預(yù)制艙式變電站設(shè)計及應(yīng)用探索

蔡晶，許成昊，林清如，劉石，冉旺，許志恒，張程嘉，周燦煌，趙芳菲

(1.廣東電網(wǎng)發(fā)展研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510080； 2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，廣東 廣州 510080； 3.廣東電科院能源技術(shù)有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510080)

新時期國家提出“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型、工業(yè)化”的建設(shè)要求。電力工業(yè)作為國民經(jīng)濟的重要基礎(chǔ)行業(yè)，在電網(wǎng)輸、變、配、用電相關(guān)領(lǐng)域全面開展技術(shù)創(chuàng)新研究探索工作，能夠更好地促進我國現(xiàn)代化智能電網(wǎng)的構(gòu)建[1-9]。預(yù)制艙式變電站作為一種新型智能變電站建設(shè)模式[10]，將模塊化與一體化的理念相結(jié)合，實現(xiàn)設(shè)備集成化、整體模塊化、預(yù)制工廠化、系統(tǒng)整合化，具有環(huán)保、節(jié)能、高效、經(jīng)濟等優(yōu)點[11]。開展預(yù)制艙領(lǐng)域的研究工作，對于加快打造安全、可靠、綠色、高效的現(xiàn)代化電網(wǎng)具有積極的現(xiàn)實意義[12-13]。

關(guān)于預(yù)制艙式變電站的研究與應(yīng)用，國外可追溯到20世紀60年代歐美使用的戶外成套變電所裝置。目前，預(yù)制艙技術(shù)在歐美、中東及澳大利亞等地得到了較多的應(yīng)用[14]。國內(nèi)則是在20世紀90年代開始使用早期的預(yù)制艙式變電站——簡易箱式變電站。憑借著“標準化設(shè)計、工廠化加工、裝配式建設(shè)”的優(yōu)勢，預(yù)制艙技術(shù)已廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)、新能源、工礦、鐵路、軍工、海洋開發(fā)等多領(lǐng)域[15-19]，該建造模式在國內(nèi)220 kV及以下電壓等級變電站建設(shè)中取得了長足發(fā)展。據(jù)行業(yè)相關(guān)資料不完全統(tǒng)計，近10年以來國內(nèi)共建設(shè)35～220 kV不同電壓等級預(yù)制艙式變電站600余座，在南方電網(wǎng)和國家電網(wǎng)取得了一定程度的推廣[20-23]。

隨著“十三五”期間智能電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃的不斷推進[24-25]，中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司積極推廣“新設(shè)備、新材料、新技術(shù)、新工藝”應(yīng)用，持續(xù)不斷加大科技創(chuàng)新及成果轉(zhuǎn)化力度，全面推動智能電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)，于2018年提出了預(yù)制艙式變電站建設(shè)試點方案，從2019年起正式開展示范工程的建設(shè)工作，致力于推動“安全可靠、運行靈活、維護簡便、節(jié)能環(huán)?！彪娋W(wǎng)建設(shè)目標的實現(xiàn)[26]。

1 預(yù)制艙式變電站的結(jié)構(gòu)組成及優(yōu)點

預(yù)制艙式變電站技術(shù)是將變電站電氣系統(tǒng)中的主要設(shè)備，包括變壓器、氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(gas insulated switchgear，GIS)、二次設(shè)備、無功補償、接地變壓器(以下簡稱“接地變”)等，在工廠內(nèi)完成相關(guān)配線、調(diào)試，然后將各模塊作為一個整體裝入預(yù)制艙內(nèi)，通過物流運輸至工程現(xiàn)場進行拼接。預(yù)制艙式變電站是預(yù)制艙理念在電力工程領(lǐng)域的延伸與拓展，目前主要適用于35 kV、110 kV、220 kV等電壓等級變電站的建設(shè)[27]。

1.1 艙體結(jié)構(gòu)及組成模塊

預(yù)制艙式變電站多為無人值守變電站，預(yù)制艙各模塊外形類似集裝箱，艙體主框架結(jié)構(gòu)使用型鋼和冷軋鋼板進行一體式焊裝，艙體外殼由內(nèi)外兩層厚冷軋鋼板組成，內(nèi)部填注保溫材料，內(nèi)襯防火消音材料層，按丙類一級耐火3 h設(shè)計，艙體尺寸則由設(shè)備大小及排列方式?jīng)Q定。

