箱式變電所——地鐵牽引變電所的新選擇

【摘要】本文通過對箱式牽引變電所性能特點的研究，結(jié)合城市軌道交通工程的實際情況，綜合比較傳統(tǒng)房間式變電所與箱式牽引變電所，提出地面或高架軌道交通工程采用箱式牽引變電所的建議和注意事項。
【關(guān)鍵詞】地面 高架 軌道交通工程 采用箱式牽引變電所

1前言
城市軌道交通工程投資大、工期緊、可靠性要求高。牽引變電所是軌道交通運營的動力源泉，設(shè)備種類多、數(shù)量大、相互關(guān)系復(fù)雜，除本身投資外還需要大量的土建投資。如伺控制牽引變電所及其相關(guān)土建工程的投資，如何縮短牽引變電所設(shè)備安裝、調(diào)試工期，如何提高牽引變電所的可靠性，是牽引變電所設(shè)計中需要重點解決的問題。
2 牽引變電所設(shè)置方式
牽引變電所的功能是向運行在軌道線路上的車輛供電，內(nèi)部設(shè)置35kV開關(guān)柜、整流變壓器、整流器、直流開關(guān)柜、負極柜、排流柜、直流電源裝置、監(jiān)控等設(shè)備，其主要功能的實現(xiàn)與道交通的車站無關(guān)。
牽引變電所可以設(shè)置在車站內(nèi)(站內(nèi)房間式)，也可以設(shè)置在車站外線路附近，當其設(shè)置在車站外時，可以采用傳統(tǒng)的建筑物形式(站外房間式)，也可采用箱式變電所。
箱式牽引變電所是工廠化、模塊化、標準化的牽引變電所，在車站附近的地面設(shè)置工廠預(yù)制的鋼結(jié)構(gòu)箱體，牽引變電設(shè)備在箱內(nèi)布置。箱體由兩層鋼板內(nèi)襯絕緣層構(gòu)成，具有防雨、防雪、防滲漏、防腐蝕、防塵、防鹽霧、防小動物、防盜、抗沖擊等性能，同時在箱體內(nèi)設(shè)置遠動、照明、空調(diào)、消防、所用電源、通信等設(shè)施和接口設(shè)備，這些功能與鋼筋混凝土的房間式牽引變電所相當。箱式牽引變電所內(nèi)設(shè)備布置緊湊，占地面積小。
3 牽引變電所模式選擇
3．1 牽引變電所模式對車站規(guī)模的影響
牽引變電所設(shè)備數(shù)量多、體積大、重量大，除設(shè)備本身占用較多的空間外，維護通道、操作通道、電纜通道和設(shè)備運輸通道也需要占用較多面積。
牽引變電所采用“房間式變電所”模式時，理想的副、面積約130平方米，采用“箱式變電所”模式時，面積約80平方米。
3．1．1 站內(nèi)房間式牽引變電所對車站規(guī)模的影響
牽引變電所采用“站內(nèi)房間式”時，變電所的理想面積(設(shè)備本體和操作維護通道占用面積)約需要130平方米。工程實際中，為滿足車站主體結(jié)構(gòu)的受力要求，變電所內(nèi)需要設(shè)置立柱、橫梁、底梁等，這些經(jīng)常與變電所的設(shè)備布置和管線敷設(shè)沖突，使得變電所內(nèi)總是存在一些區(qū)域，不能用于變電所生產(chǎn)工作但卻存在于變電所內(nèi)。另外為滿足設(shè)備運輸、操作、維護的要求，變電所設(shè)備布置受到很多限制，變電所內(nèi)還需要一些附加面積。所有這些使得設(shè)備平面布置設(shè)計不可能在理想面積內(nèi)完成，需要增加50-90m2的面積。
車站內(nèi)眾多設(shè)備房相互關(guān)系密切，不同專業(yè)的管線縱橫交錯，相互干擾，由于其他專業(yè)的原因可能增加變電所的位置和占地面積，變電所專業(yè)也可§S增加其他專業(yè)設(shè)備房的位置和占地面積。車站內(nèi)由于變電所的存在，還需考慮人員進出變電所的通道、消防通道、環(huán)控設(shè)備房、氣體滅火設(shè)備房等附屬面積。
上述的附加面積使車站面積增加，嚴重時甚至使車站長度加長大幅度增大車站規(guī)模。車站規(guī)模增大，不但使占地拆遷、管線拆遷的難度增加，也使土建投資增加，而且還影響車站站位穩(wěn)定，甚至引出一系列的問題。
3．1．2 站外房間式牽引變電所對車站規(guī)模的影響
牽引變電所采用“站外房間式”時，與采用“站內(nèi)房間式”時相似，只是無需考慮人員進出變電所的通道、消防通道、環(huán)控設(shè)備房、氣體滅火設(shè)備房等附屬面積。由于變電所依然受到建筑結(jié)構(gòu)、立柱等因素影響，變電所面積依然比“房間式變電所”的理想面積大20-40平方米。
采用此方式，可以減小車站規(guī)模，避免使車站長度加長，但由于變電所的占地面積依然比較大，依然存在較大的占地拆遷、管線拆遷困難。
