全户内牵引变电所设计研究

曲衍宁

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300251)

全户内牵引变电所设计研究

曲衍宁

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300251)

为克服户外架构型敞开布置变电所占地面积大、环境适应能力差的缺点,天津和谐型大功率机车检修基地牵引变电所设计借鉴国家电网公司220 kV变电站典型设计成果,采用将变压器、高压变配电设备布置于室内的全户内设计方案。介绍全户内牵引变电所的主接线、总平面布置、继电保护等设计方案,着重介绍牵引变电专业与结构、暖通、电力、防灾等专业的接口设计内容,有助于为全户内变电所在电气化铁路中的应用积累设计经验。

全户内;牵引变电所;设计

1 概述

常规牵引变电所大都采用户外架构型敞开布置方式,即采用将牵引变压器及高压配电装置放置于户外, 27.5 kV高压室、控制室、通信机械室等布置在户内的设计模式。目前,不少牵引变电所位于城郊、开发区、城市中心地带,考虑到城市规划、环保、节约土地资源、减少日常维护工作量等各方面因素,原来的户外架构型敞开布置的变电所已经不能满足要求,放置在户外的变压器所产生的噪声及户外设备与城市景观的不协调也成为比较突出和亟待解决的问题。

从20世纪90年代开始,国内电力系统新建变电所工程,就以既满足规划和环保要求,又尽量减少征地面积为目标,逐步设计投产了各种类型的全户内型变电所,即将主变压器的主体及各级变电设备、配电装置全部布置于户内的模式,可以最大限度地缩小占地面积和空间体积,结构简凑、环境适应能力强、可免受雨雷、尘沙及盐雾等各种恶劣自然条件的影响,基本解决了上述问题。

天津和谐号大功率机车检修基地工程,位于天津市滨海新区临港工业区,牵引变电所位于检修基地内,考虑到基地整体布局、环保、节约土地资源、减少日常维护工作量等各方面因素,采用将变压器、高压设备布置于室内的全户内变电所设计方案。为节约电能,牵引变电所与电力配电所合建,共用220 kV高压电源。

2 牵引变电所设计方案

2.1 主接线

牵引变电所引入2路220 kV电源,220 kV进线侧采用线路变压器组接线型式。设置2台“V/V”接线、220/27.5 kV、(20+5)MVA牵引变压器,2台“YN, d11”接线、220/10.5 kV、25MVA电力变压器。其中2台电力变压器并列运行,2台牵引变压器1台运行, 1台固定备用。计费采用高压侧计费方式且电力、牵引负荷分别计费。

27.5 kV侧采用单母线分段接线型式。

牵引变电所主接线图见图1。

图1 牵引变电所主接线图

2.2 总平面布置

牵引变电所高压侧设备采用220 kV GIS组合电器,低压侧设备采用27.5 kV GIS开关柜,采用户内布置。设牵引变压器室、电力变压器室、220 kV GIS室、27.5 kV高压室、控制室、检修室及辅助房屋,采用平房布置;除牵引变压器、电力变压器基础外,其余房屋下方均设置敷设电力电缆用的电缆夹层。

设计时,对总平面布置进行了比选,当采用常规户外设计方案,场坪面积为120m×100m;而采用全户内设计方案,场坪面积仅为100 m×42 m,为常规户外设计的35%,考虑到变电所位于检修基地厂区内,对占地面积及与环境的协调性要求较高,因此,本项目采用了全户内布置。

牵引变电所总平面布置见图2。

图2 牵引变电所总平面布置(单位:mm)

2.3 继电保护设计

牵引变电所采用综合自动化系统,实现牵引供电系统的控制、保护及牵引供电设施运行状态的监视和报警等功能。综合自动化系统基于网络化构成,采用分层、分布式结构,继电保护及自动装置设置如下。

(1)牵引变压器设自投装置。

(2)牵引、电力变压器设重瓦斯、纵差动、低电压过电流保护、过热,动作于跳闸;设轻瓦斯、过负荷、过热发预告信号,其中电力变压器设置双套保护。

(3)牵引变电所馈线设速断、过流、高阻保护及自动重合闸装置。

根据《继电保护和安全自动装置技术规程》(GB/T14285—2006)4.3.3.3条的规定,电压为220 kV及以上的变压器装设数字式保护时,除非电量保护外,应采用双重化保护配置[1]。本次设计电力变压器保护采用了双重化保护配置,同时增加了中性点零序电流保护和中性点间隙的过流、过压保护,作为接地短路故障的后备保护。

3 接口设计

3.1 结构设计

天津和谐号大功率机车检修基地工程,位于天津市滨海新区临港工业区,广泛分布第四系冲海积松散堆积层,软土地层普遍发育,强度低、厚度大,地质条件差,牵引变电所安全等级为二级、设防烈度7度,采用框架结构、桩基。接口设计部分主要表现在以下几个方面。

(1)牵引变压器单台总质量85 t,电力变压器单台总质量62.5 t,基础设计需要与房屋结构设计统筹考虑。

(2)根据《高压配电装置设计技术规程》(DL/ T5352—2006)9.3.6条规定,屋内GIS配电装置应设置起吊设备,其容量应能满足起吊最大检修单元要求,并满足设备检修要求[2],本次设计220 kVGIS室上方需要设置安装、检修用的天车,吊钩承重能力≮80 kN。

