由恒远 邢挺 党景涛

（1．青岛特锐德电气股份有限公司 2．四川山地轨道交通技术研究院3．中国铁路青藏集团有限公司）

山地轨道交通作为综合立体交通网的延伸和补充，可以有效构建与其他交通方式的“零距离”换乘融合、运营互通，打造与其他交通方式的“一站式”体验融合，与火车站、机场、大巴车站和游客服务中心实现空间位置的融合，为旅客提供“零距离”的换乘服务。四川省结合自身省情编制了《四川省山地轨道交通规划》，规划里程数约1770km，覆盖全省山地区域范围内大部分的世界级和国家级旅游资源。在山地尤其高海拔地区建设轨道交通必然有其特殊性，比如某项目区位于横断山脉东缘，由高程600~700m的四川盆地成都平原向高程3000~5600m的青藏高原东部边缘构造强烈复合之高山峡谷带过渡区行进。地区整体海拔高度由南向北递增，随山地海拔高度变化，形成了亚热带、山地暖温带、山地中温带、高山亚寒带、高山寒带的垂直变化，因此项目在建设过程中面临海拔高、气候条件恶劣、建设场地地表起伏不平、施工难度大等困难，并且项目地处自然保护区，环境保护难度大。而常规土建变电站自然作业建设难度大，周期长，对自然环境的破坏大，因此变电站的落地较难。而预制舱变电站在建设工期、项目质量、项目管理、环境影响等方面均有明显的优势，因此，此项目选用了预制舱式变电站建设方案。本文通过对预制舱式变电站在某主所的应用方案介绍，概况地阐述了总体方案优势，并在四个方面进一步分析了预制舱变电站的技术优势，证明在恶劣自然条件下选用预制舱变电站是更优方案。

本文以山地轨道交通沿线某主所为例，总体介绍项目的建设方案。

变电站的建设规模如下。

110kV部分：2回线路变压器组接线。主变部分：2台16MVA有载调压变压器。35kV部分：单母线分段接线，4回馈出线路。无功补偿部分：采用35kV 并联电抗器补偿装置，补偿容量2×8Mvar；
采用35kV动态无功补偿装置，补偿容量2×5Mvar。接地部分：35kV侧配置2套经接地变小电阻装置。站用变：配置2台400kVA干式站用变压器。

预制舱变电站建设方案，如图1所示，变电站整站占地范围：4550m2；
站内设计环形回车道路；
站内设计820m2作为绿植景观区域；
整站采用全预制舱设计，考虑舱体顶部防雷，整站不设置独立避雷针；
设置站内监控中心，集中监控管理；
整站设备抬高地面约1.5m，预制舱外围设置巡视通道。

如图1预制舱变电站方案和图2土建站方案，预制舱变电站整体方案较传统土建方案预装站优化绿化占地820m2以上，减少站内投资概算百万左右，减少建设工期120天以上。

图1 预制舱式变电站全站布置方案

图2 土建式变电站全站布置方案

如图3预制舱变电站设计围栏外观彩绘，与周围环境协调统一，更加符合自然保护区的环境要求。

图3 预制舱整站建站效果图

总之，选用预制舱建站方案，有效解决了土建站的固有难题，实现建设过程的节能、节材、节水、节地和省时高效；
降低了土建施工中废水废物排放及扬尘、噪声污染，符合快速、环保施工建设需求[2-3]。

相较传统土建站，除了占地空间和建站周期上等总体优势外，预制舱变电站根据山地轨道交通建设的特殊环境要求，进行针对性设计，主要关键技术优势有以下几点。

2.1 防腐设计超过60年

预制舱是金属结构，因此其防腐问题一直被大家所担心，因此本项目按现场的自然环境条件，根据ISO12944.2—2017色漆和清漆－防护涂料体系对钢结构的防腐蚀保护－第2部分：环境分类[4]，预制舱的使用环境一般为C3或C4级。即，C3级：城市和工业大气，中度二氧化硫污染，低盐度的沿海地区；
本方案选择了高于环境条件的C4标准，涂层体系考虑全寿命周期60年以上，达到土建站的设计寿命。本项目涂料体系的设计，既考虑短期效益，又兼顾长期效益，以达到合理、经济、耐久的目的。涂装设计重点解决功能需求为基础，以“经济合理、长效耐久、施工可行、符合环保”为原则进行涂料体系方案的设计。作者根据多年的实践经验提出如下的涂料体系方案。

