一款移動變電車的設計

蘇曉明1 溫曉甫1 文娟2

1.保定長安客車制造有限公司 河北保定 073000

2.泰安市諾泰電子科技有限公司 山東泰安 271000

一款移動變電車的設計

蘇曉明1 溫曉甫1 文娟2

1.保定長安客車制造有限公司 河北保定 073000

2.泰安市諾泰電子科技有限公司 山東泰安 271000

介紹了一款35 kV移動變電車的電氣主接線設計、變電設備絕緣配合、一次設備選型與設計、二次設備選型與設計等，并對底盤縱梁抗彎強度、整車側傾角、抗風能力的計算等進行了校核計算。該車通過電力部門聯網測試，能夠滿足相關電力標準，運行穩定，值得推廣和應用。

移動變電車 選型 設計

1 前言

隨著經濟的發展，電力已成為國民經濟發展的重要保障，各行業生產、生活均離不開電能，電力設備發生故障時如何快速送電成為考核電力企業應變能力的主要指標。移動變電車是解決緊急用電、臨時用電、維修用電或者建筑建設用電必備的電力車輛。通過對國內外輸變電技術的研究，并借鑒學習國外先進技術，開發了一款移動變電車，下面對該車的設計、結構、計算等加以介紹。

2 移動變電車總體設計

移動變電車是指將4個基本模塊即高壓進線模塊、主變壓器模塊、中低壓配電室模塊和保護與控制模塊，按一定接線方案排成一體地安裝在運輸模塊上的車輛。根據變電設備布置，運輸模塊需要由1～3輛半掛車組成。為合理分配運輸模塊后軸載荷，降低整車質心，高壓進線模塊和主變壓器模塊布置在靠近后輪處；為便于二次箱體內開關柜下方進出線，中低壓配電室模塊和保護與控制模塊布置在運輸模塊鵝頸前部。移動變電車整體結構如圖1所示。

圖1 移動變電車整體結構圖

移動變電車應根據運維變電站的電壓等級、所需系統的容量、饋線數量等選擇主變壓器模塊、中低壓配電室模塊、高壓進線模塊與保護與控制模塊。設計時，應依次進行電氣主接線設計、一次設備布置設計、二次設備布置設計、運輸模塊設計及變電站輔助裝置布置設計。一次設備包括主變壓器模塊、中低壓配電室模塊、高壓進線模塊；二次設備包括保護與控制模塊。

根據GB 1589-2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、 軸荷及質量限值》對車輛尺寸的強制規定[1]，要求移動變電車整體高度最大限值為4 000 mm，整體寬度最大限值為3 000 mm（低平板專用半掛車），因此應從限高、限寬、限重及變配電設備與車體安裝連接強度等方面，對移動變電車進行設計。

2.1 電氣主接線設計

電氣主接線的設計直接影響變電設備的選擇，進而影響移動變電車的設計。在移動變電車設計時，首先要進行電氣主接線的設計。

該移動變電車為應急設備，35 kV側采用單電源供電，35 kV側、10 kV側選用單母線不分段接線方式，35 kV側一回35 kV進線，采用一臺容量為12 500 kVA的主變壓器，電壓等級為35/10.5 kV；10 kV側采用單母線不分段接線方式，一回10 kV進線，4回10 kV出線，選用XGN-10型固定式戶內成套配電裝置，1組站用變，1組PT柜。

2.2 變電設備絕緣配合的選擇

為確保所選擇變電設備的質量，選擇主變壓器模塊、中低壓配電室模塊、高壓進線模塊、保護與控制模塊的高壓電氣設備時，其絕緣配合必須滿足GB 311.1-1997《高壓輸變電設備的絕緣配合》國家標準及相關的設備標準。標準絕緣水平如表1所示。