以特銳德電氣公司2018年研制的新一代110 kV預(yù)制艙智能變電站為例，依照功能分區(qū)布置可將其分為6個主要模塊(見表1)，圖1為效果圖。

1.2 預(yù)制艙式變電站建設(shè)優(yōu)點

預(yù)制艙式變電站具有如下特點[28-30]：

a)占地規(guī)模小。艙體與設(shè)備采用一體化設(shè)計與安裝，預(yù)制艙尺寸緊湊，可有效減少占地面積。相對于傳統(tǒng)變電站，預(yù)制艙式變電站占地面積和高度可減少20%～30%，空間占用率顯著降低。

表1 預(yù)制艙模塊組成

圖1 國家電網(wǎng)公司110 kV新一代智能變電站效果圖

b)模塊布置靈活。依托于“立體建站”的布局方式，可根據(jù)地形的不同，對各模塊進行靈活配置和布置。以地形復(fù)雜的山區(qū)為例，常規(guī)建站模式需鋪整出足夠的場地進行建站，而模塊化平面布置方案則可采用一字型、L型等方案，豎向布置則可采用平鋪型及疊裝型等多種方案來適應(yīng)場地需求。

c)建造流程簡化。預(yù)制艙式變電站建設(shè)將傳統(tǒng)的整站建設(shè)過程簡化為：土建施工與工廠化生產(chǎn)并行、公路運輸、現(xiàn)場裝配、驗收投運4個階段，改變了傳統(tǒng)工序中土建，設(shè)備安裝調(diào)試，一、二次聯(lián)調(diào)的施工順序，減少了工程步驟，大大縮短了變電站的建設(shè)周期。常規(guī)變電站與預(yù)制艙式變電站的建設(shè)流程分別如圖2、圖3所示。

由圖2、圖3可知：預(yù)制艙式變電站的建設(shè)將一、二次設(shè)備的建設(shè)工作并行開展，預(yù)制艙式變電

圖2 傳統(tǒng)變電站建造流程

圖3 預(yù)制艙式變電站建造流程

站在土建現(xiàn)場進行一次設(shè)備的安裝建設(shè)時，二次設(shè)備同步在廠家內(nèi)進行模塊化的設(shè)計與安裝，二次設(shè)備在廠家的建設(shè)工作完成后，采用預(yù)制艙體進行封裝，然后運送至土建現(xiàn)場與一次設(shè)備直接對接，從而縮短了建設(shè)周期。

2 標準制定現(xiàn)狀及主要技術(shù)要求

2.1 相關(guān)標準制定現(xiàn)狀

目前，預(yù)制艙式智能變電站的建設(shè)規(guī)范工作正有序開展[31]。相關(guān)部門在2014年制訂了Q/GDW 11157—2014《預(yù)制艙式二次組合設(shè)備技術(shù)規(guī)范》。此外，《主變預(yù)制艙通用設(shè)備技術(shù)規(guī)范》《預(yù)制艙通用設(shè)備技術(shù)規(guī)范》《開關(guān)柜預(yù)制艙通用設(shè)備技術(shù)規(guī)范》《無功補償設(shè)備預(yù)制艙通用設(shè)備技術(shù)規(guī)范》《接地變及消弧線圈預(yù)制艙通用設(shè)備技術(shù)規(guī)范》和《變電站輔助預(yù)制艙通用設(shè)備技術(shù)規(guī)范》等技術(shù)規(guī)范也正在由相關(guān)部門協(xié)同制訂中。

2.2 預(yù)制艙設(shè)計主要技術(shù)要求

a)主體設(shè)備滿足使用年限要求，主要設(shè)備艙結(jié)構(gòu)的抗震性、抗沉陷性、防腐性、耐火性應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范的建設(shè)要求，應(yīng)保證具備不少于50 a設(shè)計使用壽命。

b)站區(qū)、功能分區(qū)及艙體的外形規(guī)整美觀，功能分區(qū)內(nèi)各項設(shè)施的布置緊湊、合理，能滿足遠期工程合理銜接。

c)站區(qū)總平面設(shè)計應(yīng)充分利用場地和工程地質(zhì)等環(huán)境條件，合理布置建筑物和有關(guān)設(shè)施，并與周邊的空間景觀相協(xié)調(diào)。

d)考慮不同地區(qū)水文氣象條件，有效應(yīng)對極端氣候條件的影響。高寒地區(qū)艙體建設(shè)應(yīng)滿足相應(yīng)的抗凍防災(zāi)要求，減少艙體內(nèi)外熱傳導(dǎo)；沿海多臺風(fēng)地區(qū)的艙體建造應(yīng)滿足相應(yīng)的抗風(fēng)強度要求。

