基于大開間理念的220kV全戶內(nèi)變電站布置方案優(yōu)化

羌丁建 李海烽 熊 靜 陳 斌

（中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，南京 210000）

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市地區(qū)用電負荷日益增長，變電站建設越來越深入城市中心地區(qū)。如何解決變電站占地面積大、選址困難以及與城市規(guī)劃之間的矛盾，成為電力建設中的一個難題。因此，有必要針對城市變電站的優(yōu)化設計展開研究，合理優(yōu)化布置方案，充分利用有限的土地資源，滿足變電站建設與城市總體規(guī)劃的協(xié)調(diào)發(fā)展[1-2]。

傳統(tǒng)的變電站布置方案優(yōu)化研究主要立足于小型化集成化設備的選用、間隔寬度的合理壓縮、設備布置的局部優(yōu)化等[3-8]。文獻[5]通過220kV HGIS配電裝置設備布置優(yōu)化、局部雙層出線，有效減少占地面積34%。文獻[6-7]研究了集成式隔離斷路器在智能變電站中的應用，壓縮間隔縱向尺寸。文獻[8]提出了220kV GIS風帆聯(lián)合式出線型式，有效壓縮出線間隔寬度。

近年來，裝配式設計和建造技術(shù)在變電站工程中得到了較為廣泛的應用。文獻[9]介紹了上海市首座裝配式變電站。文獻[10]研究了裝配式技術(shù)在預制柱、圍墻及防火墻的應用。裝配式變電站通過工廠預制、現(xiàn)場裝配，有效提高了工程建設效率，是節(jié)約用地、集約設計和簡化施工的典型。

本文基于現(xiàn)有的裝配式技術(shù)，突破傳統(tǒng)變電站優(yōu)化設計的思路，提出基于“大開間”理念的220kV全戶內(nèi)變電站布置方案。

1 “大開間”模塊化設計理念

1.1 “大開間”理念設計構(gòu)想

“大開間”理念的設計構(gòu)想，源于對220kV戶內(nèi)變電站各級配電裝置按電壓等級和設備型式進行分層分區(qū)、科學整合的思路，實現(xiàn)了各層級配電裝置布置的功能集約化，提高了生產(chǎn)綜合樓空間的利用率。其基本思想是，將各級配電裝置、無功補償裝置、二次屏柜等進行模塊化設計、組合拼接，布置于同一“大開間”內(nèi)，實現(xiàn)共用運維通道、檢修空間，充分優(yōu)化平面、空間布置型式，從根本上減小配電裝置室的建筑面積。

1.2 工程規(guī)模及設備選型

本文“大開間”布置方案研究，基于南方電網(wǎng)標準設計[11]典型 220kV全戶內(nèi)變電站方案（CSG-220B-GN2b）展開。該方案建設規(guī)模及設備選型見表1，標準設計的平面布置及斷面分別如圖1、圖2所示。

表1 建設規(guī)模及設備選型

圖1 標準設計方案電氣平面布置圖

圖2 標準設計方案電氣斷面圖

1.3 總體設計方案

對于220kV全戶內(nèi)變電站，配電裝置的緊湊化布置是減少建筑面積以及變電站總占地面積的關(guān)鍵。本設計方案以《高壓配電裝置設計技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5352—2006）[12]相關(guān)規(guī)定為設計原則，具體如下。

1）高壓配電裝置的設計，應根據(jù)電力負荷性質(zhì)、容量、環(huán)境條件、運行維護等要求，合理選用設備和制定布置方案。在技術(shù)經(jīng)濟合理時應選用效率高、能耗小的電氣設備和材料。

2）高壓配電裝置的設計應根據(jù)工程特點、規(guī)模和發(fā)展規(guī)劃，做到遠、近期結(jié)合，以近期為主。

3）高壓配電裝置的設計必須堅持節(jié)約用地的原則。

4）配電裝置設計應重視對噪聲的控制，降低有關(guān)運行場所的連續(xù)噪聲級。

依據(jù)上述主要設計原則，并充分融合“大開間”的設計理念，形成總體設計方案，如圖3所示。

圖3 基于“大開間”理念的電氣平面布置圖

1）全站僅設置一幢單層生產(chǎn)建筑，基于模塊化裝配式理念，形成2大功能區(qū)域一級模塊（變壓器室模塊+“大開間”主設備室模塊）。

2）變壓器室模塊，包含變壓器本體、散熱器、電容器等3個二級模塊；變壓器采用一列式布置，構(gòu)成單層生產(chǎn)建筑長度方向尺寸控制因素。

3）“大開間”主設備室模塊，包含220kV GIS、110kV GIS、10kV開關(guān)柜、二次設備、電抗器、功能用房等6個二級模塊；其中，220kV及110kV GIS一列布置，位于大開間外側(cè)；10kV開關(guān)柜、二次設備雙列布置，位于大開間內(nèi)側(cè)，緊鄰變壓器室。

