110kV全預(yù)制艙變電站的研制

常州博瑞電力自動(dòng)化設(shè)備有限公司 劉廣州 陸朝陽 宋 戈 吳俊輝 袁孟佼 南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司 王 凱

當(dāng)前，國內(nèi)對于用電的需求量越來越大，同時(shí)出于電力系統(tǒng)可靠性考慮，對于部分一、二級用戶要求有2個(gè)電源供電。因此，變電站的數(shù)量呈幾何數(shù)量級增長[1]。另外，對于高鐵供電、景區(qū)供電、應(yīng)急供電等情況，要求變電站的建設(shè)周期短，智能化、精細(xì)化的要求越來越高。常規(guī)變電站建設(shè)，土建施工完成后，設(shè)備安裝、施工接線、調(diào)試等工作量較大，周期較長，全預(yù)制艙變電站能夠有效解決上述問題。全預(yù)制艙變電站是指變電站內(nèi)除主變采用戶外式，其他一、二次設(shè)備均安裝在預(yù)制艙內(nèi)的變電站。一次設(shè)備包括110kV組合電器、10kV/35kV開關(guān)柜設(shè)備、10kV/35kV消弧線圈（就地變）等；二次設(shè)備主要包含主變、線路控制保護(hù)及一體化電源等設(shè)備。

1 工作原理及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

本文研制的全預(yù)制艙變電站由110kV GIS設(shè)備艙、10kV/35kV開關(guān)柜設(shè)備艙、10kV/35kV消弧線圈艙、二次設(shè)備艙、辦公生活艙等功能模塊組合而成。由現(xiàn)場施工完成土建基礎(chǔ)，各個(gè)設(shè)備艙運(yùn)輸至工程現(xiàn)場，吊裝就位拼接后和基礎(chǔ)預(yù)埋件焊接固定。本項(xiàng)目整站布置如圖1所示。

圖1 整站布置圖

1.1 選型

本文就四川某110kV全預(yù)制艙智能變電站工程進(jìn)行相關(guān)研究。主要針對110kV GIS設(shè)備、10kV/35kV開關(guān)柜設(shè)備、10kV/35kV消弧線圈設(shè)備、控制保護(hù)二次設(shè)備、辦公生活設(shè)備等模塊優(yōu)化組合設(shè)計(jì)，將上述設(shè)備整合安裝于對應(yīng)的預(yù)制艙內(nèi)。

1.2 預(yù)制艙方案設(shè)計(jì)

1.2.1 艙體整體設(shè)計(jì)

由于運(yùn)輸限制，車輛及艙體整體高度不超過5m，寬度不超過3.5m。艙體長度寬度依據(jù)艙內(nèi)設(shè)備不同布置，最終將艙體分為不同尺寸的單艙。GIS本期7個(gè)間隔，優(yōu)化布置，將2個(gè)間隔放置在一個(gè)艙內(nèi)，分艙運(yùn)輸至現(xiàn)場，現(xiàn)場僅需連接分艙間的導(dǎo)體，減少現(xiàn)場工作量40%。

1.2.2 艙體底部吊裝設(shè)計(jì)

預(yù)制艙底座的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對艙體的吊裝有重要影響[2]。由于一次相關(guān)設(shè)備整體較重，出于整體布置考慮，為吊裝可靠，艙體采用底部八點(diǎn)起吊，八點(diǎn)起吊后保證起吊更加平穩(wěn)可靠。吊裝驗(yàn)證艙體各零部件無松動(dòng)、損壞、移位，吊點(diǎn)無變形、開焊、脫落等現(xiàn)象[3]。八點(diǎn)吊裝方案如圖2所示。

圖2 艙體吊裝圖

1.3 艙內(nèi)智能輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)

預(yù)制艙內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的智能輔助系統(tǒng)及火災(zāi)報(bào)警裝置：一是艙內(nèi)智能輔助系統(tǒng)主要包含溫濕度傳感器、監(jiān)控?cái)z像頭等附件；二是火災(zāi)報(bào)警裝置包括感溫感煙探頭、手動(dòng)報(bào)警器、聲光報(bào)警器、應(yīng)急照明、事故照明、疏散指示牌、滅火器等。三是艙內(nèi)設(shè)置兩臺制冷量5kW的工業(yè)空調(diào)，該工業(yè)空調(diào)具備自動(dòng)控制及溫濕度信號上傳功能。同時(shí)，工業(yè)空調(diào)具備斷電后來電自啟動(dòng)功能，能夠有效保障艙內(nèi)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境。

因此，合理布點(diǎn)所有的智能輔助系統(tǒng)及火災(zāi)報(bào)警裝置，實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)控艙內(nèi)環(huán)境亦是非常重要。通過對艙體結(jié)構(gòu)、運(yùn)行環(huán)境控制和艙體內(nèi)部設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化[4]，使得艙內(nèi)整體環(huán)境有效控制在要求的參數(shù)范圍內(nèi)。艙內(nèi)所有智能輔助系統(tǒng)及消防系統(tǒng)均采用暗敷埋管形式，同時(shí)與艙內(nèi)的照明通風(fēng)等線路隔離，有效確保監(jiān)測設(shè)備的可靠運(yùn)行。

2 艙體方案設(shè)計(jì)

