寒溫及寒冷地區(qū)鐵路牽引變電所設計方案研究

曲江浩

（中國鐵路設計集團有限公司電化電信工程設計研究院，天津 300308）

0 引言

我國地域幅員遼闊，可劃分為寒冷、寒溫II、寒溫I、暖溫、干熱、亞濕熱、濕熱共7 種戶外氣候類型［1］，而寒溫及寒冷地區(qū)占國土面積近一半。寒溫及寒冷地區(qū)氣候條件較惡劣，此地區(qū)牽引變電所常出現(xiàn)SF6氣體液化、絕緣材料開裂、隔離開關拒動、冬季接地電阻值不滿足要求等問題，下面對寒溫及寒冷地區(qū)鐵路牽引變電所設計經常出現(xiàn)的問題進行分析。

1 影響牽引變電所設計的氣象因素

根據《環(huán)境條件分類 自然條件 溫度和濕度》（GB/T 4797.1—2018）［1］給出的寒溫及寒冷地區(qū)溫度和濕度的絕對極值（如表1 所示），可以看出，溫度低是寒溫及寒冷地區(qū)的首要特點，溫度低還會引起該地區(qū)覆冰厚、凍土深。

表1 絕對極值劃分的各種氣候類型［1］Tab.1 Various climatic types classified by absolute extreme value

2 寒溫及寒冷地區(qū)對牽引變電所的影響分析

寒溫及寒冷地區(qū)具有溫度低、覆冰厚、凍土深等特征，對設備、材料產生很多不利影響。

2.1 溫度低造成的影響

2.1.1 引發(fā)物質的形態(tài)變化，導致功能喪失

（1）變壓器油在低溫環(huán)境下會發(fā)生凝固，失去應有的絕緣、散熱、消弧作用［2］。

（2）SF6斷路器中的SF6氣體三態(tài)變化如圖1 所示，圖中的S-T-K曲線稱為飽和蒸氣壓力曲線，它代表了在給定的溫度下氣相與液相、氣相與固相處于平衡狀態(tài)的壓力值。曲線右邊為氣態(tài)區(qū)，中間為液態(tài)區(qū)，左邊為固態(tài)區(qū)。S點為SF6氣體升華點，T點為SF6氣體的熔點，K點為SF6氣體的臨界點。由圖1 可知，SF6氣體臨界溫度高，在低溫環(huán)境下會發(fā)生液化，導致其失去應有的絕緣、滅弧作用。

圖1 SF6三態(tài)圖［3］Fig.1 SF6 tri-state diagram

根據SF6氣體在電氣設備的實際使用情況，繪制的狀態(tài)參數特性曲線如圖2 所示，只要知道SF6氣體壓力、密度和溫度中任何兩個參數，就可以查出其余的參數。

應用圖2 可以求取SF6氣體的液化溫度。例如，當溫度為20 ℃時，SF6氣體（表壓力）的液化溫度如表2 所示。

由圖2 和表2 可以得出如下結論：

表2 20℃時SF6壓力（表壓力）的液化溫度［3］Tab.2 Liquefaction temperature of SF6 pressure（gauge pressure）at 20°C

圖2 SF6氣體狀態(tài)參數曲線［3］Fig.2 SF6 gas state parameter curve

1）SF6液化溫度與20 ℃時額定工作壓力有關，工作壓力越高則液化溫度越高。如果環(huán)境溫度最低為-30 ℃，則工作壓力大于0.5 MPa 時SF6就會發(fā)生液化。

2）SF6電氣設備的氣體額定壓力也不能選得太低。因為環(huán)境溫度下降時，壓力也會更低，這時會發(fā)生不經液化而直接凝華成固態(tài)的情況［3］。

另外，綜合考慮SF6斷路器的開斷關合電流能力與分合閘時間，工程上通常將SF6斷路器的工作壓力設置在0.55 MPa～0.6 MPa 范圍內，此時對應的SF6氣體液化溫度為-24 ℃～-22 ℃，遠高于寒溫及寒冷地區(qū)低溫［1］時的環(huán)境溫度，此環(huán)境下的SF6氣體易發(fā)生液化。

