城轨牵引供电预制舱设计方案内容探讨

石金石

（中铁建电气化局，北京 100000）

城市轨道交通作为现代城市交通的重要组成部分，对于城市的发展和居民的出行质量起着至关重要的作用。牵引供电系统是城市轨道交通运行的核心，其安全、可靠、高效的供电能力对于保障城市轨道交通正常运行不可或缺。在众多牵引供电方案中，预制舱技术作为一种主流方案已经广泛应用于有轨电车、磁悬浮、跨坐式单轨、智轨等。变电站的预制舱技术具有集成度高、占地面积小、施工周期短等优点，不仅提高了供电系统的效率和可靠性，还为城市轨道交通的发展带来了新的机遇[1]。随着预制舱技术的不断应用和推广，相关设计理念也得到优化。经过运营单位的反馈和实际运行经验的积累，变电站的结构、设备配置、运行方式等方面得到了不断优化，供电系统的可靠性和经济性逐渐提高。然而，在预制舱技术实际应用过程中也出现了一些工艺和细节上的问题，影响了其性能的发挥和使用的便捷性。因此，文章剖析我国当前预制舱牵引供电现状，提出若干改进建议，以期提升预制舱变电站的性能和可靠性，为城市轨道交通的发展提供有力支持。

1 城轨牵引供电预制舱应用中存在的问题

1.1 安全性

安全性是城轨牵引供电预制舱应用中的一个重要关注点。如果预制舱箱体宽体结构设计不合理或者材料选择不当，可能降低箱体强度，容易发生结构失稳、抗风压能力不足等问题。同时，箱体宽体设计通常涉及更多的电气设备和元件，如变压器、开关设备等。这些设备在运行过程中可能产生电弧、过热和电击等危险，需要特别注意绝缘、接地和漏电保护等措施，避免触电和其他电气安全事故的发生。

1.2 应用便捷性

城市轨道交通系统中，预制舱内电源设备和负载设备直接连接到母排上。电缆接头和连接器数量较多，导致布线复杂，增加了安装的复杂性和困难度，并对维护和排障工作提出了更高的要求。在系统出现故障时，由于电源设备和负载设备的一次连接均采用母排，故障可能会传递，增加故障定位和隔离的难度。

1.3 维护方便性

预制舱外观喷绘容易受风、雨、紫外线等外界因素的影响。长期暴露在恶劣的气候条件下，喷绘图案可能会褪色、起泡或被刮伤，从而影响整体的外观效果。同时，清洁喷绘图案会使用特殊清洁剂和方法，确保图案的完整性，进一步增加了喷绘维护的工作量和成本。

2 城轨牵引供电预制舱优化设计

2.1 箱体宽体设计

预制舱变电站结构设计主要遵循国家标准《高压/低压预装式变电站》（GB/T 17467—2020）。关于内部空间对检修通道的要求，标准规定操作通道预装式变电站内部的操作通道应便于进行各类操作和维护，通道宽度应不小于800 mm；任一开启的固定位置的门或开关设备和控制设备突出的机械传动装置，不应使通道宽度减少至500 mm 以下[2]。因此，传统预装式变电站的尺寸基本受高速路收费站限制，通常控制在3.2 ～3.6 m，这是由于预制舱顶盖尺寸增加后达到了4 m的极限。传统的预制舱变电站的箱体设计较为紧凑，导致内部空间有限，不利于设备的安装和维护。《高速公路收费站及收费广场设计规范》中规定：收费车道的标准宽度为3.2 m，条件限制时可采用3.0 m；最外侧的通道作为超大型车辆的通道，其标准宽度为4.5 m，条件限制时可采用4.0 m[3]。在4 m 的限宽条件下，若预制舱内安装1.6 m 深的直流开关柜，手车拉出1 m，拉出手车后满足500 mm 操作空间，净空间已达3.1 m，如图1 所示。因此，预制舱宽度基本设计为3.4 ～4.0 m。然而，在运维过程中发现，对于供电可靠性要求极高的城市轨道交通供电系统，其可检修时间主要在22：30 至次日4：00。若内部检修空间狭窄，夜间施工难度较大，人员和设备难以展开。因此，设计中存在运输宽度和检修空间的矛盾。

为了解决上述问题，提出箱体宽体设计的思路。综合考虑安全可靠性是城市轨道交通的第一需求，建议采用加宽检修走廊设计的方案。通过将箱体的宽度增加一定比例，提供更加充足的空间，使设备布局更加合理，方便安装和维护。参照预制舱结构思路，将预制舱结构宽度改为5.4 m 以上，增设两个检修走廊，如图2 所示。5.4 m 宽度方向可采用纵切拼装方式实现。虽然现场安装工作量增加，但是扩大宽度设计能更好地满足设备安装、检修和维护需求，提升城市轨道交通供电系统的稳定性和可靠性，也更符合现代城市美观和舒适的需求。

