預(yù)裝式戶內(nèi)GIS變電站預(yù)制艙設(shè)計(jì)探討

燕飛飛 何顯江 盧旭濤

摘 要：為使GIS設(shè)備免受臺(tái)風(fēng)、暴雨、冰雹等惡劣天氣影響，更好地保護(hù)GIS設(shè)備及各類傳感器等，提高GIS設(shè)備可靠性、穩(wěn)定性，根據(jù)GIS設(shè)備特性及在戶內(nèi)布置的場景，針對(duì)GIS預(yù)制艙的要求做了具體分析和闡述，并提出了相應(yīng)的技術(shù)解決措施和方案。

關(guān)鍵詞：預(yù)裝式戶內(nèi)GIS變電站預(yù)制艙;SF6探測報(bào)警系統(tǒng);接地系統(tǒng);濾震隔音

0? ? 引言

近年來隨著戶外GIS設(shè)備運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累，其各類缺點(diǎn)也逐漸暴露?，F(xiàn)運(yùn)行的戶外GIS設(shè)備以國產(chǎn)設(shè)備居多，大批運(yùn)行時(shí)間3～5年的設(shè)備已出現(xiàn)不同程度的殼體表面銹蝕現(xiàn)象，且GIS本體安裝的各類傳感器及零部件故障率較高，給運(yùn)行維護(hù)單位帶來了很大不便。以上問題在腐蝕性較強(qiáng)的海上環(huán)境、沿海地區(qū)和污穢等級(jí)較高的區(qū)域更為嚴(yán)重，大大增加了維護(hù)工作量。另外，GIS設(shè)備的密封結(jié)構(gòu)在雨、霧、冰、雪等惡劣天氣條件下遭到了極大的挑戰(zhàn)，GIS設(shè)備密封系統(tǒng)易因材質(zhì)快速老化而出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。

相較戶外GIS，將GIS設(shè)備布置在戶內(nèi)的方案可有效保護(hù)GIS設(shè)備免受惡劣環(huán)境影響，且GIS預(yù)制艙內(nèi)部維持恒溫恒濕環(huán)境，進(jìn)一步延長了GIS設(shè)備使用壽命，能夠大大降低GIS設(shè)備故障率，減少設(shè)備后期運(yùn)行維護(hù)難度及成本，因而成為當(dāng)前GIS變電站建設(shè)的首選方案。戶內(nèi)GIS變電站如圖1所示。在戶內(nèi)GIS變電站逐步被接受的背景下，希望本文對(duì)GIS預(yù)制艙的闡述可以為后續(xù)GIS變電站建設(shè)提供設(shè)計(jì)參照。

1? ? GIS預(yù)制艙SF6探測報(bào)警系統(tǒng)

（1）GIS設(shè)備內(nèi)部采用SF6氣體作為絕緣介質(zhì)，若SF6氣體泄漏，會(huì)影響到設(shè)備可靠運(yùn)行及運(yùn)營人員安全，設(shè)計(jì)SF6探測報(bào)警裝置可及時(shí)探測到泄漏，提示檢修維護(hù)人員進(jìn)行設(shè)備檢修。SF6氣體的密度大約是空氣的5倍，濃度過大會(huì)使人窒息，設(shè)置自動(dòng)排除SF6裝置，可有效保障檢修維護(hù)人員人身安全。

（2）SF6探測報(bào)警系統(tǒng)包含監(jiān)測主機(jī)、SF6/O2采集模塊、溫濕度探頭、人體紅外探頭、聲光報(bào)警器等子系統(tǒng)。系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測艙內(nèi)SF6濃度、氧氣含量及溫濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過大量數(shù)據(jù)分析處理做出控制并進(jìn)行及時(shí)告警，保證人員進(jìn)入開關(guān)室的安全。

（3）SF6監(jiān)測系統(tǒng)主要有以下功能：

1）SF6濃度和氧氣含量監(jiān)測：實(shí)時(shí)監(jiān)測開關(guān)站環(huán)境SF6濃度和氧氣含量，系統(tǒng)主機(jī)和監(jiān)控室計(jì)算機(jī)同步顯示監(jiān)測結(jié)果。

2）溫濕度在線監(jiān)測：實(shí)時(shí)監(jiān)測并動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前開關(guān)站環(huán)境溫度和濕度數(shù)值。

3）系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測：實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)各監(jiān)測單元的通信狀態(tài)，系統(tǒng)主機(jī)和監(jiān)控站界面同步顯示監(jiān)測結(jié)果。

4）自動(dòng)語音提示：人員靠近開關(guān)站入口時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)以語音方式提示環(huán)境安全狀況，提醒工作人員是否可以安全進(jìn)入開關(guān)室。