2.1.2 引起物質的性能下降，導致壽命縮短

（1）電纜的絕緣層、護套層通常采用PVC、PE 等聚合物材料，當環(huán)境溫度低于材料玻璃化溫度時，其力學性能降低，出現(xiàn)發(fā)硬發(fā)脆的現(xiàn)象。聚合物材料形變與溫度的關系如圖3 所示，純PVC 的玻璃化轉變溫度為87 ℃（在工程上使用的PVC，添加了增塑劑、改性劑等助劑，一般可降到-15 ℃，耐寒型可降到-30 ℃［4］），PE 的玻璃化轉變溫度為-68 ℃［4］。

圖3 聚合物材料形變與溫度關系Fig.3 Relationship between deformation and temperature of polymer materials

（2）干式電壓互感器、電流互感器所使用的環(huán)氧樹脂，在低溫環(huán)境下容易誘發(fā)內部的應力增大而發(fā)生開裂，降低了材料的絕緣性能，嚴重時甚至會引起爆炸［5］。

（3）鋼材按用途-工程結構分類，可分為碳素結構鋼和低合金高強度結構鋼。鋼材在溫度低于某一界限時，鋼的沖擊吸收功大幅度下降，從韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。這一溫度被稱為韌脆轉變溫度，鋼材沖擊吸收功和溫度的關系曲線如圖4 所示。不同鋼材的韌脆轉變溫度不同，碳素鋼的韌脆轉變溫度在-20 ℃左右；低合金高強度鋼的韌脆轉變溫度在-30 ℃以下，最低可達-110 ℃［6］。

圖4 鋼材沖擊吸收功和溫度的關系曲線Fig.4 Relationship between impact energy and temperature of steel

（4）電路板及其電子元器件（電容、電阻、芯片等）、液晶屏均有工作溫度要求，低溫環(huán)境下，超出其工作溫度范圍時，可能會發(fā)生顯示異常、芯片無法工作的情況，并影響其使用壽命。

2.2 覆冰厚造成的影響

低溫環(huán)境對隔離開關幾乎無影響，但覆冰對隔離開關的操作性能、導電性能影響很大，甚至造成隔離開關拒動，如圖5 所示。

圖5 電動隔離開關覆冰Fig.5 Electric isolation switch icing

2.3 凍土深造成的影響

凍土深會造成接地電阻值不穩(wěn)定，存在接地電阻值在夏季滿足要求，在冬季不滿足要求的現(xiàn)象。這是因為當溫度大于0 ℃時，土壤電阻率變化不大；當溫度小于0 ℃時，土壤電阻率隨溫度的下降而明顯上升。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于，當溫度降低至0 ℃以下時，土中水分隨溫度的降低部分或全部凍結為冰，而冰的電阻率大于液態(tài)水的電阻率。

3 寒溫及寒冷地區(qū)牽引變電所設計方案

3.1 溫度低引起物質形態(tài)變化的解決辦法

對于溫度低引起物質的形態(tài)變化，導致功能喪失的情況，可以通過以下方式解決：

（1）變壓器油以凝固點高低劃分為三個標號，分別為10#、25#、45#變壓器油，根據油的不同屬性，確定其適用范圍，如表3 所示。

表3 各標號變壓器油性能及應用范圍Tab.3 Transformer oil performance and application scope of each grade

由表3 可知，在寒溫及寒冷地區(qū)，可選擇45#變壓器油，倘若仍不滿足要求，則可選擇凝固點更低的KI45X、KI50X 等變壓器油。

（2）根據上文分析可知，SF6斷路器在寒溫及寒冷地區(qū)使用時采用純SF6氣體不可行，但通過在SF6氣體中混合其它氣體，通常為SF6+N2或SF6+CF4，可以遏制混合氣體在一定的低溫環(huán)境下發(fā)生液化。

3.2 溫度低引起材料性能下降的解決辦法

對于溫度低引起物體的性能下降、壽命縮短，可以采取以下措施：

（1）對于電纜的絕緣層、護套層，可以采取以下選型和使用建議，如表4 所示。

表4 電纜的絕緣層、護套層選型和使用范圍Tab.4 Insulation layer，sheath layer selection and application range of cables

如果敷設溫度不滿足上述條件，可以將電纜整體移動到具有足夠空間的房屋內（屋內溫度需在25 ℃左右）進行預熱，待電纜溫度達到并高于規(guī)定敷設溫度時，再進行快速敷設施工，且敷設時間不宜超過1 h。

