寒溫及寒冷地區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］，而寒溫及寒冷地區占國土面積近一半。寒溫及寒冷地區氣候條件較惡劣，此地區牽引變電所常出現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鐵路牽引變電所設計經常出現的問題進行分析。

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的首要特點，溫度低還會引起該地區覆冰厚、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 寒溫及寒冷地區對牽引變電所的影響分析

寒溫及寒冷地區具有溫度低、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 引發物質的形態變化，導致功能喪失

（1）變壓器油在低溫環境下會發生凝固，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的壓力值。曲線右邊為氣態區，中間為液態區，左邊為固態區。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，在低溫環境下會發生液化，導致其失去應有的絕緣、滅弧作用。

圖1 SF6三態圖［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。如果環境溫度最低為-30 ℃，則工作壓力大于0.5 MPa 時SF6就會發生液化。

2）SF6電氣設備的氣體額定壓力也不能選得太低。因為環境溫度下降時，壓力也會更低，這時會發生不經液化而直接凝華成固態的情況［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低溫［1］時的環境溫度，此環境下的SF6氣體易發生液化。

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，當環境溫度低于材料玻璃化溫度時，其力學性能降低，出現發硬發脆的現象。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氧樹脂，在低溫環境下容易誘發內部的應力增大而發生開裂，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，從韌性狀態變為脆性狀態。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，低溫環境下，超出其工作溫度范圍時，可能會發生顯示異常、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。出現這種現象的原因在于，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水的電阻率。

3 寒溫及寒冷地區牽引變電所設計方案

3.1 溫度低引起物質形態變化的解決辦法

對于溫度低引起物質的形態變化，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，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境下發生液化。

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，可采用提高環氧樹脂韌性或降低環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的接觸網開關控制站，之前采用光纖監控方案的接觸網電動隔離開關出現了大量誤動，現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，需先區分凍土的類型，分辨出是永凍土還是季節凍土；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

（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 在季節凍土地區

（1）當季節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點布置短垂直接地極，其長度宜深入季節高電阻率層下面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、護套層選型要與環境溫度相匹配；（4）寒溫及寒冷地區使用的干式電壓互感器、電流互感器中的環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境下具備良好的塑性和韌性；（6）在寒溫及寒冷地區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鐵路牽引變電所的設計提供參考。