表1 標準絕緣水平表單位：kV

2.3 一次設備選型與設計

一次設備是移動變電車的關鍵設備，決定系統性能、周期和成本，應重點進行匹配設計。

2.3.1 主變壓器模塊選型與設計

主變壓器選用S9-12500/35 kV，額定電壓35/10.5 kV，聯結組別YNd11，冷卻方式ONAN，無載調壓。

主變壓器安裝固定在半掛車上，與半掛車體一起移動。高壓套管布置在變壓器寬度方向的腰部，以降低主變壓器與半掛車的整體高度，也方便與組合電器接線，為保證相間距，A、C兩相需向外傾斜一定角度。

主副儲油柜分開設計，副油柜采用膠囊式橢圓形結構，以降低主變壓器與半掛車的整體高度。主副油柜間設有液壓舉升裝置，移動變電車工作時，副油柜采用液壓裝置將其舉升到工作位置；運輸時，液壓裝置將副油柜降至最低，以保證運輸尺寸要求。副油柜外側設有多道加強筋，以增強其強度。

主變壓器固有頻率為1.4～6.8 Hz，半掛車行駛過程中其震動頻率與主變壓器十分接近，導致高壓套管受力錯位、漏油，使得變壓器線圈變形、鐵心移位、儲油柜漏油等問題出現，因此在設計時鐵心固定應加強處理。由于變壓器為拆卸運輸，因此需保留1/3容積的變壓器油。在運輸中安裝三維沖撞記錄儀，用以實時記錄車輛運輸狀態。車輛行駛速度不可大于50 km/h，以保證行駛中出現緊急制動情況時，前后方向加速度不超過4g，上下方向不超過3g，左右方向不超過1g[2]。

2.3.2 高壓進線模塊選型與設計

高壓進線模塊選用ZCW10-40.5GIS組合電器，額定電壓40.5 kV，額定電流1 600 A。采用架空進線，與主變壓器通過軟導線聯結。高壓進線模塊由斷路器、三工位隔離接地開關、電壓互感器、電流互感器、避雷器等組成。

2.3.3 中低壓配電模塊選型與設計

為降低箱變內尺寸，10 kV側選用免維護高耐候性及抗震能力強的SF6氣體絕緣柜。

10 kV主變二次配一回1 250 A并聯進線柜，配置4回630 A出線柜，進出線柜均選用真空式斷路器。10 kV主變二次、配出線采用三工位隔離開關；電壓互感器選用環氧樹脂型，采用3+1形式；選用復合絕緣金屬氧化物避雷器；選用環氧樹脂型電流互感器，進線柜變比為800/5 A，出線柜變比為400/5 A；所用變壓器選用SC10-50，額定容量為50 kVA，額定電壓10.5/0.4 kV，主變二次選用交聯電力電纜YJV-8.7/15-1X300。

2.4 二次設備選型與設計

二次設備間箱體內設置一套分層分布集中組屏的變電站綜合自動化系統、電能量系統、高頻開關直流系統等，可以實現遠方遙測、遙信、遙控等功能，按變電站有人值班設計。主機柜、直流系統柜、蓄電池柜、交流系統柜、計量柜等布置在二次設備間箱體內。主變保護測控裝置安裝在端子箱內、主變35 kV側和主變10 kV側電能表安裝在主變10 kV側開關柜內；10 kV線路保護測控裝置和10 kV線路電能表安裝在10 kV線路開關柜內。

電站采用具有遠程控制功能的計算機監控系統，不設置遠動專用設備。監控系統應具有自啟動功能，監測范圍包括斷路器、隔離開關、接地刀閘、變壓器、電容器、交直流站用電、通信設備及其輔助設備、保護信號、各種裝置狀態信號、電氣量和非電氣量信號，控制范圍包括斷路器等。35 kV和10 kV側均采用保護和測控單元合一裝置。全站只設置一套時鐘同步系統，時間同步信號宜采用直流IRIG-B信號接口方式。

2.5 運輸模塊選型與設計

半掛車是變電設備的主要承載體，主要由車架、牽引銷、車橋、懸掛裝置、制動系統、燈光系統、踏梯、摘掛支承裝置、變電站液壓輔助支撐等組成。半掛車長13 500 mm，根據設備布置校核后設計前懸、軸距，為確保電纜進出線高度（500 mm），拖車底盤距地面應不小于1 100 mm。

