箱式变电所——地铁牵引变电所的新选择
【摘要】本文通过对箱式牵引变电所性能特点的研究，结合城市轨道交通工程的实际情况，综合比较传统房间式变电所与箱式牵引变电所，提出地面或高架轨道交通工程采用箱式牵引变电所的建议和注意事项。
【关键词】地面 高架 轨道交通工程 采用箱式牵引变电所
1前言
城市轨道交通工程投资大、工期紧、可靠性要求高。牵引变电所是轨道交通运营的动力源泉，设备种类多、数量大、相互关系复杂，除本身投资外还需要大量的土建投资。如伺控制牵引变电所及其相关土建工程的投资，如何缩短牵引变电所设备安装、调试工期，如何提高牵引变电所的可靠性，是牵引变电所设计中需要重点解决的问题。
2 牵引变电所设置方式
牵引变电所的功能是向运行在轨道线路上的车辆供电，内部设置35kV开关柜、整流变压器、整流器、直流开关柜、负极柜、排流柜、直流电源装置、监控等设备，其主要功能的实现与道交通的车站无关。
牵引变电所可以设置在车站内(站内房间式)，也可以设置在车站外线路附近，当其设置在车站外时，可以采用传统的建筑物形式(站外房间式)，也可采用箱式变电所。
箱式牵引变电所是工厂化、模块化、标准化的牵引变电所，在车站附近的地面设置工厂预制的钢结构箱体，牵引变电设备在箱内布置。箱体由两层钢板内衬绝缘层构成，具有防雨、防雪、防渗漏、防腐蚀、防尘、防盐雾、防小动物、防盗、抗冲击等性能，同时在箱体内设置远动、照明、空调、消防、所用电源、通信等设施和接口设备，这些功能与钢筋混凝土的房间式牵引变电所相当。箱式牵引变电所内设备布置紧凑，占地面积小。
3 牵引变电所模式选择
3．1 牵引变电所模式对车站规模的影响
牵引变电所设备数量多、体积大、重量大，除设备本身占用较多的空间外，维护通道、操作通道、电缆通道和设备运输通道也需要占用较多面积。
牵引变电所采用“房间式变电所”模式时，理想的副、面积约130平方米，采用“箱式变电所”模式时，面积约80平方米。
3．1．1 站内房间式牵引变电所对车站规模的影响
牵引变电所采用“站内房间式”时，变电所的理想面积(设备本体和操作维护通道占用面积)约需要130平方米。工程实际中，为满足车站主体结构的受力要求，变电所内需要设置立柱、横梁、底梁等，这些经常与变电所的设备布置和管线敷设冲突，使得变电所内总是存在一些区域，不能用于变电所生产工作但却存在于变电所内。另外为满足设备运输、操作、维护的要求，变电所设备布置受到很多限制，变电所内还需要一些附加面积。所有这些使得设备平面布置设计不可能在理想面积内完成，需要增加50-90m2的面积。
车站内众多设备房相互关系密切，不同专业的管线纵横交错，相互干扰，由于其他专业的原因可能增加变电所的位置和占地面积，变电所专业也可§S增加其他专业设备房的位置和占地面积。车站内由于变电所的存在，还需考虑人员进出变电所的通道、消防通道、环控设备房、气体灭火设备房等附属面积。
上述的附加面积使车站面积增加，严重时甚至使车站长度加长大幅度增大车站规模。车站规模增大，不但使占地拆迁、管线拆迁的难度增加，也使土建投资增加，而且还影响车站站位稳定，甚至引出一系列的问题。
3．1．2 站外房间式牵引变电所对车站规模的影响
牵引变电所采用“站外房间式”时，与采用“站内房间式”时相似，只是无需考虑人员进出变电所的通道、消防通道、环控设备房、气体灭火设备房等附属面积。由于变电所依然受到建筑结构、立柱等因素影响，变电所面积依然比“房间式变电所”的理想面积大20-40平方米。