經(jīng)優(yōu)化，全站總建筑面積為2036m2，圍墻內(nèi)占地面積為0.477hm2，較南網(wǎng)公司標準設計方案分別減少81.4%和38.3%。此外，與標準設計方案相比，本優(yōu)化方案優(yōu)點體現(xiàn)如下。

1）由多層建筑簡化為單層建筑，適應了裝配式建筑物的建設特點及要求，有效降低土建建設成本。

2）主要電氣設備均布置于室內(nèi)一層，極大地方便了設備安裝、運行維護。

3）設備同層布置，電纜敷設路徑得以優(yōu)化，取消電纜豎井，節(jié)省大量電纜材料量。

2 “大開間”模塊化平面布置方案研究

基于“大開間”布置方案，220kV、110kV、10kV配電裝置及二次設備同層共室布置，充分合并共享各電氣設備的安裝及運維通道，通過對GIS設備不同期間隔建設的合理規(guī)劃，合理滿足各期建設的設備室內(nèi)運輸條件。

2.1 220kV GIS模塊優(yōu)化布置

1）220kV GIS間隔本體模塊尺寸確定

220kV GIS模塊優(yōu)化布置的主要影響因素包括：配電裝置規(guī)模、GIS間隔本體尺寸、運維通道尺寸要求等。為優(yōu)化GIS模塊總體尺寸，本方案擬采用小型化 GIS設備。選取國內(nèi)主要廠家進行220kV小型化GIS設備尺寸調(diào)研，結(jié)果見表2。

表2 220kV GIS尺寸調(diào)研表

綜合主要廠家的設備制造水平，選用常規(guī)小型化GIS設備。220kV GIS間隔本體模塊尺寸按2.0m×5.4m考慮。

2）220kV GIS模塊縱向尺寸確定

DL/T 5352—2006《高壓配電裝置設計技術(shù)規(guī)程》第9.3.4條規(guī)定：屋內(nèi)GIS配電裝置兩側(cè)應設置安裝檢修和巡視的通道，主通道宜靠近斷路器側(cè)，寬度宜為2～3.5m；巡視通道不應小于1m[12]。據(jù)此確定GIS模塊縱向尺寸計算如下：

式中，LZX為GIS模塊縱向尺寸；LSB為GIS間隔本體模塊縱向尺寸，取 5.4m；LXS為巡視通道寬度，取2m；LJX為檢修通道寬度，取1m；LZNG為智能匯控柜柜深及柜后維護通道尺寸，取0.8m+0.8m。

按式（1）計算得，220kV GIS模塊縱向尺寸為10m。與CSG-220B-GN2b標準設計方案220kV GIS室縱向尺寸14.5m比較，本方案220kV GIS模塊縱向尺寸優(yōu)化了4.5m。

3）220kV GIS模塊橫向尺寸確定

依據(jù) DL/T 5352—2006《高壓配電裝置設計技術(shù)規(guī)程》，確定GIS模塊橫向尺寸計算如下：

式中，LHX為GIS模塊橫向尺寸；LJG為GIS間隔本體模塊寬度，取2m；N為間隔數(shù)，取13。

按式（2）計算得，220kV GIS模塊橫向尺寸為29m。與CSG-220B-GN2b標準設計方案220kV GIS室橫向尺寸80m比較，本方案220kV GIS模塊橫向尺寸優(yōu)化了51m。

2.2 110kV GIS模塊優(yōu)化布置

1）110kV GIS間隔本體模塊尺寸確定

110kV GIS模塊優(yōu)化布置的主要影響因素與220kV GIS相同，同樣擬采用小型化GIS設備。選取國內(nèi)主要廠家進行110kV小型化GIS設備尺寸調(diào)研，結(jié)果見表3。