(3)220 kV GIS室下方设置敷设电力电缆用的电缆夹层,高度3m[3,4](地上1.2 m,地下1.8 m);牵引变压器室、电力变压器室下方设储油池及主变基础,其他部分设电缆夹层,墙为防火墙,大门采用带铁丝网及百叶窗的防火门;27.5 kV高压室、控制室、检修室、10 kV高压配电室、10 kV变电室、电容器室、备品备件室及其他辅助房屋,下方设置敷设电力电缆用的电缆夹层,电缆夹层的高度2.2m(地上1.2m,地下1m),设置两处楼梯间通向电缆夹层,用于紧急情况下的人员疏散。电缆夹层内设有防护进水、排水措施,在每处电缆沟进电缆夹层处设集水井,在电缆夹层设渗水井。

(4)事故贮油池设计,根据《高压配电装置设计技术规程》(DL/T5352—2006)要求,当设置有总事故储油池时,其容量宜按最大一个油箱容量的100%确定[2],本次设计贮油池容积按能容纳单台牵引变压器100%油量设计。

(5)场坪排水:所区内应有排水措施,场地设计坡度不应小于0.5%,不宜大于6%,当土质易受冲刷时,不宜大于5%[5]。

(6)电缆沟排水:电缆沟沟壁顶面高出地面100mm,穿越道路时取消沟盖板,改为现浇电缆隧道形式,隧道顶板与路面整体浇筑。电缆沟内设缓坡利于排水,排水至集水井。

3.2 暖通设计

(1)牵引、电力变压器室

全户内变电所设计较常规户外设计的最大区别在于将变压器、高压设备布置于室内,在变电专业的设计中增加了变压器消防问题,变压器油重几十吨,消防是个非常重要的问题。根据《火力发电厂与变电所设计防火规范》(GB50229—2006)11.5.4条规定,单台容量为125MVA及以上的主变压器应设置水喷雾灭火系统、合成型泡沫喷雾系统或其他固定式灭火装置[6]。虽然本次设计变压器单台容量仅为25 MVA,但是,由于变电所位于厂区内,而且变电器为户内布置,因此,通过参考电力系统220 kV变电站典型设计,确定采取为每台变压器设置排油充氮灭火装置来解决其消防问题。

牵引、电力变压器室夏季室温不得超过40℃,相对湿度≤80%。其中,单台牵引变压器散热量≤126 kW,单台电力变压器散热量≤180 kW。除了采用带铁丝网及百叶窗的防火门自然通风外,还在每个房屋屋顶设4台轴流风机进行机械通风。

(2)220 kV GIS室

220 kV GIS组合电器采用SF6作为绝缘介质,根据《高压配电装置设计技术规程》(DL/T5352—2006) 9.3.2条规定,GIS配电装置室内低位区应配有SF6泄漏报警仪及事故排风装置[2]。为此,在每个220 kV GIS室设置可以同时检测O2和SF6浓度的气体泄漏报警装置,并为之配套低位安装的轴流风机进行机械通风。

(3)电缆夹层

电缆夹层采用自然进风,轴流风机机械通风。

(4)控制室

夏天空调制冷,冬天暖气采暖。控制室需设气体灭火装置。

3.3 交流自用电设计

全户内变电所交流所用电设计较常规户外设计,增加了变压器机械通风、220 kV GIS室天车、电缆夹层渗水井潜水排污泵等动力负荷,并且负荷用电时间比较集中,大都在夏季,在所用变压器容量的选取上要综合考虑。本工程由于牵引变电所与电力配电所合建,因此动力负荷由电力专业提供400 V电源,统一设计。

3.4 防灾设计

根据《火灾自动报警系统设计规范》(GB50116—2008)9.3.1条规定,无遮挡的大空间或有特殊要求的房间,宜选择红外光束感烟探测器;9.3.4条规定,电缆隧道、电缆竖井、电缆夹层、电缆桥架和配电装置、开关设备、变压器等场所或部位,宜选择缆式线型感温火灾探测器[7]等要求,配合防灾专业完成牵引变电所生产房屋的消防设计。

4 结论

基于全户内型变电所在缩小占地面积和空间体积、结构简凑、环境适应能力强、可免受雨雷、尘沙及盐雾等各种恶劣自然条件的影响等方面的诸多优点,在地形困难或重污秽的地区及重要城市,牵引变电所设计可以考虑采用全户内设计。在设计过程中,既要理顺本专业设计内容,又要统筹考虑与结构、暖通、电力、防灾专业的接口设计,只有这样才能让全户内变电所充分发挥其供电可靠性高、使用寿命长等优点,不断提高铁路电气化装备水平。

[1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T14285—2006 继电保护和安全自动装置技术规程[S].北京:中国标准出版社,2006.

[2] 中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T5352—2006 高压配电装置设计技术规程[S].北京:中国电力出版社,2006.

[3] 刘振亚.国家电网公司输变电工程典型设计-220 kV变电站分册[M].北京:中国电力出版社,2005.

[4] 中华人民共和国建设部.GB50217—2007 电力工程电缆设计规范[S].北京:中国计划出版社,2007.

[5] 中华人民共和国铁道部.TB10009—2005 铁路电力牵引供电设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2005.

[6] 中华人民共和国建设部.GB50229—2006 火力发电厂与变电所设计防火规范[S].北京:中国计划出版社,2006.

[7] 中华人民共和国建设部.GB50116—2008 火灾自动报警系统设计规范[S].北京:中国计划出版社,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

曲衍宁(1981—),男,工程师,2007年毕业于西南交通大学,工学硕士,E-mail:quyanning@tsdig.com。