采用此方式，可以减小车站规模，避免使车站长度加长，但由于变电所的占地面积依然比较大，依然存在较大的占地拆迁、管线拆迁困难。
3．1．3 箱式牵引变电所对车站规模的影响
牵引变电所采用“箱式变电所”时，只占用必须的空间(约80平方米)，将变电所从与车站、建筑等复杂的关系中解脱出来，与车站土建工程间只剩电力电缆、通信电缆的接口，避开了变电所与车站建筑和其他相关专业复杂的相互干扰、制约。
采用箱式牵引变电所除给变电所本身带来诸多灵活性外，完全避免出现废弃面积，在变电所专业能力范围内最大限度减小车站规模。车站规模的减小使得车站选址容易、土建投资节省、拆迁工作难度减小、拆迁费用降低、车站维护费用节约。
3．2 牵引变电所模式对工期的影响
牵引变电所的如期开通是轨道交通工程如期开通的必要条件。
牵引变电所的工期包括变电所本身的设计、设备制造、设备安装、设备调试和系统调试工期，受到建筑专业设备房的设计、施工、装修工期的限制，还受到相关辅助系统(如环境控制、动力照明、通信、气体灭火等)设计、施工、调试的工期限制。
对于“站内房间式牵引变电所”，在初步设计阶段，变电所与诸多专业关系密切，需要多个专业经过几轮设计配合才能够落实车站土建平面；在施工设计阶段，管线敷设位置的配合、结构板开孔也需要多专业经过多次配合，然后才能够进行各专业施工图的设计；在施工阶段，施工的进度必须按照土建主体结构施工马结构板开孔施工‘建筑装修‘线路轨通当变电所设备就位安装，变电所设备接线施工马变电所设备单体调试马变电所系统调试，在进行变电所设备安装调试的过程中可以插入其他系统设备的就位安装；另一方面牵引变电所设备的开孔等图纸又受到设备招标时间的限制，设备专业难于向土建专业及时提供设计资料，这些具有顺序要求的程序需要较长工期，且需要详细统筹安排。
对于“站外房间式牵引变电所”，其工期的安排与“站内房间式牵引变电所”基本相似，只是减掉线路轨通的影响，也需要较长的工期。
牵引变电所设备的安装、调试、联调工作任务重、时间紧、难度高，使牵引变电所容易成为工程开通的桎梏。对于“箱式牵引变电所”，其工期与土建工程和其他系统专业的工期互不影响，箱体制造，设备生产和设备安装、接线、单体调试，变电所系统调试等工作可以与土建工程并行开展，不受其他站后系统的拖累，甚至可以先于车站土建和其他系统提前开通。
3．3 牵引变电所模式与工厂化、模块化、标准化理念
“站内房间式牵引变电所”和“站外房间式牵引变电所”由于车站位置、形状、规模的不同，各牵引变电所的形状、规模、设备位置、电缆路径等迥然不同。除牵引变电所的设备和主要材料可以在工厂加工完成外，诸如设备安装、电缆接引、设备试验、系统调试等工作都只能在现场进行，设备工厂化的程度不高；由于各牵引变电所的设备平面布置不同，虽然牵引变电所的功能相对独立且单一，也难于实现牵引变电所的模块化和标准化。
“箱式牵引变电所”方案中，各变电所除地理位置和电缆进出口位置不同外，其他特征完全相同。变电所在工厂进行设备试验、设备安装、电缆接引、系统调试等工作，使得工厂化成为可能，将来运至现场的是成品的牵引变电所，这些完全相同的多套牵引变电所在生产时，很容易分解成若干个标准功能模块，再通过固定的模块拼接，制造出模块化和标准化的“箱式牵引变电所”。
实现牵引变电所工厂化、模块化和标准化后，能够为工程带来很多好处，包括：
(1)保持设备本身的可靠性：设备在洁净的工厂环境开箱、安装、接线、试验、最大限度避免现场恶劣条件的影响；