表3 110kV GIS尺寸調(diào)研表

綜合主要廠家的設備制造水平，并結(jié)合《國家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設備 110（66）～750kV智能變電站一次設備（2012年版）》[13]中110kV GIS的建議尺寸方案，本方案小型化110kV GIS間隔本體模塊按0.8m×4.3m考慮。

2）110kV GIS模塊縱向尺寸確定

110kV GIS模塊縱向尺寸的確定原則與計算方法同220kV GIS。按式（1）計算得，110kV GIS模塊縱向尺寸為8.9m。經(jīng)取整，本方案建議尺寸定為9m，與CSG-220B-GN2b標準設計方案110kV GIS室縱向尺寸11.5m比較，本方案110kV GIS模塊縱向尺寸優(yōu)化了2.5m。

3）110kV GIS模塊橫向尺寸確定

110kV GIS模塊橫向尺寸的確定原則與計算方法同220kV GIS。按式（2）計算得，110kV GIS模塊橫向尺寸為 23m。與 CSG-220B-GN2b標準設計方案 110kV GIS室橫向尺寸 63.5m比較，本方案110kV GIS模塊橫向尺寸優(yōu)化了40.5m。

2.3 10kV開關(guān)柜、二次設備模塊優(yōu)化布置

本設計方案10kV開關(guān)共含71面開關(guān)柜（30面饋線柜、20面電容器柜、4面電抗器柜、5面母設柜、3面接地變柜、5面主變進線柜、2面分段隔離柜及2面分段開關(guān)柜）。開關(guān)柜布置一般采用單層雙列或者單層單列布置?；凇按箝_間”的整體布局，10kV開關(guān)柜采用了單列、雙列布置相結(jié)合的方式。局部采用雙列布置形式，單列布置的開關(guān)柜與二次屏柜、接地變柜共同構(gòu)成雙列形式，總體布置緊湊合理。

2.4 “大開間”模塊組合優(yōu)化

基于上述各子模塊的優(yōu)化設計，進行“大開間”模塊組合優(yōu)化。

1）220kV GIS與110kV GIS模塊組合方式

220kV GIS模塊與110kV GIS模塊的組合方式有3種，即L型布置、平行布置及一字型布置：①考慮到4個主變室的布置形式為一字型布置，220kV GIS模塊與110kV GIS模塊采用L型布置不利于節(jié)省占地，故不采用；②平行布置方案的配電裝置室橫向尺寸為29m，縱向尺寸為17m，該布置方案存在以下缺點：一次、二次電纜交叉嚴重，與主變壓器室模塊的尺寸不匹配，配電裝置室面積不能得到充分利用；③一字型布置方案的配電裝置室橫向尺寸為42m，縱向尺寸為 10m，能實現(xiàn)功能整合，共用維護主通道或巡視通道，進一步壓縮配電裝置室橫向及縱向尺寸的大小，整個配電裝置室場地均能得到充分利用。

2）GIS模塊與開關(guān)柜模塊組合方式

經(jīng)初步整合，形成GIS與開關(guān)柜兩大組合模塊，根據(jù)其特點，應采用平行布置方案。考慮到開關(guān)柜主變進線柜需通過母線橋與主變低壓側(cè)連接，故開關(guān)柜模塊應鄰近主變壓器室布置；同時GIS模塊布置于“大開間”外側(cè)，便于220kV、110kV電纜出線。

3 “大開間”層高優(yōu)化研究

參考南方電網(wǎng)標準設計[11]、國家電網(wǎng)通用設計[13]典型方案，220kV戶內(nèi)變電站GIS室高度一般在8～10.5m，需要占據(jù)主廠房兩層高度。合理優(yōu)化 GIS室層高，充分利用GIS上方空間，對減少變電站的建筑體積、占地面積及工程投資均有著重要的意義。GIS本身為氣體絕緣設備，不必考慮外絕緣。因此，影響本方案“大開間”層高的主要因素有：①GIS設備吊裝層高；②GIS設備工頻耐壓試驗安全凈距要求。