3．1．3 箱式牽引變電所對車站規(guī)模的影響
牽引變電所采用“箱式變電所”時，只占用必須的空間(約80平方米)，將變電所從與車站、建筑等復(fù)雜的關(guān)系中解脫出來，與車站土建工程間只剩電力電纜、通信電纜的接口，避開了變電所與車站建筑和其他相關(guān)專業(yè)復(fù)雜的相互干擾、制約。
采用箱式牽引變電所除給變電所本身帶來諸多靈活性外，完全避免出現(xiàn)廢棄面積，在變電所專業(yè)能力范圍內(nèi)最大限度減小車站規(guī)模。車站規(guī)模的減小使得車站選址容易、土建投資節(jié)省、拆遷工作難度減小、拆遷費用降低、車站維護費用節(jié)約。
3．2 牽引變電所模式對工期的影響
牽引變電所的如期開通是軌道交通工程如期開通的必要條件。
牽引變電所的工期包括變電所本身的設(shè)計、設(shè)備制造、設(shè)備安裝、設(shè)備調(diào)試和系統(tǒng)調(diào)試工期，受到建筑專業(yè)設(shè)備房的設(shè)計、施工、裝修工期的限制，還受到相關(guān)輔助系統(tǒng)(如環(huán)境控制、動力照明、通信、氣體滅火等)設(shè)計、施工、調(diào)試的工期限制。
對于“站內(nèi)房間式牽引變電所”，在初步設(shè)計階段，變電所與諸多專業(yè)關(guān)系密切，需要多個專業(yè)經(jīng)過幾輪設(shè)計配合才能夠落實車站土建平面；在施工設(shè)計階段，管線敷設(shè)位置的配合、結(jié)構(gòu)板開孔也需要多專業(yè)經(jīng)過多次配合，然后才能夠進行各專業(yè)施工圖的設(shè)計；在施工階段，施工的進度必須按照土建主體結(jié)構(gòu)施工馬結(jié)構(gòu)板開孔施工‘建筑裝修‘線路軌通當變電所設(shè)備就位安裝，變電所設(shè)備接線施工馬變電所設(shè)備單體調(diào)試馬變電所系統(tǒng)調(diào)試，在進行變電所設(shè)備安裝調(diào)試的過程中可以插入其他系統(tǒng)設(shè)備的就位安裝；另一方面牽引變電所設(shè)備的開孔等圖紙又受到設(shè)備招標時間的限制，設(shè)備專業(yè)難于向土建專業(yè)及時提供設(shè)計資料，這些具有順序要求的程序需要較長工期，且需要詳細統(tǒng)籌安排。
對于“站外房間式牽引變電所”，其工期的安排與“站內(nèi)房間式牽引變電所”基本相似，只是減掉線路軌通的影響，也需要較長的工期。
牽引變電所設(shè)備的安裝、調(diào)試、聯(lián)調(diào)工作任務(wù)重、時間緊、難度高，使牽引變電所容易成為工程開通的桎梏。對于“箱式牽引變電所”，其工期與土建工程和其他系統(tǒng)專業(yè)的工期互不影響，箱體制造，設(shè)備生產(chǎn)和設(shè)備安裝、接線、單體調(diào)試，變電所系統(tǒng)調(diào)試等工作可以與土建工程并行開展，不受其他站后系統(tǒng)的拖累，甚至可以先于車站土建和其他系統(tǒng)提前開通。
3．3 牽引變電所模式與工廠化、模塊化、標準化理念
“站內(nèi)房間式牽引變電所”和“站外房間式牽引變電所”由于車站位置、形狀、規(guī)模的不同，各牽引變電所的形狀、規(guī)模、設(shè)備位置、電纜路徑等迥然不同。除牽引變電所的設(shè)備和主要材料可以在工廠加工完成外，諸如設(shè)備安裝、電纜接引、設(shè)備試驗、系統(tǒng)調(diào)試等工作都只能在現(xiàn)場進行，設(shè)備工廠化的程度不高；由于各牽引變電所的設(shè)備平面布置不同，雖然牽引變電所的功能相對獨立且單一，也難于實現(xiàn)牽引變電所的模塊化和標準化。
“箱式牽引變電所”方案中，各變電所除地理位置和電纜進出口位置不同外，其他特征完全相同。變電所在工廠進行設(shè)備試驗、設(shè)備安裝、電纜接引、系統(tǒng)調(diào)試等工作，使得工廠化成為可能，將來運至現(xiàn)場的是成品的牽引變電所，這些完全相同的多套牽引變電所在生產(chǎn)時，很容易分解成若干個標準功能模塊，再通過固定的模塊拼接，制造出模塊化和標準化的“箱式牽引變電所”。
實現(xiàn)牽引變電所工廠化、模塊化和標準化后，能夠為工程帶來很多好處，包括：
(1)保持設(shè)備本身的可靠性：設(shè)備在潔凈的工廠環(huán)境開箱、安裝、接線、試驗、最大限度避免現(xiàn)場惡劣條件的影響；
