都四山地軌道交通主變電所設計思考

施 敏

（中鐵二院工程集團有限責任公司,四川 成都 610036）

0 引言

都四山地軌道交通項目位于四川省阿壩藏族羌族自治州，橫斷山脈東緣，起于都江堰成灌高鐵站，止于阿壩州小金縣四姑娘山鎮，由成都平原（平均海拔650 m）向青藏高原（海拔4 000 m 以上）東部邊緣高山峽谷帶行進。線路全長約123 km，共設車站11 座，全線橋隧比高達98%，5 km 以上的長大隧道共7 座，其中最長巴朗山隧道約13.5 km，施家山隧道瓦斯濃度最大達7.18%，沿線地質地貌特征復雜多變，施工難度極大。

該線列車首次在國內采用了“輪軌+齒軌”雙制式的牽引模式，齒條位于軌道中心線處、安裝在軌枕之上，軌距1 000 mm，輪軌段限制坡度40‰，齒軌段12%，最高行車速度120 km/h，齒軌段30 km/h。線路齒軌段包括兩部分：翻越巴郎山上坡段（海拔2 772 m上升至3 696 m）、四姑娘山特大橋沿大縱坡溝谷走行段。主變電所作為整個供電系統的心臟，其安全運行至關重要。

1 供電系統設計概況

該項目供電系統主要包括110 kV 主變電所、35 kV中壓環網、牽引變電所、降壓變電所、牽引網（含回流系統）、動照系統、雜散電流腐蝕防護系統等部分，其中牽引供電系統采用直流1 500 V 接觸軌供電、走行軌回流方式。根據供電計算，該線共新建110 kV 主變電所4 座，牽引變電所21 座，降壓變電所3 座，結合當地外部電源情況，新建的4 座110 kV 主變電所依次位于蒲陽、映秀、臥龍、四姑娘山。

主變電所采用110 kV/35 kV 兩級電壓，除臥龍由一路110 kV 外電源供電外，其余3 座主變電所均由兩路110 kV 獨立外電源同時供電；35 kV 側采用單母線分段，在35 kV 兩段母線上均設置SVG 和固定電抗器用于補償該項目供電系統中壓環網及負荷側產生的無功；因蒲陽、臥龍2 座主變電所外電源供電線路長且電纜敷設占比高，在對應所內110 kV 側設置MCR 磁控電抗器用于補償線路上的無功，穩定電網電壓。與常規軌道交通主變電所相比，采用MCR+SVG 新型無功補償的配合方式，能更好地同時發揮SVG 對負荷側無功快速響應的特點，MCR 對系統側大容量無功長期連續補償調節的能力，起到1+1>2 的效果。

2 主變電所的設計

該項目主變電所設計過程中需要考慮山地高海拔低氣壓、強地震、極端低溫、多雷電、地質災害頻發等多種不良環境因素的影響，以及自然保護區內生態保護的嚴格要求，在設計上提出相應的解決措施。

2.1 生態保護措施

國家級第三大臥龍自然保護區內動植物種群豐富，但生態也較脆弱。因該線供電需要，臥龍主變電所不得已設置于其中，為保護當地生態，盡可能地減少對周邊的影響，結合該線旅游觀光發車實時性要求不高的特點，適當降低供電電源可靠性要求，采用從當地熊貓水電站取一路110 kV 外電源的方案。外電源引入采用高壓電纜敷設方式，不新建架空輸電線路。

臥龍主變電所選址位于熊貓水電站大壩下游沖積扇，避開了泄洪通道，同時盡可能地減少對保護區內的土地占用和植被砍伐。根據聲環境功能區劃分，該區域為 1類聲環境功能區，對環境噪聲的要求較高。主變電所的噪聲源主要包括主變壓器、磁控電抗器、固定電抗器、高壓設備室的散熱風機（如發熱量較大的SVG）等。針對布置于室外的主變壓器和磁控電抗器，在設備底座基礎安裝減振器，并在室外設備區外側加裝隔音屏障。對于設置于室內的固定電抗器，在設備底座基礎安裝減振器；SVG 的散熱方式由風冷改成水冷，取消風機的設置。

2.2 場坪選址

該項目線路隧道外區段大多沿山地之間的河道設置高架橋行進，河道兩側山體多數有不同程度的大面積滑坡堆積體。為避開不良地質地段，保證該線供電設施的安全，主變電所選址大都位于河道邊的狹長緩坡處，場坪標高滿足當地的百年洪水位，所內總平面布置需要適應狹長地形的要求，重點考慮所內電氣綜合樓半地下電纜夾層和場坪四周排水通暢，防止雨水倒灌，將半地下電纜夾層底面標高抬高，并在戶外電纜溝引出所外圍墻處設置積水井，設置必要的強排措施，盡可能避免所內場坪積水。

2.3 抗震措施

該項目位于龍門山地震構造帶上，地震烈度高達8度（0.2 g 加速度），地震活動頻繁。強震容易造成所內電氣設備損壞，如變壓器、磁控電抗器的出線套管斷裂、室外中式布置的斷路器、隔開等設備部件斷裂、設備傾斜或跌落等事故。

根據GB50260—2013[1]規定，可對重要電力設施按抗震設防烈度提高1 度設防，即主變電所電氣設備抗震設防烈度按9 度（0.4 g 加速度）設計。此外，其他措施包括選用設備重心較低、抗震性能好的GIS 開關柜、GIS組合電器；一次設備間采用軟導線連接；變壓器低壓側出線套管與硬銅排連接處采用軟銅帶過渡；針對變壓器、磁控電抗器等大型設備在結構底座處定設隔振裝置等。