本方案110kV及220kV GIS同室布置，因此建筑層高的受控因素主要來源于220kV GIS。本節(jié)僅針對220kV GIS作出分析。

3.1 GIS設備吊裝層高要求

1）GIS間隔高度

選取國內(nèi)主要廠家進行小型化GIS間隔高度調(diào)研，結(jié)果見表4。

綜合主要廠家的設備制造水平，本節(jié)分析 GIS間隔高度按3.8m考慮。

2）移動式GIS吊裝

通常情況下，戶內(nèi)GIS設備主要部件采用屋頂工字鋼梁懸掛電動葫蘆的移動型吊裝方式實現(xiàn)。層高要求計算如下。

表4 220kV GIS間隔高度調(diào)研表

（1）GIS設備起吊高度：3.8m（間隔高度）+1.5m（運輸小部件所需空間）=5.3m。

（2）GIS室上空安裝工字鋼梁，吊重為 5t，工字鋼梁底距GIS結(jié)構(gòu)主梁為0.6m。

（3）電動葫蘆吊鉤底距工字鋼梁底為1.8m。

綜合（1）、（2）、（3）高度要求，移動式GIS吊裝方式所需的GIS室凈高為5.3m+0.6m+1.8m=7.7m。

3）固定式GIS吊裝

固定式吊裝方式，即在設備室頂板裝設吊環(huán)，則可以不用考慮架設工字鋼梁時需要計算在內(nèi)的一些數(shù)據(jù)，從而有效降低設備間整體高度。采用吊環(huán)的吊裝方式層高計算如下。

（1）GIS設備起吊高度：3.8m+1.5m=5.3m。

（2）吊鉤的長度及頂板次梁的高度0.6m。

綜合（1）、（2）高度要求，固定式GIS吊裝方式所需的GIS室凈高為5.3m+0.6m=5.9m。

4）推薦層高

本方案推薦采用固定式GIS吊裝方式，以充分降低GIS室層高要求。考慮一定的裕度，“大開間”層高暫按6.5m考慮。

3.2 GIS設備工頻耐壓試驗安全凈距要求

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設備（GIS）在運輸和安裝過程中可能存在的自由微粒侵入、安裝工藝不良、絕緣件制造缺陷、電極表面損傷、運輸中損壞等問題都會導致絕緣缺陷。為了保證設備安全可靠運行，GIS新安裝、擴建和解體檢修部分按標準必須進行現(xiàn)場耐壓試驗。

本方案GIS均采用電纜出線形式，無架空出線套管。故現(xiàn)場耐壓試驗需要在GIS間隔電纜終端上部安裝耐壓試驗套管（一般采用空氣套管）。按此種方式進行短時工頻耐壓試驗時，需要考慮空氣套管管對設備四周墻壁及上方頂板的帶電距離（按220kV帶電部分至接地部分最小安全凈距 A1=1.8m考慮）。

常規(guī)的耐壓試驗套管布置方式如圖4所示，一般采用斜向布置方案，滿足了在與GIS設備保持合理距離的前提下，盡量降低了耐壓試驗套管帶電部分對凈高的要求。

圖4 GIS耐壓試驗套管姿態(tài)（斜向布置）

本文提出耐壓試驗套管橫向布置方案，在常規(guī)套管上加裝GIL氣管，使其橫向延伸至“大開間”中部共享運維通道，如圖5所示。橫向布置方案，充分利用了“大開間”布置型式下運維通道作為耐壓試驗的空間，有效降低層高要求。需要特別注意的是，當采用常規(guī)斜向布置方案時，試驗套管自重由其與GIS連接法蘭支撐；當采用橫向布置方案時，由于增加了GIL氣管，所以需在GIS間隔對應位置預置吊鉤，用作輔助固定試驗套管。

圖5 GIS耐壓試驗套管姿態(tài)（橫向布置）

通過上述耐壓試驗套管設計型式優(yōu)化，經(jīng)校驗，當層高取6.5m時，能夠滿足工頻耐壓試驗的最小凈距要求。

4 結(jié)論

本文提出基于“大開間”理念的220kV全戶內(nèi)變電站布置方案。全站僅設置一幢單層生產(chǎn)建筑，采用模塊化思路，形成變壓器室、“大開間”主設備室兩大模塊。各級配電裝置同層共室布置于“大開間”，合理布局，緊湊布置，共享運行維護通道，有效減少建筑面積，降低層高。經(jīng)優(yōu)化，全站總建筑面積為2036m2，圍墻內(nèi)占地面積為0.477hm2，較南網(wǎng)公司標準設計方案分別減少81.4%和38.3%。

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