涂料体系包括锌层、底漆、中间漆和面漆。钢件采用热喷锌或热喷铝工艺进行第一步打底，这是涂层裸露后最后的抗金属氧化保护膜，是未来减少全面更换涂层的重要基础，干膜厚度不低于60μm，（也可在60~100μm间进行调整）。底漆可采用环氧富锌底漆或无机富锌底漆，干膜厚度为60μm（也可以在40~80μm间进行调整，主要根据富锌底漆的含锌比例调整）；
采用无机富锌底漆时，要求进行喷雾、全喷，避免涂层出现针孔和气泡。中间漆可以采用环氧（云铁）中间漆，具有良好的屏蔽性能，与底面漆有良好的配套性，厚度在50~200μm。面漆氟碳金属漆面漆，干膜厚度在50~80μm。总干膜厚度≥260μm。

涂层设计完后，要对涂层耐久性进行测试。依据是ISO12944.6—2018色漆和清漆－防护涂料体系对钢结构的防腐蚀保护第6部分：实验室性能测试方法[5]，其5.6测试程序和持续时间中规定：C4环境中，达到很高（VH）＞25年的指标要求，相应的测试方法是性盐雾1440h或循环老化试验1680h。

通过涂料体系设计，预制舱变电站涂层第一次维修时间就达到了25年以后，为下一步维修延续涂层寿命提供了很好的基础。

以防腐涂层耐久寿命25年为基础，使用寿命60年规划涂层的维修周期。每次重涂后耐久寿命为15年计算，预计在预制舱变电站设计服务寿命到达时需重涂3次，即在预制舱使用60年限内，分别为25年、40年和50年时各维修一次。

总之，预制舱的防腐问题得到了有效解决，预制舱变电站的定位就是“永久性建筑”。

2.2 抗震烈度满足9度

本项目地处地震较为活跃的龙山断裂带附近，而预制舱固有的特点是结构强、弹性好，因此，本项目按抗震9级烈度考虑设计并进行如下验证。抗震计算过程比较复杂，且预制舱设计过程中做过多次仿真分析，现将其中设计的简化版进行过程描述和结论汇报。相似的设计见文献[6]。

为了验证预制舱的抗震性能，对预制舱的结构进行仿真分析。如图4简化预制舱的框架结构有限元模型的网格。以抗震能力相对较弱的变压器舱进行仿真。

图4 变压器隔室的有限元网格化图

本计算采用动力时程分析法对预制舱框架结构进行抗震计算，按照中华人民共和国国家标准GB50260—2013[7]《电力设施抗震设计规范》的要求，首先确定设防烈度地震作用（0.25g）下水平向地震动输入时程。由于预制舱框架结构的水平向基本自振频率为76Hz，相应的，抗震计算分析需要输入的地震动时程也须由5个频率为76Hz的正弦共振调幅波串组成，如图5所示。

图5 正弦共振调幅波串

地震输入加速度时程按下列规定确定：

当t≥5t时，a=0

当0≤t﹤5t时，a=aSsinωt×sin（ωt/10）

式中，a为各时程的水平加速度，g；
T为体系自振周期，s；
aS为时程分析地面运动最大水平加速度，0.25g；
ω为体系自振圆频率。

实际计算采用的地震动输入正弦共振调幅波时程如图6所示。

图6 地震动输入正弦共振调幅波时程

经过仿真分析，预制舱框架结构进行设防烈度（0.25g）和罕遇烈度（0.5g）两级地震作用下的抗震计算，经计算分析，获得以下结论：

1）在相当于设防烈度的地震动作用（0.25g）下，预制舱框架结构处于安全状态，不会发生损坏，可继续使用。

2）在相当于罕遇烈度的地震动作用（0.5g）下，预制舱框架结构仍处于安全状态，不会发生损坏，可继续使用。

汶川地震后，金属结构箱式变电站几乎没有受到破坏，也从另一个角度验证了预制舱结构的抗震性能。抗震在全金属结构的预制舱设计中，只要在设计中注意结构的薄弱点进行加强，基本可以保证“大震可修”，预制舱在强度优势上远超土建站。