2.4 防寒措施

四姑娘山地區晝夜溫差大，冬季可長達半年以上，積雪或覆冰嚴重，歷史極端低溫達-35 ℃以下。低溫會對各類電氣設備及連接電纜的性能均有不同程度的影響。該項目除變壓器、磁控電抗器、35 kV 電纜頭支架、外電進線架構及避雷針等設備設施布置在戶外，其他一二次設備均布置在主變電所電氣綜合樓內，房屋設置有保溫隔熱措施，因此主要針對戶外設備設計防寒措施[2]。

低溫會使變壓器、磁控電抗器等設備中的絕緣油運行黏度增大，影響絕緣、散熱性能，需要將變壓器油由常規的#25 調整為#45，降低其凝固點。低溫也會影響電纜的彈性和彎曲性能，甚至出現護套、絕緣層開裂情況，可選擇ZR-YJY23、ZR-KYJYP2-23 等耐寒電纜。低溫會使變壓器在線監測箱體內的電子元器件無法正常工作，需提高箱體的密封性能，箱體內部元件采用耐寒產品，并且安裝加熱設施。另外，低溫下的鋼材強度會明顯降低，戶外架構、避雷針及電纜支架鋼材可由Q235B 調整為Q235C，使用更低沖擊溫度的鋼材。通過以上多種手段保證室外的一二次電氣設備及電纜線材在低溫環境下正常運行。

2.5 防雷措施

根據當地年平均雷暴日，該線位于多雷山區，主變電所內各類電氣設備易受雷電影響造成雷擊跳閘、供電中斷，威脅該線運營安全。在所內通過設置獨立避雷針、避雷器、二次防強電設施形成了一個比較完善的防雷防過電壓系統。

根據避雷針保護范圍計算，主變電所需要在圍墻四角各設置1 座高35 m 常規避雷針。因部分主變電所選址位置靠近該線高架橋，避雷針傾倒會影響高架橋的安全，同時考慮該線沿途旅游觀光的屬性，以及建設后期主變電所景觀提升的需求，采用保護范圍更大的預放電避雷針，減少避雷針的設置數量及設置高度。

預放電避雷針[3]與常規避雷針雖然都是利用接閃器將電荷導入大地，保證建筑物不受雷擊，但不同的是普通避雷針屬于被動防雷，預放電避雷針則是主動引雷，引導雷電流定向流入大地，釋放雷電能量，從而達到保護對象免受雷擊的目的。其防護性能可根據提前放電時間分類，主要有10 μs、25 μs、45 μs、60 μs，提前放電時間越長，保護半徑越大。

所內建構筑物高度15 m，按第二類防雷建筑物設計，對應的保護半徑rx計算公式如下[4]：

式中，h——避雷針距離被保護物的高度（m）；r——建筑物防雷等級對應的滾球半徑（m）；Δ——先導搶先運行距離（m），Δ=ΔT×106ΔT為預放電避雷針的預放電時間（μs）。

當選用的避雷針塔高度25 m，預放電時間選擇25 μs，保護半徑rx不小于51 m，在所內場坪中間位置設置1 座高25 m 預放電避雷針，就可滿足防雷需求。

2.6 高海拔參數修正

該項目有1 座主變電所海拔約為3 100 m，高海拔低氣壓環境會降低電氣設備的外絕緣水平，影響電氣設備的安全運行，可按海拔3 500 m 對相關電氣參數進行修正，作為設備選型及總平面布置的依據。

根據GB/T 311.1—2012[5]規范中采用海拔修正計算方法，對高壓設備外絕緣耐受電壓進行修正，海拔修正系數Ka計算公式如下：

式中，H——安裝設備地點的海拔（m）；m——對雷電沖擊耐受電壓，對空氣間隙和清潔絕緣子的短時工頻電壓，m取1。

當H取3 500 時，Ka=1.36， 再根據GB/T11022—2020[6]查表得到35 kV 及110 kV 電壓等級下的工頻耐受電壓有效值和雷電沖擊耐受電壓峰值的基準值，具體修正值見表1。

表1 高壓設備外絕緣耐受電壓修正值對比表

根據DL/T 5352—2018[7]附錄A 查表得海拔3 500 m時35 kV 及110 kV 對應的戶外A1 修正值，同時計算得到海拔修正系數為1.25，再根據海拔1 000 m 時戶外A2及戶內A1、A2 的基準值，計算得到相應的修正值，具體凈距A 的修正值見表2。

表2 安全凈距A 修正值對比表

考慮山地軌道交通特殊運行環境，該線主變電所戶外設備爬距按d 級設計，取值為43.3 mm/kV；戶內設備爬距按c 級設計，取值34.7 mm/kV，并根據海拔3 500 m進行修正。爬電距離的海拔修正可參考的主要有電力行業標準DL/T 368—2010 和國家電網公司企業標準Q/GDW13001—2014[8]，該次計算根據DL/T 368—2010[9]附錄B 查表得到，爬電距離修正結果見表3。

表3 爬電距離海拔修正值對比表

3 結語

都四線是采用“輪軌+齒軌”的新型山地軌道交通項目，該交通運輸方式地形適應能力強、綠色低碳、安全可靠。該項目以客運為主，兼顧輕貨運，可改變川西北生態示范區貧困狀況，增添藏區出行方式，途經臥龍自然保護區、鄧生原始森林、巴朗山巔云海，擁有豐富的自然生態景觀和人文資源。列車廂體采用大面積的曲面玻璃，可以讓乘客與窗外景觀近距離交流，在全國山地旅游觀光線路中具有廣泛應用前景，對沿線地區鄉村振興具有重要意義，其中主變電所針對性的優化設計在其他山地軌道交通項目也具有借鑒意義。