e)艙體設(shè)備滿足工廠化生產(chǎn)和現(xiàn)場預(yù)裝化建造的要求，變電站圍墻、防火墻和電纜溝等配套采用裝配式建筑物的建造模式進行建設(shè)。

f)采用一體化設(shè)計與安裝，實現(xiàn)系統(tǒng)高度集成，確保現(xiàn)場建造作業(yè)安全、便捷、高效，滿足綠色環(huán)保要求。

g)艙內(nèi)宜采用智能環(huán)境控制技術(shù)，最大程度地實現(xiàn)節(jié)能減耗。

h)艙體應(yīng)具備良好的保溫及隔熱性能，艙內(nèi)通風(fēng)、照明、消防、安防必須符合變電站相關(guān)規(guī)范及標準。

i)預(yù)制艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)考慮日常維護及遠期擴容的便捷性，實現(xiàn)智能運維管理。

j)預(yù)制艙設(shè)備宜采用“四新”技術(shù)，形成行業(yè)標準化生產(chǎn)工藝體系，進一步降低造價，提高設(shè)備的經(jīng)濟性和實用性。

2.3 應(yīng)用場景

結(jié)合變電站建造實際[32-37]，預(yù)制艙式變電站適用于以下場景：

a)城區(qū)新建變電站。城區(qū)變電站的建設(shè)通常存在著征地困難、建站周期長、民事問題突出、環(huán)評要求高等問題。采用工廠化裝配調(diào)試可使預(yù)制艙式變電站建設(shè)效率顯著提升，設(shè)備艙艙體使用聲屏障、電磁屏蔽等技術(shù)可減少周邊居民對變電站噪音及輻射的擔(dān)憂，艙體外觀造型設(shè)計與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)，外形簡潔美觀滿足規(guī)劃要求。

b)郊區(qū)新建變電站。郊區(qū)建站的關(guān)鍵在于減少郊區(qū)站巡檢工作量和更好地應(yīng)對周邊環(huán)境問題。預(yù)制艙式變電站的智能化巡檢方式極大地減少了日常巡檢工作量，艙體內(nèi)部高度集成，為設(shè)備全生命周期監(jiān)控提供了便利，艙體外殼擁有良好的機械強度及密封性，隔絕外部環(huán)境對艙內(nèi)設(shè)備的干擾。

3 廣東省內(nèi)預(yù)制艙式變電站的設(shè)計實例分析

在對粵東地區(qū)的220 kV甲變電站(以下簡稱“甲站”)和110 kV乙變電站(以下簡稱“乙站”)設(shè)計過程中，依據(jù)2.2節(jié)中預(yù)制艙設(shè)計技術(shù)要求以及《南方電網(wǎng)公司35 kV～500 kV變電站標準設(shè)計V2.1》的設(shè)計方案，進行變電站標準化建設(shè)方案與預(yù)制艙式變電站的設(shè)計方案對比分析研究。設(shè)計要求滿足DL/T 5056—2007《變電站總布置設(shè)計技術(shù)規(guī)程》、GB 50016—2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》、DL 5027—2015《電力設(shè)備典型消防規(guī)范》、DL/T 5457—2012《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》等現(xiàn)行的電力工程相關(guān)技術(shù)規(guī)程、規(guī)范文件。

3.1 220 kV甲站建造模式對比

220 kV甲站位于城區(qū)，建設(shè)地點臨近海邊，鹽霧污染嚴重，擬征地面積7 282 m2，站址面積較小。項目終期建設(shè)規(guī)模為3臺180 MVA主變壓器(以下簡稱“主變”)、8回220 kV出線、12回110 kV出線、30回10 kV出線，本期建設(shè)規(guī)模為2臺180 MVA主變壓器、4回220 kV電纜出線、2回110 kV電纜出線、20回10 kV電纜出線。

以《南方電網(wǎng)公司35 kV～500 kV變電站標準設(shè)計V2.1》的“CSG-220B-GN1a”作為方案1，預(yù)制艙建設(shè)方案作為方案2，2種方案的總平面布置如圖4所示，圖5為220 kV甲站建設(shè)效果圖。

