箱式變電所——地鐵牽引變電所的新選擇
【摘要】本文通過對箱式牽引變電所性能特點的研究，結合城市軌道交通工程的實際情況，綜合比較傳統房間式變電所與箱式牽引變電所，提出地面或高架軌道交通工程采用箱式牽引變電所的建議和注意事項。
【關鍵詞】地面 高架 軌道交通工程 采用箱式牽引變電所
1前言
城市軌道交通工程投資大、工期緊、可靠性要求高。牽引變電所是軌道交通運營的動力源泉，設備種類多、數量大、相互關系復雜，除本身投資外還需要大量的土建投資。如伺控制牽引變電所及其相關土建工程的投資，如何縮短牽引變電所設備安裝、調試工期，如何提高牽引變電所的可靠性，是牽引變電所設計中需要重點解決的問題。
2 牽引變電所設置方式
牽引變電所的功能是向運行在軌道線路上的車輛供電，內部設置35kV開關柜、整流變壓器、整流器、直流開關柜、負極柜、排流柜、直流電源裝置、監控等設備，其主要功能的實現與道交通的車站無關。
牽引變電所可以設置在車站內(站內房間式)，也可以設置在車站外線路附近，當其設置在車站外時，可以采用傳統的建筑物形式(站外房間式)，也可采用箱式變電所。
箱式牽引變電所是工廠化、模塊化、標準化的牽引變電所，在車站附近的地面設置工廠預制的鋼結構箱體，牽引變電設備在箱內布置。箱體由兩層鋼板內襯絕緣層構成，具有防雨、防雪、防滲漏、防腐蝕、防塵、防鹽霧、防小動物、防盜、抗沖擊等性能，同時在箱體內設置遠動、照明、空調、消防、所用電源、通信等設施和接口設備，這些功能與鋼筋混凝土的房間式牽引變電所相當。箱式牽引變電所內設備布置緊湊，占地面積小。
3 牽引變電所模式選擇
3．1 牽引變電所模式對車站規模的影響
牽引變電所設備數量多、體積大、重量大，除設備本身占用較多的空間外，維護通道、操作通道、電纜通道和設備運輸通道也需要占用較多面積。
牽引變電所采用“房間式變電所”模式時，理想的副、面積約130平方米，采用“箱式變電所”模式時，面積約80平方米。
3．1．1 站內房間式牽引變電所對車站規模的影響
牽引變電所采用“站內房間式”時，變電所的理想面積(設備本體和操作維護通道占用面積)約需要130平方米。工程實際中，為滿足車站主體結構的受力要求，變電所內需要設置立柱、橫梁、底梁等，這些經常與變電所的設備布置和管線敷設沖突，使得變電所內總是存在一些區域，不能用于變電所生產工作但卻存在于變電所內。另外為滿足設備運輸、操作、維護的要求，變電所設備布置受到很多限制，變電所內還需要一些附加面積。所有這些使得設備平面布置設計不可能在理想面積內完成，需要增加50-90m2的面積。
車站內眾多設備房相互關系密切，不同專業的管線縱橫交錯，相互干擾，由于其他專業的原因可能增加變電所的位置和占地面積，變電所專業也可§S增加其他專業設備房的位置和占地面積。車站內由于變電所的存在，還需考慮人員進出變電所的通道、消防通道、環控設備房、氣體滅火設備房等附屬面積。
上述的附加面積使車站面積增加，嚴重時甚至使車站長度加長大幅度增大車站規模。車站規模增大，不但使占地拆遷、管線拆遷的難度增加，也使土建投資增加，而且還影響車站站位穩定，甚至引出一系列的問題。
3．1．2 站外房間式牽引變電所對車站規模的影響
牽引變電所采用“站外房間式”時，與采用“站內房間式”時相似，只是無需考慮人員進出變電所的通道、消防通道、環控設備房、氣體滅火設備房等附屬面積。由于變電所依然受到建筑結構、立柱等因素影響，變電所面積依然比“房間式變電所”的理想面積大20-40平方米。