(2)提高牵引变电所整体可靠性：将一些严格的技术工作转化为根据一份生产图纸进行多套标准设备制造的工厂行为，用固定的工厂工艺替代现场的安装，减小错误的出现几率；同时易于实现质量监督、检验和控制；
(3)运营维护简便：运营维护人员熟悉了一个变电所，则掌握了全部变电所。
3．4 牵引变电所模式对投资的影响
牵引变电所的投资包括设备投资(含安装、调试费用)和土建投资(含环境控制)，设备投资取决
于牵引供电系统，相对固定，土建投资取决于变电所的土建结构和面积，变化幅度较大。
根据已经竣工地面或高架工程的投资情况，房间式牵引变电所的设备及其安装调试费用约820万元，土建及其附属设施的投资约120万元，综合投资约940万元。
上海市莘闵线和共和新路工程的箱式牵引变电所的招标价约为100万美元，加上运输、安装和基础的费用，约折合人民币1000万元。
可见“箱式牵引变电所”在综合投资方面与“房间式牵引变电所”相当。鉴于当前机电设备的采购价格不是很稳定，还与没备采购方式有很大关系，在考虑目前“箱式牵引变电所”的供货商较少和尚未完成国产化的因素，估计在工程中若采用箱式变电所，其投资可以控制在“房间式牵引变电所”的投资范围内：
3．5 不同模式牵引变电所的比较
下面就牵引变电所的各个相关技术原则，对三种模式的牵引变电所进行分析、比较，参见“三种模式的牵引变电所比较表”。
牵引变电所采用何种模式由工程中的诸多因素决定，当轨道交通工程位于城市繁华区域时，一般难于在地面找到设置站外房间式牵引变电所和箱式牵引变电所的位置，而对于郊区线一般为高架或地面，由于线路附近或高架桥下存在可以利用的空间，选择“站外房间式牵引变电所”和“箱式牵引变电所”比较合理。
表1 三模式的牵引变电所比较表
可见，综合考虑牵引变电所的可靠性、工期影响和投资，箱式牵引变电所的优势明显。
4 箱式牵引变电所在国内外的应用现状、前景
箱式牵引变电所在国外已经有广泛的应用，如美国达拉斯地区轻轨系统、圣地亚哥地铁系统、洛杉矶捷运局红线一期、洛杉矶捷运局红线二期、宾西法尼亚东南部捷运局等。另外英国、法国的电气化铁路系统也有大量的箱式牵引变电所在运营中。
国内已经有大量国产箱式变电所用于城市小区和矿山供电，一般在集装箱里安装的仅是配电变压器及一些配套开关等主要设备，箱体结构相对简单，功能相对单一。
香港东部铁路和即将投人运营的西部铁路，大量使用了箱式牵引变电所。上海市莘闵线和共和新路工程中的部分牵引变电所已经决定采用箱式变电所。
5 箱式牵引变电所的国产化
目前美国POwELL公司已经在着手将其先进的箱式变电所技术引入中国。箱式变电所的箱体并不
需要高深的科技和复杂的工艺，只有空调、防腐蚀等方面需要一些专门技术，目前我国的生产制造水平，完全具备国产化的自幼。
通过调查，“箱式牵引变电所”已经可以实现国内人民币采购，并且国内已经有工厂着手进行箱式变电所的技术引进工作，如果国产化进程理想，工程中具有使用国产“箱式牵引变电所”的机会。
6 采用箱式变电所时需要特别注意的问题
箱式牵引变电所具有独特的优点，在使用中需要特别注意以下问题
（1）首先落实箱式变电所的运输，包括运输设备、路径、交通疏解等；
（2）落实变电所与线路间的电缆通道；
（3）牵引变电所内设备发热量较大，需要选择低损耗的设备，并且选择优质的空调设备；
（4）采取切实可行的安全接地措施。
7 结束语
“箱式牵引变电所”在提高工程可靠性、节约工期和降低投资方面均有明显的效果，建议在地面和高架的轨道交通工程中采用箱式牵引变电所。