图2 5 400 mm 宽项目布置方案

2.2 直流系统一次连接母排设计

城市轨道交通系统中的直流设备一次关系连接复杂，且不同设备间不兼容铜排连接，通常一次电缆连接需要100 ～200 根大容量直流电缆，不仅使得成本增加，而且给防火安全带来了潜在的隐患，尤其是电缆夹层内危害更大[4-5]。为了解决这一问题，建议在适当的条件下，使用铜排母线实现柜间的电连接。

采用铜排母线连接具有5 点优势。第一，负载能力强。与具有较厚绝缘层的电缆相比，尤其是地铁直流电缆，裸铜排具有更强的负载能力。第二，母线槽的热量释放可视。通过红外热成像可以快速判断系统过载的情况。第三，具有天然的防火优势。尽管城轨系统已经基本采用了阻燃电缆，但大量电缆的相互影响仍然可能导致事故扩大，带来更大的损失。而铜排母线具备天然的防火性，可以防止火灾事故扩大。第四，使用寿命长。铜排母线的使用寿命在50 年以上，而电缆的使用寿命仅为20 ～30 年，可见铜排母线在长期使用中更具优势。第五，安装维护方便。铜排的连接方式相对简单，便于连接和拆卸。相比之下，电缆的铺设和连接较为复杂，需要专业技术人员进行电缆终端加工等操作。

然而，采用铜排连接也存在一定的劣势。例如：铜排结构要求相邻设备满足连接条件，兼容性较差。在预制舱设计前期，需要对各厂家的结构进行详细分析，确保母排的安全通过，同时满足安装强度要求。这需要设计人员综合掌握电力系统和开关柜知识，且设计难度较大。

在某项目中，整流变压器与整流器之间采用了部分铜排连接结构，在直流进线柜与整流器之间采用母排连接。这种设计使得整体项目预制舱内的电缆用量减少1/2 以上，证明了铜排连接在减少电缆用量和提高效率方面的优势。总之，铜排连接在减少电缆用量和提高系统效率方面具有显著优势，应用前景广阔。通过优化铜排连接的设计、选材和应用，可以降低项目成本，提升设备的可靠性和稳定性。

2.3 箱体外观装饰贴花工艺

预制舱变电站的箱体外观质量对于整个设备的美观度和防护能力具有重要影响。城市轨道交通作为一座城市的标志性工程，通常置于道路两侧或中央。为了使其与城市整体形象更加协调一致，预制舱外观采用喷绘图案进行美化，已广泛应用于实际场景。一个独特、美观的预制舱外观设计不仅能够提升城市形象，还能够彰显城市的文化底蕴和特色。

然而，喷绘涂料的颜色耐久力差，寿命只有5 ～7 年。超期服役后，喷绘会出现掉色甚至脱落现象，而全面更换喷绘，周期较长。由于黏胶工艺水平的提高，传统短寿命的贴花工艺同样可以做到5 ～7 年的使用寿命，且贴花到期后拆除方便并更新迅速。

相比之下，喷绘的特点是可以提供一种整体的美学效果，但其寿命限制和更换成本较高。因此，在选择美化方案时，考虑成本、效果、使用寿命以及更换成本等多个因素，可以使贴花方案更具优势。首先，贴花能够提供更灵活多变的选择。使用不同的贴花材料和设计元素可以轻松创造独特且多样的外观效果，为预制舱变电站增添个性化的魅力。其次，贴花方案更加环保。随着社会对环境保护的日益重视，选择环保的美化方案已经成为一种趋势。贴花使用可回收再利用材料，符合可持续发展的要求。相比之下，喷绘所使用的涂料和溶剂可能会对环境造成一定的污染。同时，贴花方案的废弃物较少，不会产生过多的垃圾，从而减轻了对环境的压力。最后，贴花方案的安装和维护过程相对简单便捷。贴花作为一种预制材料，只需将贴花直接粘贴在预制舱的表面即可完成安装，简化施工步骤，可进一步缩短美化工作时间，降低施工难度和成本。贴花的维护也相对简单，若出现损坏或老化，只需局部更换即可，降低了维护和修复频率。

3 结语

对城轨供电系统中的预制舱设计进行详细探讨，从预制舱宽度、直流系统一次连接母排设计以及箱体外观装饰贴花工艺等方面进行分析和建议。通过优化设计，可以更好地满足城市轨道交通供电系统的安全可靠性需求，提高系统效率，减少电缆用量，降低成本，同时提升城市形象。在未来的城轨项目中，应该根据具体需求和实际情况，综合考虑各种因素，进行更详细和深入的设计和规划。