采用此方式，可以減小車站規模，避免使車站長度加長，但由于變電所的占地面積依然比較大，依然存在較大的占地拆遷、管線拆遷困難。
3．1．3 箱式牽引變電所對車站規模的影響
牽引變電所采用“箱式變電所”時，只占用必須的空間(約80平方米)，將變電所從與車站、建筑等復雜的關系中解脫出來，與車站土建工程間只剩電力電纜、通信電纜的接口，避開了變電所與車站建筑和其他相關專業復雜的相互干擾、制約。
采用箱式牽引變電所除給變電所本身帶來諸多靈活性外，完全避免出現廢棄面積，在變電所專業能力范圍內最大限度減小車站規模。車站規模的減小使得車站選址容易、土建投資節省、拆遷工作難度減小、拆遷費用降低、車站維護費用節約。
3．2 牽引變電所模式對工期的影響
牽引變電所的如期開通是軌道交通工程如期開通的必要條件。
牽引變電所的工期包括變電所本身的設計、設備制造、設備安裝、設備調試和系統調試工期，受到建筑專業設備房的設計、施工、裝修工期的限制，還受到相關輔助系統(如環境控制、動力照明、通信、氣體滅火等)設計、施工、調試的工期限制。
對于“站內房間式牽引變電所”，在初步設計階段，變電所與諸多專業關系密切，需要多個專業經過幾輪設計配合才能夠落實車站土建平面；在施工設計階段，管線敷設位置的配合、結構板開孔也需要多專業經過多次配合，然后才能夠進行各專業施工圖的設計；在施工階段，施工的進度必須按照土建主體結構施工馬結構板開孔施工‘建筑裝修‘線路軌通當變電所設備就位安裝，變電所設備接線施工馬變電所設備單體調試馬變電所系統調試，在進行變電所設備安裝調試的過程中可以插入其他系統設備的就位安裝；另一方面牽引變電所設備的開孔等圖紙又受到設備招標時間的限制，設備專業難于向土建專業及時提供設計資料，這些具有順序要求的程序需要較長工期，且需要詳細統籌安排。
對于“站外房間式牽引變電所”，其工期的安排與“站內房間式牽引變電所”基本相似，只是減掉線路軌通的影響，也需要較長的工期。
牽引變電所設備的安裝、調試、聯調工作任務重、時間緊、難度高，使牽引變電所容易成為工程開通的桎梏。對于“箱式牽引變電所”，其工期與土建工程和其他系統專業的工期互不影響，箱體制造，設備生產和設備安裝、接線、單體調試，變電所系統調試等工作可以與土建工程并行開展，不受其他站后系統的拖累，甚至可以先于車站土建和其他系統提前開通。
3．3 牽引變電所模式與工廠化、模塊化、標準化理念
“站內房間式牽引變電所”和“站外房間式牽引變電所”由于車站位置、形狀、規模的不同，各牽引變電所的形狀、規模、設備位置、電纜路徑等迥然不同。除牽引變電所的設備和主要材料可以在工廠加工完成外，諸如設備安裝、電纜接引、設備試驗、系統調試等工作都只能在現場進行，設備工廠化的程度不高；由于各牽引變電所的設備平面布置不同，雖然牽引變電所的功能相對獨立且單一，也難于實現牽引變電所的模塊化和標準化。
“箱式牽引變電所”方案中，各變電所除地理位置和電纜進出口位置不同外，其他特征完全相同。變電所在工廠進行設備試驗、設備安裝、電纜接引、系統調試等工作，使得工廠化成為可能，將來運至現場的是成品的牽引變電所，這些完全相同的多套牽引變電所在生產時，很容易分解成若干個標準功能模塊，再通過固定的模塊拼接，制造出模塊化和標準化的“箱式牽引變電所”。
實現牽引變電所工廠化、模塊化和標準化后，能夠為工程帶來很多好處，包括：
(1)保持設備本身的可靠性：設備在潔凈的工廠環境開箱、安裝、接線、試驗、最大限度避免現場惡劣條件的影響；
