地下牵引变电所主变压器的选型

李晨琨，黄 维，王 林

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063）

0 引 言

当前城市交通设施发展突飞猛进，城际铁路项目不断增加，越来越多的牵引变电所需要设置在市区。地下变电站具备对城市环境影响较小、能综合利用土地资源等特殊优势[1]。由于地下牵引变电所的特殊布置形式，其设备的要求有别于一般牵引所亭。牵引变压器作为牵引变电所的核心设备，其选型需考虑防火、环保、成本等多方面因素，传统矿物油油浸变压器往往无法满足建设需求。

本文针对地下牵引变电所主变压器的设备特点进行分析，对标铁路及电力系统各类规范，梳理了当前市场上不同类型的牵引变压器，总结归纳其优缺点，并结合铁路实际建设需求给出选型思路和结论。

1 地下变电所采用传统油浸式变压器的局限性

当前，铁路牵引变电所的主变压器通常选用传统的油浸式变压器，但根据规范要求，地下牵引变电所若采用油浸式变压器，在设计上会面临诸多限制。

1.1 火灾危险性等级分类

地下牵引变电所若采用传统油浸式牵引变压器，常规矿物油的闪点为165 ℃，采用阻燃型绝缘冷却油闪点可达320 ℃。但矿物油燃点较低，如果温度达到了400 ℃，那么变压器内绝缘油就会被大量的分解，形成了甲烷、氢等易燃气体，很可能引起火灾[2]。火灾危险性等级对标如表1所示[3-6]。

表1 火灾危险性等级对标

根据建筑、电力、铁路多个行业相关或相近规范要求，当地下牵引变电所采用油浸式变压器布置时，其火灾危险性分类应属于丙类。

1.2 地下变电所与车站联合建设的限制

实际工程中，地下变电所与车站或其他建筑联合建设的需求很高。变电所设置在地下的主要原因之一是征地困难，通过与车站或其他建筑联合建设可进一步减小征地难度。

铁路车站属于人员密集的交通公共建筑，是民用建筑的一种；地下牵引变电所若采用油浸式变压器，其容量通常远大于1 260 kV·A。结合以上情况与以下规范对标，如表2所示[3，7-9]。

根据建筑、电力、铁路多个行业相关或相近规范要求，地下牵引变电所若采用油浸式变压器，不应与车站或其他人员密集的民用建筑合建。

1.3 安全疏散要求

安全疏散规定对所内至安全出口的直线距离有要求，对安全出口位置及个数、变电所房屋设计均有限制，如表3所示。

地下牵引变电所若采用油浸式变压器，其所内至安全出口的直线距离为30 m。

2 地下变电所牵引变压器选型

根据表1、表2、表3可知，若牵引变压器火灾危险性为丁类，变电所就可以与车站或其他人员密集的民用建筑合建，且消防、疏散等要求也会相应降低。参考电力行业，目前得到广泛工程应用且能够满足火灾危险性为丁类要求的变压器，只有SF6气体绝缘电力变压器（Gas Insulated Transformer，GIT）。GIT主要应用在110 kV（66 kV）电压等级。另外还有两种火灾危险性为丁类的绝缘型式变压器，均处于试用和研发阶段，分别是蒸发冷却电力变压器和环氧树脂浇注干式变压器。难燃油变压器也是现阶段的一个研发热点。然而其火灾危险性能否划分为丁类，还有待防火设计规范或消防部门的认定[10]。