5）聲光告警：監(jiān)測到SF6濃度超標(biāo)或缺氧時(shí)，系統(tǒng)以高頻笛音以及告警燈報(bào)警提示現(xiàn)場人員及時(shí)處理。

6）風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)指示：顯示當(dāng)前風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，便于判斷進(jìn)入開關(guān)室前是否需要強(qiáng)制通風(fēng)。

7）數(shù)據(jù)自動(dòng)保存功能：能夠存儲(chǔ)不低于5年的歷史數(shù)據(jù)，自動(dòng)更新覆蓋5年以上的信息記錄，系統(tǒng)掉電的情況下，永不丟失數(shù)據(jù)。

8）歷史數(shù)據(jù)查詢功能：可以通過菜單進(jìn)入系統(tǒng)界面，查詢歷次報(bào)警信息和5年以內(nèi)的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)。

（4）安全控制：

1）風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)控制：實(shí)時(shí)監(jiān)測到SF6濃度超標(biāo)或缺氧低時(shí)，自動(dòng)控制風(fēng)機(jī)通風(fēng)，直到SF6和氧氣濃度恢復(fù)正常。

2）風(fēng)機(jī)定時(shí)控制：自定義時(shí)段通風(fēng)，保證開關(guān)室每天都能按時(shí)通風(fēng)。

3）遠(yuǎn)動(dòng)告警：提供硬接點(diǎn)的形式與RS485通信，實(shí)現(xiàn)主控室或調(diào)度中心的通信和遠(yuǎn)程告警。

SF6氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

2? ? GIS預(yù)制艙密封

2.1? ? 底部

GIS艙體為了避免水浸，一般會(huì)設(shè)計(jì)封閉式或架空式基礎(chǔ)，GIS艙體底部處于懸空狀態(tài)。當(dāng)變電站建設(shè)在濕氣比較嚴(yán)重的區(qū)域時(shí)，為防止潮氣經(jīng)GIS艙體底部縫隙進(jìn)入艙體，對(duì)GIS設(shè)備造成腐蝕，宜采用噴涂發(fā)泡聚氨酯工藝對(duì)艙體底部進(jìn)行整體防潮密封處理，如圖3所示。

2.2? ? 艙體墻面

GIS母線連接需要在艙體墻面進(jìn)出，在艙體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確保GIS管道及法蘭可以整體穿過艙體墻面，且后期安裝好設(shè)備后應(yīng)做二次防水密封處理，密封材料宜選擇非導(dǎo)磁材料。為了確保防水性、穩(wěn)定性、耐久性、可靠性，宜采取設(shè)置防水翻邊，加裝硅橡膠密封膠條+阻燃泡料+防水扣板的模式，拼接處采用密封結(jié)構(gòu)+密封材料的雙保險(xiǎn)處理，實(shí)現(xiàn)防水密封的雙重保證，如圖4所示。

3? ? GIS預(yù)制艙接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)

GIS的母線和筒體是一對(duì)同軸的電極，構(gòu)成稍不均勻的電場。當(dāng)大電流在母線通過時(shí)，母線感應(yīng)電場會(huì)在筒體產(chǎn)生較大的感應(yīng)電流，并在周邊的鐵磁導(dǎo)體中產(chǎn)生渦流，影響設(shè)備的可靠性，并有潛在的觸電風(fēng)險(xiǎn)。為了避免上述情況的發(fā)生，GIS設(shè)備應(yīng)充分接地。

（1）對(duì)于一體式的GIS，應(yīng)采用全鏈多點(diǎn)接地的方案;對(duì)于分段絕緣的GIS設(shè)備應(yīng)在每一段設(shè)置一個(gè)接地點(diǎn)。

（2）對(duì)于三相共筒式GIS，應(yīng)采用多點(diǎn)重復(fù)接地，以避免三相平衡時(shí)筒體的感應(yīng)電流危害。對(duì)于分相式GIS，不得將接地線串聯(lián)后接地，應(yīng)將每相接地單獨(dú)引出短接后接至接地點(diǎn)。

（3）設(shè)備附屬安裝的扶手、爬梯等也應(yīng)用專用接地導(dǎo)體連接至接地點(diǎn)。

（4）GIS設(shè)備的接地必須保證其可靠性，當(dāng)正常工作時(shí)所有金屬外殼都運(yùn)行在地水平電位，母線各段間電位差在允許范圍內(nèi)，接地導(dǎo)體應(yīng)保證熱穩(wěn)定性要求（熱穩(wěn)定電流取單相接地故障時(shí)最大不對(duì)稱電流有效值的35%），且和現(xiàn)場主接地網(wǎng)可靠連接，不可直接用簡單的連大地作為接地點(diǎn)。