(2)提高牽引變電所整體可靠性：將一些嚴格的技術工作轉化為根據一份生產圖紙進行多套標準設備制造的工廠行為，用固定的工廠工藝替代現場的安裝，減小錯誤的出現幾率；同時易于實現質量監督、檢驗和控制；
(3)運營維護簡便：運營維護人員熟悉了一個變電所，則掌握了全部變電所。
3．4 牽引變電所模式對投資的影響
牽引變電所的投資包括設備投資(含安裝、調試費用)和土建投資(含環境控制)，設備投資取決
于牽引供電系統，相對固定，土建投資取決于變電所的土建結構和面積，變化幅度較大。
根據已經竣工地面或高架工程的投資情況，房間式牽引變電所的設備及其安裝調試費用約820萬元，土建及其附屬設施的投資約120萬元，綜合投資約940萬元。
上海市莘閔線和共和新路工程的箱式牽引變電所的招標價約為100萬美元，加上運輸、安裝和基礎的費用，約折合人民幣1000萬元。
可見“箱式牽引變電所”在綜合投資方面與“房間式牽引變電所”相當。鑒于當前機電設備的采購價格不是很穩定，還與沒備采購方式有很大關系，在考慮目前“箱式牽引變電所”的供貨商較少和尚未完成國產化的因素，估計在工程中若采用箱式變電所，其投資可以控制在“房間式牽引變電所”的投資范圍內：
3．5 不同模式牽引變電所的比較
下面就牽引變電所的各個相關技術原則，對三種模式的牽引變電所進行分析、比較，參見“三種模式的牽引變電所比較表”。
牽引變電所采用何種模式由工程中的諸多因素決定，當軌道交通工程位于城市繁華區域時，一般難于在地面找到設置站外房間式牽引變電所和箱式牽引變電所的位置，而對于郊區線一般為高架或地面，由于線路附近或高架橋下存在可以利用的空間，選擇“站外房間式牽引變電所”和“箱式牽引變電所”比較合理。
表1 三模式的牽引變電所比較表
可見，綜合考慮牽引變電所的可靠性、工期影響和投資，箱式牽引變電所的優勢明顯。
4 箱式牽引變電所在國內外的應用現狀、前景
箱式牽引變電所在國外已經有廣泛的應用，如美國達拉斯地區輕軌系統、圣地亞哥地鐵系統、洛杉磯捷運局紅線一期、洛杉磯捷運局紅線二期、賓西法尼亞東南部捷運局等。另外英國、法國的電氣化鐵路系統也有大量的箱式牽引變電所在運營中。
國內已經有大量國產箱式變電所用于城市小區和礦山供電，一般在集裝箱里安裝的僅是配電變壓器及一些配套開關等主要設備，箱體結構相對簡單，功能相對單一。
香港東部鐵路和即將投人運營的西部鐵路，大量使用了箱式牽引變電所。上海市莘閔線和共和新路工程中的部分牽引變電所已經決定采用箱式變電所。
5 箱式牽引變電所的國產化
目前美國POwELL公司已經在著手將其先進的箱式變電所技術引入中國。箱式變電所的箱體并不
需要高深的科技和復雜的工藝，只有空調、防腐蝕等方面需要一些專門技術，目前我國的生產制造水平，完全具備國產化的自幼。
通過調查，“箱式牽引變電所”已經可以實現國內人民幣采購，并且國內已經有工廠著手進行箱式變電所的技術引進工作，如果國產化進程理想，工程中具有使用國產“箱式牽引變電所”的機會。
6 采用箱式變電所時需要特別注意的問題
箱式牽引變電所具有獨特的優點，在使用中需要特別注意以下問題
（1）首先落實箱式變電所的運輸，包括運輸設備、路徑、交通疏解等；
（2）落實變電所與線路間的電纜通道；
（3）牽引變電所內設備發熱量較大，需要選擇低損耗的設備，并且選擇優質的空調設備；
（4）采取切實可行的安全接地措施。
7 結束語
“箱式牽引變電所”在提高工程可靠性、節約工期和降低投資方面均有明顯的效果，建議在地面和高架的軌道交通工程中采用箱式牽引變電所。