2.3 “集中分散”的消防设计

变电站地处环境优美的风景区，山区的防火更加关键。预制舱设计要求门板达到A级3h防火门标准，这是预制舱防火设计的前提。预装式变电站的防火设计首先选择“主动消防”方案，即方案满足消防标准要求，保证变电站内难以发生火灾。如果在主动消防无法满足或者必须要有“被动消防”的时候选择合适的灭火措施。预制舱在防火设计在主控室设置了“集中式”气体灭火消防系统，另外对关键设备也进行了针对性“分散式”消防设计。

预装式变电站防火设计首先满足GB/T17467—2020[8]的要求，外壳的整体防火性能耐火等级要达到二级以上，变电站的主要构件和防护板防火等级至少需满足A1级以上，双层保温彩钢瓦防火等级仅为B2级，不允许采用。

预装式变电站内部需采用无油化设计，防止火灾蔓延造成损失扩大。预装式变电站的隔室之间必须按GB 23864—2009[9]《防火封堵材料》相关要求设置防火封堵，因为预装式变电站通常为无人值守站，推荐封堵材料耐火时间为3h。

预制舱内各种开关柜柜体防护等级一般超过IP4X，因此全淹没灭火难以实现，因此，本文提出防火的设计方案是减少产生条件，隔绝火灾危害和采用局部应用灭火方式，即“集中为主，局灭为辅”。

大型预装式变电站防火设计推荐参考要求更高的GB50229—2019[10]《火力发电厂与变电站设计防火规范》相关要求。大型预装式变电站各个功能隔室，根据标准要求设置自动灭火系统，关键隔室二次预制舱设置全淹没灭火系统；
个别易发生火灾的单元柜，可增设小型自触发气体或气溶胶灭火装置；
另外大型预制舱式预装式变电站上下两层布置时，金属电缆井需做防火封堵或设置灭火措施。

消防方案的可靠性和免维护性决定了产品的应用难度。需要定期维护的方案很难在预制舱变电站内应用，常规的气体灭火均需高压贮存，需要定期检查气体压力；
水雾灭火需要维护水源；
而小空间的超细干粉或气溶胶灭火方式，存在误喷后的清理难度大的问题。

关于局灭方案，本文提出最优的方式是选择全氟己酮灭火装置。首先，T/CECS 10171—2022[11]《预制式全氟己酮灭火装置》正式发布，自2022年6月1日起实施。意味着全氟己酮的国产化快速替代已经开始，相应的价格会快速回归。再次，全氟己酮灭火性能优异，并可常压存储，喷后无残留。最后，常压免维护全氟己酮灭火系统具有超过10年的维护周期，尤其符合无人值守站的要求。

预装式变电站防火设计如电弧性短路，在独立采用继电保护无法满足可靠性、灵敏性和选择性时，有条件的情况下可将FAS系统（火灾报警系统）、CCTV（视频监控系统）和PSCADA系统（电力监控系统）信息联动，在高级软件中配置专家决策系统，通过软件方式强化预装式变电站的防火方案。

总之，预制舱的防火设计在传统土建站设置二次设备间隔气灭消防方案的基础上，在长达3h以上的防火隔离措施的条件下，辅助灭火性能优异的全氟己酮灭火系统，形成了更有优势的防火方案。

2.4 无避雷针的防雷设计

预制舱变电站外壳为全金属结构，是一个典型的法拉第笼结构，对于变电站来说主要是采用两种防直击雷方案，一个是设置独立避雷针防雷，一个是靠金属外壳法拉第笼等电位屏蔽防雷。根据规范要求，设置独立避雷针的集中接地极需要与变电站的接地网有一定的地中距离，显然在空间受限的情况下，预制舱变电站采用法拉第笼等电位屏蔽防雷更为合理。