表2 与民用建筑合建要求对标

表3 与安全疏散要求对标

2.1 SF6 气体绝缘变压器

SF6气体绝缘变压器是以SF6气体作为绝缘和冷却介质，替代传统油浸式变压器的变压器油。SF6气体绝缘变压器具有如下特点。

（1）不燃不爆，安全性高。SF6气体是一种惰性气体，具有无毒、不燃不爆、无气味、无腐蚀性，同时绝缘性能杰出。

（2）成本较高。SF6气体绝缘变压器气箱工艺要求较高，变压器成本较大。

2.2 蒸发冷却电力变压器

蒸发冷却电力变压器是用一种不燃环保的新型液态绝缘材料作为绝缘冷却介质，并通过介质自身气液相变对器身进行高效冷却的一种新型变压器。蒸发冷却电力变压器具有如下特点。

（1）防火防爆，安全性高。氟碳绝缘冷却液具有不燃、无毒、易于相变、黏度低、流动性强等特点。

（2）冷却性能好。蒸发冷却电力变压器利用冷却介质的汽化潜热来吸收传递热量，达到迅速、高效冷却的目的。

（3）成本较高。蒸发冷却电力变压器采用的氟碳绝缘冷却液制作费用高昂，且消耗较快，变压器整体成本较大。

2.3 环氧树脂浇注干式变压器

环氧树脂干式变压器是一种将环氧树脂作为绝缘材料、采用空气循环进行冷却的变压器，具有如下特点。

（1）防火防爆，安全性高。环氧树脂具有难燃、阻燃的特点，防火防爆性能高。

（2）成本较低。干式变压器生产技术成熟，安装简便，运行成本低。

（3）电压等级和容量较小。一般应用于实际工程的干式变压器最高电压为35 kV，最高容量为10 MV·A。

2.4 难燃油变压器

难燃油变压器是一种采用难燃油作为冷却绝缘介质的变压器。通常变压器油分为矿物变压器油、硅油变压器油、天然酯变压器油以及合成酯变压器油。矿物变压器油的燃点一般低于140 ℃，硅油、天然酯、合成酯变压器油的燃点一般超过300 ℃，后三者属于难燃油。其中硅油不适用于35 kV以上电压等级的变压器，合成酯成本较高，因此天然酯油变压器往往是难燃油变压器的首选，具有如下特点。

（1）防火防爆，安全性高。天然酯油燃点和闪点均在300 ℃以上，具有自熄性。

（2）成本较低。天然酯油可从农产品中获得，渠道成熟，价格低廉。

（3）电压等级和容量合适。国内已制造出电压等级110 kV、容量50 MV·A的牵引变压器，并在铁路项目中投运；目前已制造的天然酯油变压器电压等级最高为420 kV，容量最高为300 MV·A。

（4）环保性高。天然酯绝缘油由生物原料制造、可降解，绿色环保。

3 地下变电所牵引变压器对比

氟碳蒸发液浸式变压器造价高，且技术尚未成熟；干式变压器目前主要用于10 kV、35 kV配电变压器，电压等级和容量都不满足铁路牵引变电所要求；天然酯绝缘油变压器和SF6气体绝缘变压器均有在工程中应用的范例，对这两种变压器以及传统油浸式变压器的具体比较如表4所示。

表4 变压器特性对比

综合比较，天然酯绝缘牵引变压器各项性能基本满足地下变电所要求，且其主要绝缘材料、组件、制造与常规矿物油变压器基本一致，成本比SF6气体绝缘变压器小很多；另外，从环保型、安全性、占地空间角度考虑，天然酯绝缘牵引变压器也比SF6气体绝缘变压器更具优势。因此目前地下牵引变电所牵引变压器的选型优先推荐天然酯绝缘牵引变压器。

4 结 论

（1）地下牵引变电所若采用油浸式变压器，存在诸多限制：一是其火灾危险性分类属于丙类，存在一定火灾隐患，消防要求较高；二是无法与车站或其他人员密集的民用建筑合建，选址条件严苛，征地隐性成本大；三是所内至安全出口的直线距离偏近，对变电所大小及安全出口布置有一定限制；四是矿物油作为石化产品难以降解，环保性不强。

（2）消防等级较高的变压器有SF6气体绝缘变压器、蒸发冷却电力变压器、环氧树脂浇注干式变压器以及难燃油变压器。SF6气体绝缘变压器、蒸发冷却电力变压器成本较高，环氧树脂浇注干式变压器电压等级和容量偏小，天然酯油变压器作为难燃油变压器的首选最适合作为地下牵引变电所的主变压器。

考虑成本、容量等各方面因素，天然酯油变压器应为当前大部分地下牵引变电所主变选型的最佳方案之一。