方案1：綜合樓呈垂直布置。220 kV、110 kV、l0 kV配電裝置布置于1幢5層綜合性建筑內(nèi)。地下層布置電纜夾層；地上1層布置10 kV配電室、電容器室、電抗器室、接地裝置室等；地上2層布置110 kV GIS室、10 kV電容器室等；地上3層布置繼電器及通信室、蓄電池室等；地上4層布置220 kV GIS室等。主變壓器室內(nèi)布置于配電裝置樓地上1層西側(cè)。

方案2：整站分區(qū)域設(shè)置，包含220 kV GIS模塊(47.5 m×12.5 m×7.25 m)、110 kV GIS模塊(34 m×11.5 m×3.6 m)、10 kV開關(guān)柜預(yù)制艙(41 m×7.5 m×3.4 m)、二次預(yù)制艙(28.5 m×7.5 m×3.3 m)、無功補償預(yù)制艙(11.2 m×2.4 m×3.4 m)和生活預(yù)制艙(12 m×3.4 m×3.4 m)。

2種建設(shè)方案的各項技術(shù)經(jīng)濟指標(不含土建基礎(chǔ)及線路部分的費用)見表2。

與方案1相比，方案2圍墻內(nèi)占地面積減少2.19%，建筑面積上減少22%，大大降低了工程建設(shè)難度和工程量。工程建設(shè)的簡易化也進一步提高了建造速度，方案2的建設(shè)周期減少75%以上，能更好地滿足城區(qū)負荷增長的需求。在投資成本方面，方案2的靜態(tài)投資減少了12.61%，其艙體費用、建筑工程費和安裝工程費總價比方案1的建筑工程費及安裝工程費總價減少了27.83%。

在甲站建設(shè)上，總體而言2種方案均能很好地適應(yīng)站址面積小的情況，均可達到較好的效果，方案2在經(jīng)濟和建設(shè)周期上稍占優(yōu)。

圖4 220 kV甲站平面布置

圖5 220 kV甲站建設(shè)效果圖

技術(shù)經(jīng)濟指標方案1方案2技術(shù)方案220 kV戶內(nèi)常規(guī)布置,10 kV戶內(nèi)常規(guī)布置,2臺180 MVA主變壓器220 kV采用一體化變電站2臺180 MVA主變壓器圍墻內(nèi)占地面積6 445.4 m26 304.0 m2建筑面積2 596.3 m22 031.08 m2現(xiàn)場施工周期12個月4個月設(shè)備購置費4 832萬元4 832萬元艙體費用865萬元建筑工程費2 866萬元935萬元安裝工程費390萬元550萬元其他費用2 028萬元1 801萬元靜態(tài)投資合計10 116萬元8 983萬元

3.2 110 kV乙站建造模式對比

110 kV乙站位于城區(qū)，建設(shè)地點屬沖積平原，擬征地面積9 013.2 m2，站址面積較寬裕。項目終期建設(shè)規(guī)模為3臺40 MVA主變壓器、4回110 kV出線、36回10 kV出線，本期建設(shè)規(guī)模為2臺40 MVA主變壓器、2回110 kV出線、24回10 kV出線。

以《南方電網(wǎng)公司35 kV～500 kV變電站標準設(shè)計V2.1》G1層方案“CSG-110B-G2a”作為方案1，預(yù)制艙建設(shè)方案作為方案2，2種方案的總平面布置如圖6所示，圖7為110 kV乙站建設(shè)效果圖。

圖6 110 kV乙站平面布置

方案1中，建造配電裝置樓1幢，主體共3層。第1層(地下層)為電纜夾層，第2層為10 kV成套開關(guān)柜雙列布置高壓配電室、電容器室、接地變室等，第3層為GIS室、繼電器室、蓄電池室等。10 kV電容器組均為室內(nèi)布置。

方案2中，整站分區(qū)域設(shè)置，包含戶外主變模塊、GIS預(yù)制艙(20.4 m×10.5 m×3.6 m)、10 kV開關(guān)柜預(yù)制艙(38.2 m×7.5 m×3.4 m)、二次預(yù)制艙(22.6 m×7.5 m×3.3 m)、無功補償預(yù)制艙(7.5 m×2.6 m×3.4 m)、接地變預(yù)制艙(13.5 m×3.4 m×3.4 m)和生活預(yù)制艙(12 m×3.4 m×3.4 m)。