車架整體結構為鵝頸式，以降低整車高度。車架主要材料為高強度鋼，懸掛及平衡臂為鋼板焊接結構，車架主梁采用鋼板焊接而成，箱形結構。車橋為整體鍛造焊接軸體，承載能力大，結構可靠，設計合理，便于拆裝。采用三角鋼絲輪胎，雙胎并裝。

懸掛裝置選用空氣懸掛系統，保證所有輪軸均勻受載，行駛中緩解震動沖擊，還可根據路況自動調整整車高度。轉向系統采用牽引車牽引轉向，牽引掛點、插座、制動接頭符合相關國家標準。采用雙管路空氣制動系統，雙腔雙膜片制動氣室，并具有應急制動及駐車制動功能，與牽引機頭連接采用標準氣路自封快換接頭。燈光系統符合汽車規范的照明和示意燈具，走線簡潔，合理。

2.6 變電站輔助裝置選型與設計

接地與防雷是移動變電車安全設計的重點，該移動變電車工作接地與保護接地分開，車上設有獨立的接地銅排和接地標識，便于與主接地網連接。以垂直接地極的人工接地網為主，在移動變電車上設置接地端子，在變電工作時連接到變電站預留接地端子。移動變電車配有車載電動升降閃盾避雷針，避雷針為ZGJZ-400C，可耐雷擊電流400 A，電動升降桿采用蓄電池供電，可實現自動一鍵升降，升降高度達到18 m，適合邊遠山區防雷使用。

開關站模塊設置1臺容量為30 kVA成套干式變壓器，為站內配電裝置、直流系統等裝置提供交流電源。在10 kV箱式開關室內設置有照明系統：分為正常照明和事故應急照明，兩系統之間設有自動切換裝置。正常照明系統采取工作接零保護方式的系統接線。事故照明在全站失去交流電源的情況下，可自動投切到由站內蓄電池供電狀態下。

3 設計計算

移動變電車設計應對底盤縱梁抗彎強度、整車側傾角、抗風能力、液壓系統選型、液壓支撐裝置強度、電力電纜載流量、相間距離、人機操作等進行校核計算，由于篇幅有限，本文只對底盤縱梁抗彎強度、整車側傾角、抗風能力的計算進行介紹。

3.1 縱梁抗彎強度校核

移動變電車質量包含以下幾部分：組合電器質量、主變壓器質量、箱變質量、半掛車簧載質量。計算前進行如下假設：

a. 半掛車各零部件質量均由縱梁承擔，并按均布載荷進行計算；

b. 組合電器、主變壓器、箱變在各自與半掛車結合面內，按均布載荷進行計算；

c. 以半掛車前邊梁平面、半掛車中間縱向平面、地面交點為坐標原點，沿半掛車長度方向為X軸正向，從半掛車后端向前看向右為Y軸正向，高度方向為Z軸正向。

相關載荷情況如表2所示。根據《專用汽車結構與設計》：[3]

表2 相關載荷情況表

根據分析計算，最大彎矩發生在X=6.595 m處，此時縱梁有最大彎矩：Mmax≈370.7 Nm。

根據縱梁上的最小抗彎截面模量公式：

由最大彎矩Mmax和最小抗彎截面模量W求得單根縱梁最大彎曲應力σ為：

式中，σs為縱梁屈服極限，縱梁材料為Q345，取σs=345 MPa；n1為疲勞系數，取n1=1.3；n2為動載荷系數，取n2=3；Mmax為縱梁所受最大彎矩，Nm；[σ]為縱梁許用應力，MPa；h為縱梁高度，h=500 mm；b為翼板寬度，b= 240 mm；c為上、下翼板厚度，c=20 mm；t為腹板厚度，t=8mm。