(2)提高牽引變電所整體可靠性：將一些嚴格的技術(shù)工作轉(zhuǎn)化為根據(jù)一份生產(chǎn)圖紙進行多套標準設(shè)備制造的工廠行為，用固定的工廠工藝替代現(xiàn)場的安裝，減小錯誤的出現(xiàn)幾率；同時易于實現(xiàn)質(zhì)量監(jiān)督、檢驗和控制；
(3)運營維護簡便：運營維護人員熟悉了一個變電所，則掌握了全部變電所。
3．4 牽引變電所模式對投資的影響
牽引變電所的投資包括設(shè)備投資(含安裝、調(diào)試費用)和土建投資(含環(huán)境控制)，設(shè)備投資取決
于牽引供電系統(tǒng)，相對固定，土建投資取決于變電所的土建結(jié)構(gòu)和面積，變化幅度較大。
根據(jù)已經(jīng)竣工地面或高架工程的投資情況，房間式牽引變電所的設(shè)備及其安裝調(diào)試費用約820萬元，土建及其附屬設(shè)施的投資約120萬元，綜合投資約940萬元。
上海市莘閔線和共和新路工程的箱式牽引變電所的招標價約為100萬美元，加上運輸、安裝和基礎(chǔ)的費用，約折合人民幣1000萬元。
可見“箱式牽引變電所”在綜合投資方面與“房間式牽引變電所”相當。鑒于當前機電設(shè)備的采購價格不是很穩(wěn)定，還與沒備采購方式有很大關(guān)系，在考慮目前“箱式牽引變電所”的供貨商較少和尚未完成國產(chǎn)化的因素，估計在工程中若采用箱式變電所，其投資可以控制在“房間式牽引變電所”的投資范圍內(nèi)：
3．5 不同模式牽引變電所的比較
下面就牽引變電所的各個相關(guān)技術(shù)原則，對三種模式的牽引變電所進行分析、比較，參見“三種模式的牽引變電所比較表”。
牽引變電所采用何種模式由工程中的諸多因素決定，當軌道交通工程位于城市繁華區(qū)域時，一般難于在地面找到設(shè)置站外房間式牽引變電所和箱式牽引變電所的位置，而對于郊區(qū)線一般為高架或地面，由于線路附近或高架橋下存在可以利用的空間，選擇“站外房間式牽引變電所”和“箱式牽引變電所”比較合理。
表1 三模式的牽引變電所比較表

可見，綜合考慮牽引變電所的可靠性、工期影響和投資，箱式牽引變電所的優(yōu)勢明顯。
4 箱式牽引變電所在國內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀、前景
箱式牽引變電所在國外已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用，如美國達拉斯地區(qū)輕軌系統(tǒng)、圣地亞哥地鐵系統(tǒng)、洛杉磯捷運局紅線一期、洛杉磯捷運局紅線二期、賓西法尼亞東南部捷運局等。另外英國、法國的電氣化鐵路系統(tǒng)也有大量的箱式牽引變電所在運營中。
國內(nèi)已經(jīng)有大量國產(chǎn)箱式變電所用于城市小區(qū)和礦山供電，一般在集裝箱里安裝的僅是配電變壓器及一些配套開關(guān)等主要設(shè)備，箱體結(jié)構(gòu)相對簡單，功能相對單一。
香港東部鐵路和即將投人運營的西部鐵路，大量使用了箱式牽引變電所。上海市莘閔線和共和新路工程中的部分牽引變電所已經(jīng)決定采用箱式變電所。
5 箱式牽引變電所的國產(chǎn)化
目前美國POwELL公司已經(jīng)在著手將其先進的箱式變電所技術(shù)引入中國。箱式變電所的箱體并不
需要高深的科技和復(fù)雜的工藝，只有空調(diào)、防腐蝕等方面需要一些專門技術(shù)，目前我國的生產(chǎn)制造水平，完全具備國產(chǎn)化的自幼。
通過調(diào)查，“箱式牽引變電所”已經(jīng)可以實現(xiàn)國內(nèi)人民幣采購，并且國內(nèi)已經(jīng)有工廠著手進行箱式變電所的技術(shù)引進工作，如果國產(chǎn)化進程理想，工程中具有使用國產(chǎn)“箱式牽引變電所”的機會。
6 采用箱式變電所時需要特別注意的問題
箱式牽引變電所具有獨特的優(yōu)點，在使用中需要特別注意以下問題
（1）首先落實箱式變電所的運輸，包括運輸設(shè)備、路徑、交通疏解等；
（2）落實變電所與線路間的電纜通道；
（3）牽引變電所內(nèi)設(shè)備發(fā)熱量較大，需要選擇低損耗的設(shè)備，并且選擇優(yōu)質(zhì)的空調(diào)設(shè)備；
（4）采取切實可行的安全接地措施。
7 結(jié)束語
“箱式牽引變電所”在提高工程可靠性、節(jié)約工期和降低投資方面均有明顯的效果，建議在地面和高架的軌道交通工程中采用箱式牽引變電所。