（2）在寒溫及寒冷地區(qū)使用電壓互感器和電流互感器時，建議采用油式產品。若必須采用干式，應避免開裂，可采用提高環(huán)氧樹脂韌性或降低環(huán)氧樹脂的線性膨脹系數等方式解決，如在其中加入聚氨酯以提高韌性，或加入SiO2粉末降低線性膨脹系數等。

（3）在寒溫及寒冷地區(qū)選擇鋼材時，建議采用低合金高強度結構鋼來代替碳素結構鋼。低合金高強度結構鋼不僅具有比碳素結構鋼更低的韌脆轉變溫度，還能在確保在良好的塑性、韌性條件下具有更高的強度；同時，具有良好的焊接性能和加工工藝性能；此外，還更具有較好的耐大氣腐蝕性能。

（4）對于電路板及其電子元器件（電容、電阻、芯片等）、液晶屏等，宜采用戶內設置。比如寒溫及寒冷地區(qū)的接觸網開關控制站，之前采用光纖監(jiān)控方案的接觸網電動隔離開關出現(xiàn)了大量誤動，現(xiàn)在改成電纜直驅方案之后，所有控制部分（包括液晶屏、電路板、電容、電阻、芯片等）全部置于室內，并配備能夠滿足電子設備工作溫度要求的取暖設施，其在后期運行中完全避免了前文所述的故障。

3.3 覆冰厚的解決辦法

考慮到覆冰厚對隔離開關的影響，解決思路同上。即在施工前，可以先調查當地的最大覆冰厚度的歷史數據，再確定隔離開關應具備的破冰能力，通過選取更適合當地環(huán)境的材料來解決此問題。

3.4 凍土深的解決辦法

對于凍土問題，需先區(qū)分凍土的類型，分辨出是永凍土還是季節(jié)凍土；再對應采取下列措施，可使接地電阻值在冬季仍能滿足要求。

3.4.1 在永凍土地區(qū)

（1）可將接地裝置敷設在融化地帶，或融化地帶的水池或水坑中。

（2）可敷設深鉆式接地極，或可充分利用井管及其他深埋地下的金屬構件作接地極；此外，還應敷設深埋垂直接地極，其敷設深度應保證深入凍土層下面的土壤至少0.5 m。

（3）在房屋溶化盤內敷設接地裝置。

（4）在接地極周圍人工處理土壤，降低土壤的凍結溫度和土壤電阻率。

3.4.2 在季節(jié)凍土地區(qū)

（1）當季節(jié)凍土形成的高電阻率層的厚度較淺時，可將接地網埋在高電阻率層下0.2 m［7］。

（2）已采用多根深鉆式接地極降低接地電阻時，可將水平接地網正常埋設。

（3）季節(jié)性的高電阻率層厚度較深時，可將水平接地網正常埋設，在接地網周圍及內部接地極交叉節(jié)點布置短垂直接地極，其長度宜深入季節(jié)高電阻率層下面2 m。

4 結束語

在極端惡劣氣候條件下，應充分考慮氣象條件對牽引變電所設備和材料的影響，并根據當地氣候條件以及材料、設備的特性采取必要的特殊設計。本文在分析我國氣候分布特點的基礎上，根據寒冷和寒溫地區(qū)具有溫度低、覆冰厚和凍土深的特點，提出了相應解決辦法，包括（1）變壓器油的選擇要與環(huán)境溫度相匹配；（2）采用在SF6氣體中混入N2或CF4等其它氣體解決低溫環(huán)境下的SF6氣體液化問題；（3）電纜的絕緣層、護套層選型要與環(huán)境溫度相匹配；（4）寒溫及寒冷地區(qū)使用的干式電壓互感器、電流互感器中的環(huán)氧樹脂需增加聚氨酯或SiO2粉末以避免開裂；（5）采用低合金高強度結構鋼來代替碳素結構鋼，以確保鋼材在低溫環(huán)境下具備良好的塑性和韌性；（6）在寒溫及寒冷地區(qū)使用的電路板及其電子元器件（電容、電阻、芯片等）、液晶屏宜采用戶內設置；（7）隔離開關的破冰能力要與當地的最大覆冰厚度相匹配；（8）對于凍土地帶的接地方案，應先確定凍土類型，再采取相應的措施。所提方案可為寒溫及寒冷地區(qū)鐵路牽引變電所的設計提供參考。