考慮GIS設(shè)備的接地點(diǎn)數(shù)量較多，接地可靠性需求較高，可在GIS設(shè)備外圍設(shè)置一圈接地母排，該母排四角通過4根不低于50 mm2接地電纜和主接地網(wǎng)直接相連。

4? ? GIS設(shè)備濾震隔音設(shè)計(jì)

GIS設(shè)備在運(yùn)行過程中會(huì)有頻率50 Hz的振動(dòng)，且會(huì)有噪聲產(chǎn)生。運(yùn)行過程中振動(dòng)會(huì)對(duì)艙體強(qiáng)度、密封等造成一定影響。特別是將GIS艙體設(shè)計(jì)在二層鋼結(jié)構(gòu)上時(shí)表現(xiàn)尤為明顯，為了減少GIS艙體對(duì)下層艙體或鋼結(jié)構(gòu)的影響，特設(shè)計(jì)一款抗震裝置對(duì)GIS艙體進(jìn)行減震。

本文以斷路器數(shù)量為1、重量為8 t的GIS設(shè)備為例，以設(shè)備動(dòng)載荷15 kN、設(shè)備承載鋼結(jié)構(gòu)尺寸面積等信息為基準(zhǔn)信息，進(jìn)行減震墊選型。設(shè)備安裝如圖5所示。

4.1? ? 設(shè)備鋼梁布置及載荷信息

（1）GIS設(shè)備底部鋼梁材料為14#槽鋼，槽鋼翼寬58 mm;

（2）鋼梁接觸面長度共計(jì)：6.6×2+0.6+0.4×2=14.6 m;

（3）受力面積：14.6×1 000×58=846 800 mm2;

（4）螺栓需要空缺30 mm位置忽略不計(jì);

（5）設(shè)備總重8 t，即80 kN靜載壓力;

（6）設(shè)備動(dòng)載荷15 kN，即當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)，總載荷為80+15=95 kN。

4.2? ? 設(shè)備靜載及動(dòng)載受力計(jì)算

（1）設(shè)備靜載壓力：

80 000÷846 800≈0.094 N/mm2

（2）設(shè)備動(dòng)載壓力：

95 000÷846 800≈0.11 N/mm2

4.3? ? 減震墊使用面積計(jì)算

（1）不同厚度減震墊承受靜載應(yīng)≯0.11 N/mm2，不同厚度減震墊承受動(dòng)載應(yīng)≯0.16 N/mm2;如果超載將導(dǎo)致減震墊失效，失去減振能力。

（2）根據(jù)受力分析計(jì)算受力面積：

80 000÷0.11≈727 000 mm2

95 000÷0.16=593 750 mm2

為了確保動(dòng)載及靜載條件下減震墊均不失效，減震墊接觸面積應(yīng)≥727 000 mm2（0.727 m2），條件允許的情況下應(yīng)盡可能多填充，建議將受力面積（14.6×1 000×58=846 800 mm2）全部填充減震墊。減震墊填充位置如圖6所示。

4.4? ? 減震墊厚度選型及分析

（1）不同厚度減震材料分別在設(shè)備靜載及動(dòng)載條件下固有頻率如表1所示，動(dòng)載條件下減震效率對(duì)比如表2所示。

（2）根據(jù)表1及表2綜合分析：

1）考慮到厚度12.5 mm減震墊動(dòng)載及動(dòng)載性能均與其他厚度差異較大，所以放棄使用12.5 mm厚度減震墊;

2）25 mm、37.5 mm、50 mm厚度減震墊性能接近，且均能滿足使用要求;

3）考慮到經(jīng)濟(jì)性、施工便利性、減小運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)、盡可能減小對(duì)艙體內(nèi)部凈高影響等因素，綜合考慮建議采用厚度為25 mm的減震墊;

4）選擇25 mm減震墊可達(dá)到94%～97%的隔震率，降低噪聲25～30 dB，是綜合功能性與經(jīng)濟(jì)性的最優(yōu)選擇。

5? ? 結(jié)語

預(yù)裝式戶內(nèi)GIS變電站預(yù)制艙能夠大大改善設(shè)備運(yùn)行環(huán)境，延長GIS設(shè)備使用壽命，減少設(shè)備故障率，有效保障變電站可靠運(yùn)行，是未來變電站特別是海上風(fēng)電項(xiàng)目建設(shè)的大趨勢。本文主要以配合GIS設(shè)備使用需求為側(cè)重點(diǎn)闡述預(yù)裝式戶內(nèi)GIS變電站預(yù)制艙設(shè)計(jì)要點(diǎn)，可為后續(xù)預(yù)裝式戶內(nèi)GIS變電站設(shè)計(jì)提供借鑒。

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收稿日期：2020-07-08

作者簡介：燕飛飛（1988—），男，安徽宿州人，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師，研究方向：模塊化智能變電站預(yù)制艙。