計中增加了變壓器消防問題,變壓器油重幾十噸,消防是個非常重要的問題。根據《火力發電廠與變電所設計防火規范》(GB50229—2006)11.5.4條規定,單臺容量為125MVA及以上的主變壓器應設置水噴霧滅火系統、合成型泡沫噴霧系統或其他固定式滅火裝置[6]。雖然本次設計變壓器單臺容量僅為25 MVA,但是,由于變電所位于廠區內,而且變電器為戶內布置,因此,通過參考電力系統220 kV變電站典型設計,確定采取為每臺變壓器設置排油充氮滅火裝置來解決其消防問題。

牽引、電力變壓器室夏季室溫不得超過40℃,相對濕度≤80%。其中,單臺牽引變壓器散熱量≤126 kW,單臺電力變壓器散熱量≤180 kW。除了采用帶鐵絲網及百葉窗的防火門自然通風外,還在每個房屋屋頂設4臺軸流風機進行機械通風。

(2)220 kV GIS室

220 kV GIS組合電器采用SF6作為絕緣介質,根據《高壓配電裝置設計技術規程》(DL/T5352—2006) 9.3.2條規定,GIS配電裝置室內低位區應配有SF6泄漏報警儀及事故排風裝置[2]。為此,在每個220 kV GIS室設置可以同時檢測O2和SF6濃度的氣體泄漏報警裝置,并為之配套低位安裝的軸流風機進行機械通風。

(3)電纜夾層

電纜夾層采用自然進風,軸流風機機械通風。

(4)控制室

夏天空調制冷,冬天暖氣采暖。控制室需設氣體滅火裝置。

3.3 交流自用電設計

全戶內變電所交流所用電設計較常規戶外設計,增加了變壓器機械通風、220 kV GIS室天車、電纜夾層滲水井潛水排污泵等動力負荷,并且負荷用電時間比較集中,大都在夏季,在所用變壓器容量的選取上要綜合考慮。本工程由于牽引變電所與電力配電所合建,因此動力負荷由電力專業提供400 V電源,統一設計。

3.4 防災設計

根據《火災自動報警系統設計規范》(GB50116—2008)9.3.1條規定,無遮擋的大空間或有特殊要求的房間,宜選擇紅外光束感煙探測器;9.3.4條規定,電纜隧道、電纜豎井、電纜夾層、電纜橋架和配電裝置、開關設備、變壓器等場所或部位,宜選擇纜式線型感溫火災探測器[7]等要求,配合防災專業完成牽引變電所生產房屋的消防設計。

4 結論

基于全戶內型變電所在縮小占地面積和空間體積、結構簡湊、環境適應能力強、可免受雨雷、塵沙及鹽霧等各種惡劣自然條件的影響等方面的諸多優點,在地形困難或重污穢的地區及重要城市,牽引變電所設計可以考慮采用全戶內設計。在設計過程中,既要理順本專業設計內容,又要統籌考慮與結構、暖通、電力、防災專業的接口設計,只有這樣才能讓全戶內變電所充分發揮其供電可靠性高、使用壽命長等優點,不斷提高鐵路電氣化裝備水平。

[1] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T14285—2006 繼電保護和安全自動裝置技術規程[S].北京:中國標準出版社,2006.

[2] 中華人民共和國國家發展和改革委員會.DL/T5352—2006 高壓配電裝置設計技術規程[S].北京:中國電力出版社,2006.

[3] 劉振亞.國家電網公司輸變電工程典型設計-220 kV變電站分冊[M].北京:中國電力出版社,2005.

[4] 中華人民共和國建設部.GB50217—2007 電力工程電纜設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2007.

[5] 中華人民共和國鐵道部.TB10009—2005 鐵路電力牽引供電設計規范[S].北京:中國鐵道出版社,2005.

[6] 中華人民共和國建設部.GB50229—2006 火力發電廠與變電所設計防火規范[S].北京:中國計劃出版社,2006.

[7] 中華人民共和國建設部.GB50116—2008 火災自動報警系統設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2010.

Study on the Design for Full Indoor Traction Substation

QU Yan-ning
(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation,Tianjin 300251,China)

To overcome the shortcomings of large floor area and poor environment adaptation capacity of the traction substation with outdoor truss type open layout,the traction substation design of harmonious high-power locomotivemaintenance base in Tianjin draws lessons from 220kV typical substation design results of the State Grid Corporation,adopting the design scheme which the transformers,high voltage transformation and distribution equipment are all arranged in indoor type.In this paper,themain circuit diagram,general layout,relay protection and other design items of full indoor traction substation are introduced,focusing on its interface design with other disciplines such as structure,heating and ventilating,electricity and disaster prevention.Itwill be helpful to accumulate experience in the design of full indoor substation applied in electrified railway.

indoor;traction substation;design

U224

A

1004 -2954(2012)10 -0091 -04

2012 -06 -13

曲衍寧(1981—),男,工程師,2007年畢業于西南交通大學,工學碩士,E-mail:quyanning@tsdig.com。