根据GB/T21714.4—2015《雷电保护》第4部分建筑物内电气和电子系统中的保护[12]范围引申到预制舱变电站的结构，见图1。外部直雷击在击中预制舱外壳一点，LPZ1保护的是预制舱内部，LPZ2保护的是屏柜内部设备，各节点均设浪涌保护器。

如图7所示，当直击雷击中箱体顶盖一角，通常是这个位置，或者是箱变顶盖的某个位置后，在预制舱内LPZ1中LPZ2外最强磁场位置为屏柜后上沿，如图所示的圆点位置，磁场的磁场强度H1，根据标准：

图7 预制舱变电站雷电防护区划分

式中，dr为自动化屏柜距离屋顶最短的距离，m；
dw为自动化屏柜距离预制舱门板最短的距离，m；
I0为LPZ0（预制舱建筑等级）雷电流，A；
kh为结构系数，典型值为0.01；
wm为预制舱屏蔽网格的宽度，m。

为了效果更加明显，根据比较紧凑的预制舱方案进行计算，dr取最短的距离按常规网络机柜距离顶盖下部约0.6m；
dw取最短的距离按机柜距离预制舱后门0.1m；
I0按二级防雷建筑取150000A；
选用较为严苛的数据，wm取0.2m。计算所得H1=4243A/m。国内标准 GB 50174—2017《数据中心设计规范》[13]、YD/T 1821—2018《通信局（站）机房环境条件要求与监测方法》[14]中提出主机房内的磁场强度不应超过 800A/m。满足800A/m的情况下，需要为0.53m。预制舱柜后检修通道不低于800mm，显然满足。

预制舱无避雷针设计，选用的是共用接地系统，“是将各部分防雷装置、建筑物金属构件、低压配电保护线(PE)、等电位联结带、设备保护地、屏蔽体接地、防静电接地及接地装置等连接在一起的接地系统[15]。”

预制舱的接地分为强电接地、弱电接地、保护接地。

强电接地系统，主要是系统接地和防雷接地。系统接地，主要是变压器的中性点接地，防雷接地是避雷器接地端和预制仓外壳的接地。当预制舱变电站等电位非常完善时，高电位不会产生危害，但当等电位连接出现故障或不完善时高电位便转化成了高电压，对系统产生破坏。接地系统中通过大电流的主要是强电接地系统中的系统接地（短路电流和雷电流）和防雷接地（雷电流），因此，预制舱共用接地系统中采用的是共用接地网的多点接地，即强电的接地点与其他接地点在共用地网上的连接点应保持足够的安全距离，留出雷电流泄放和高电位衰减的空间距离，使进入其他接地系统的电位在安全电位范围内。

弱电接地主要是继电保护类信息设备接地和通讯接口的接地。由于预制舱外壳是法拉第笼结构，对于法拉第笼结构，其中部的磁场强度是最低的，而基于局部等电位的设计思想，将预制舱内的弱电接地局部设置在预制舱的中部底部区域，并通过一个点连接到共用地网的接点。

保护接地主要是柜内各个装置的等电位接地，预制舱箱体全金属结构，就近接地效果最好。绝对不能分别引至强电接地点。

总之，在全金属结构的条件下，预制舱变电站采用法拉第笼结构有效解决了直击雷的影响，在冲击接地电阻满足的条件下，采用共用接地方案，较常规土建站防雷接地设计更简洁、更方便，整站效果更美观。

变电站安全可靠性关系国计民生和能源的安全，预制舱变电站符合我国绿色环保、经济节能的政策，代表了变电站建设的发展方向。由于传统土建站在山地环境尤其是自然保护区环境落地困难，以某项目为例，预制舱针对现场环境进行针对性设计，整体方案解决了落地难的问题，同时很多关键性能也超过土建站。相信随着人们对预制舱变电站认知的提升，其必将得到更加广泛的应用。

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