可見，半掛車在上述載荷長期作用下，不會發生永久變形。

3.2 移動變電車整車側傾角

3.2.1 質量、質心位置及軸荷分配

移動變電車的質量包括移動變電車運輸車自重和變電站設備質量，公式為：

移動變電車的質心位置應根據半掛車、變壓器、組合電器、箱變的質心位置確定：

后軸處載荷：

牽引銷處載荷：

牽引銷處占總重比：

式中，C1為半掛車前懸，C1=900 mm；C2為半掛車牽引銷到第一軸距離，C2=8 700 mm；C3為半掛車第一軸到第二軸距離，C3=1 310 mm；C4為半掛車第二軸到第三軸距離，C4=1 310 mm。

從載荷分配看，軸距布置合理。

3.2.2 校核整車側傾角

3.2.2.1 行駛狀態校核整車側傾角

移動變電車側翻角度公式：

式中，B1為后三軸輪距，B1=2 080 mm。

求得，α1≈32.4°。

根據GB 7258-2012規定：“機動車在空載、靜態狀態下，向左側和右側傾斜最大側傾穩定角不允許小于：臥鋪客車、總質量不小于整備質量的1.2倍的專項作業車和輪式專用機械車32°”，所以移動變電車在一般坡道行駛或停車是安全的。

3.2.2.2 整車側傾角校核

在車輛停止變電站運行狀態下，按支撐腿跨距校核整車側傾角。支撐腿展開工作時，移動變電車側翻角度α2為：

式中，B2為支撐腿展開后中心距，B2=2 350 mm。

所以當車輛靜止在地面，變電站運行狀態下，該車在一般坡道工作是安全的。

3.3 整車抗風能力校核

移動變電車自身質量產生的穩定力矩：

12級風風壓為：

移動變電車側向最大迎風面積：

12級風對移動變電車的作用力：

則12級風對移動變電車產生的傾覆力矩為：

式中，ρ為空氣密度，ρ=1.25kg/m3；v為12級風最大速度，v=36.9 m/s；L為移動變電車長度，L=13.5 m；H為為移動變電車高度（不含軸下），H=3.52 m；R為移動變電車迎風面積的幾何中心離地面距離，R= 2.2 m。

通過計算可知，移動變電車在12級風力下不會被破環。

4 移動變電車試驗

為確保移動變電車安全運行，生產后應進行相關性能試驗。一次設備應進行耐壓試驗：雷電沖擊耐受電壓、操作沖擊耐受電壓和工頻耐受電壓試驗。整個系統應進行電流互感器伏安特性、電流互感器變比及極性試驗、電流回路通電及二次負擔測試、電壓回路二次通電及核相試驗、主變保護裝置校驗、線路保護裝置校驗、遙控、遙信、遙測檢驗、機械操作試驗、行駛性能、制動性能、燈光性能等試驗。以上試驗均有相關國家標準、行業法規，在實際運用中可以參照進行，限于篇幅不再介紹。

5 結語

本文介紹了一款移動變電車的結構、計算，為移動變電車的設計、生產提供了思路。移動變電車按照電壓等級有很多系列，根據選擇不同的變電設備，結構布局應進行相應調整，設計者需充分合理設計設備間距，以滿足安全及操作需要。移動變電車具有快速機動、安全可靠的特點，越來越受到電力部門的青睞，在各種應急供電保電場合發揮著巨大作用，市場需求將十分可觀。

[1] GB 1589-2016 汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、 軸荷及質量限值[S] .

[2] 包紅旗.大型車載移動變電站[M].北京:中國水利水電出版社,2013.

[3] 徐達.專用汽車結構與設計[M].北京:北京理工大學出版社,1998.

Design of A Mobile Transformer Vehicles

SU Xiao-ming et al

The main electric scheme, insulation coordination, first equipment selection and design, second equipment selection and design and key component of 35 kV mobile transformer was introduced, and the bending strength of chassis beam, vehicle side inclination angle, wind resistance ability was calculated. This vehicle is approved by the test of electric power department, meeting the requirement of electric standard and was stable, worthy of promotion and application.

mobile transformer vehicles；selection；design

蘇曉明，男，1980年生，工程師，現從事車輛總體設計工作。

U469.6.02

A

1004-0226(2017)01-0088-04

2016-10-21