圖7 110 kV乙站建設(shè)效果圖

2種建設(shè)方案的各項技術(shù)經(jīng)濟指標(不含土建基礎(chǔ)及線路部分的費用)見表3。

表3 110 kV乙站建設(shè)技術(shù)經(jīng)濟指標對比

由表3可知，乙站在建造周期和投資成本上與甲站的情況相似，方案2建造周期減少了約66.7%，靜態(tài)投資減少了10.50%，對比方案1的建筑工程費及安裝工程費總價，艙體費用、建筑工程費和安裝工程費的總價減少了26%。此外，艙體能有效防火、防碰撞，結(jié)構(gòu)更緊湊合理。方案2的圍墻內(nèi)占地面積減少21.15%，建筑面積減少33.22%，有效提高了土地使用效率。因此在建站規(guī)劃初期，考慮采用預(yù)制艙方案，能減少征地面積811.5 m2，節(jié)約征地費用73.03萬元。

相較于城區(qū)建設(shè)，在郊區(qū)采用預(yù)制艙，除了建造周期和經(jīng)濟上的優(yōu)勢外，土地使用效率的提升更為明顯。艙體將設(shè)備與環(huán)境隔離，進一步提高了變電站對郊區(qū)環(huán)境的適應(yīng)性。因此在乙站的建設(shè)上，宜選用預(yù)制艙式變電站的建設(shè)方案。

由以上2個設(shè)計實例可知，艙式變電站具有建設(shè)周期短、建造難度小和成本相對低的優(yōu)點。另一方面，由于艙式變電站能使站內(nèi)布置更緊湊、更節(jié)省用地，降低征地難度和費用，進一步減少總投資成本。憑借著經(jīng)濟、建設(shè)周期、建造便利性和用地面積上的優(yōu)勢，預(yù)制艙式變電站在變電站建設(shè)上具有廣闊的應(yīng)用前景。因此，建設(shè)方可以在權(quán)衡土建現(xiàn)場情況、運輸能力、建設(shè)工期、占地規(guī)模和項目經(jīng)濟性后，綜合考慮選擇變電站的建設(shè)模式。

4 預(yù)制艙式變電站的設(shè)計和建設(shè)優(yōu)化建議

預(yù)制艙式變電站的建設(shè)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，該模式變電站涉及設(shè)計、制造、加工、安裝、運維等多領(lǐng)域，由于國內(nèi)預(yù)制艙式變電站技術(shù)起步時間較晚，在艙體和設(shè)備的運維、檢修等方面缺乏權(quán)威的經(jīng)驗。本文針對預(yù)制艙式變電站的設(shè)計和建設(shè)，提出以下幾方面考量因素及優(yōu)化建議：

a)建設(shè)預(yù)制艙式變電站應(yīng)綜合考慮當(dāng)?shù)貧夂驐l件、運行環(huán)境等實際情況，實現(xiàn)差異化建設(shè)，如高寒地區(qū)側(cè)重于防凍及保溫隔熱性能，南方沿海濕熱地區(qū)側(cè)重于防強風(fēng)、防潮和防腐蝕性能。

b)預(yù)制艙式變電站選址盡量避開污染源及其下風(fēng)側(cè)，減少有害氣體、煙、霧、粉塵、強烈震動對變電站運行的影響。

c)地質(zhì)條件較差時，應(yīng)做好設(shè)備艙基礎(chǔ)處理，宜加裝沉降測量裝置。

d)艙體的抗震性能應(yīng)符合相應(yīng)工況環(huán)境要求。

e)綜合艙配置應(yīng)能方便檢修人員工作，滿足基本的巡檢運維需求。

f)艙體應(yīng)采取有效的防渦流措施，確保母線與艙體之間不形成導(dǎo)磁回路。

g)艙體電纜進出線位置及通風(fēng)孔等內(nèi)外連通部位應(yīng)具有良好的密封性。

h)二次設(shè)備宜采用預(yù)制光纜和電纜，實現(xiàn)二次接線即插即用。

5 結(jié)束語

中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司大力實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，為加快推進安全、可靠、綠色、高效的智能電網(wǎng)建設(shè)，已擬將預(yù)制艙方案納入南方電網(wǎng)標準化設(shè)計體系。作為一種新型的變電站建設(shè)模式，預(yù)制艙式變電站基于模塊化的設(shè)計建造流程，工廠生產(chǎn)及現(xiàn)場施工并行開展，縮短了建站周期，有效減小了變電站規(guī)模，節(jié)省了土地成本，提高了變電站空間利用率。預(yù)制艙式變電站由于其顯著的社會、經(jīng)濟效益，具有良好的實用性和推廣價值。