常規(guī)預(yù)制艙主要放置二次設(shè)備或者只放置一次開關(guān)柜，而本次研制的全預(yù)制艙變電站預(yù)制艙艙內(nèi)設(shè)置的設(shè)備包括GIS組合電器、消弧線圈接地變等設(shè)備。為了確保設(shè)備安裝運(yùn)維檢修便捷，對于艙體進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。預(yù)制艙底部設(shè)置電纜夾層，使得預(yù)制艙在出廠前都已經(jīng)完成了艙內(nèi)設(shè)備的安裝接線[5]。

2.1 二次設(shè)備艙設(shè)計(jì)

由于工程項(xiàng)目處于地震多發(fā)帶，在進(jìn)行艙體結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計(jì)完成后，對艙體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震仿真計(jì)算確保設(shè)備滿足相關(guān)抗震要求，并且能夠在可能產(chǎn)生地震時(shí)保障設(shè)備的可靠運(yùn)行。

對模塊化預(yù)制艙模型進(jìn)行簡化處理，運(yùn)用分析軟件對簡化的模塊化預(yù)制艙模型進(jìn)行仿真分析，最終簡化結(jié)果如圖3所示。

圖3 艙體模型簡化圖

圖5 預(yù)制艙整體應(yīng)變響應(yīng)圖

圖6 底梁應(yīng)變響應(yīng)圖

對預(yù)制艙采用反應(yīng)譜法進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震分析，譜曲線參考標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜擬合的曲線，對模型進(jìn)行加載。水平方向基本加速度為0.5g，豎直方向基本加速度為0.325g，艙體各部分應(yīng)力云圖如圖4至圖7所示。

圖4 預(yù)制艙整體應(yīng)力響應(yīng)圖

圖7 底梁最大應(yīng)力位置圖

經(jīng)靜力學(xué)仿真、模態(tài)分析、譜分析等過程，得出預(yù)制艙最大應(yīng)力值見表1。

表1 預(yù)制艙應(yīng)力響應(yīng)

結(jié)構(gòu)材料的許用應(yīng)力安全系數(shù)為：n=345MPa/130.155MPa=2.65＞1.67（安全系數(shù)）。通過靜力學(xué)分析、模態(tài)分析、譜分析等受力的仿真分析結(jié)果評定，在水平基本加速度0.5g，豎直基本加速度0.325g的震載荷作用下，各個(gè)部件安全系數(shù)均大于1.67，因此預(yù)制艙的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足該工況下的抗震要求。

2.2 GIS設(shè)備艙設(shè)計(jì)

110kV GIS設(shè)備艙本期設(shè)置7個(gè)間隔，包括2個(gè)主變間隔、2個(gè)線路間隔、2個(gè)母線間隔、1個(gè)分段間隔。遠(yuǎn)期預(yù)留1個(gè)主變間隔、3個(gè)線路間隔。110kV組合電器采用電纜進(jìn)出線形式。GIS設(shè)備艙內(nèi)本期間隔設(shè)置在中間位置，遠(yuǎn)期擴(kuò)建的3個(gè)間隔設(shè)置在兩端如圖8所示（標(biāo)黃部分為遠(yuǎn)期間隔）。

圖8 GIS設(shè)備艙艙內(nèi)布置圖

由于道路運(yùn)輸限制，艙體總體高度不得超過3700mm，艙內(nèi)設(shè)備間隔由于需要安裝可拆卸導(dǎo)體，現(xiàn)場耐壓試驗(yàn)需要安裝試驗(yàn)套管等工作。對于GIS設(shè)備預(yù)制艙，因?yàn)槠涑叽鐓?shù)過大而不能夠滿足運(yùn)輸條件，需要采用拼艙方案處理。出于多方面考慮，將艙體頂部局部設(shè)置出口，保證設(shè)備安全距離的前提下，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)輸可行。并將該部分做成可拆式，局部限高可拆下后運(yùn)輸。方案如圖9所示。

圖9 耐壓試驗(yàn)口結(jié)構(gòu)圖

GIS設(shè)備預(yù)制艙由于本期不安裝設(shè)備且GIS設(shè)備運(yùn)行中檢修可能需要涉及吊裝等作業(yè)，因此將GIS設(shè)備艙艙頂做成可拆卸形式，確保遠(yuǎn)期增加設(shè)備及檢修的可操作性。為了保證整體的強(qiáng)度，在艙頂與艙壁連接處采用主型鋼加強(qiáng)，并采用M20的螺栓連接固定。艙頂拼接處采用結(jié)構(gòu)防雨加密封膠輔助防雨措施，徹底解決可能產(chǎn)生的漏雨問題。方案如圖10所示。

圖10 艙頂拼艙蓋板結(jié)構(gòu)圖

2.3 消弧線圈艙設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目消弧線圈包括10kV消弧線圈及35kV消弧線圈兩部分分別設(shè)置在兩個(gè)預(yù)制艙內(nèi)。其中，35kV消弧線圈艙內(nèi)包含一臺隔離柜、一臺消弧柜。隔離柜內(nèi)包括1套隔離開關(guān)及一臺避雷器一臺互感器；消弧柜內(nèi)包含真空有載開關(guān)、并阻尼電阻、消弧線圈、霍爾電流傳感器等主設(shè)備及電纜銅排連接附件。艙內(nèi)布置方案如圖11所示。

圖11 35kV消弧線圈設(shè)備艙布置圖

10kV消弧線圈艙內(nèi)3套10kV消弧線圈，其中本期設(shè)置2套，遠(yuǎn)期預(yù)留1套。單套消弧線圈包括接地變柜消弧線圈柜；接地變柜內(nèi)包含接地變壓器、避雷器、電壓互感器、單極隔離開關(guān)等主設(shè)備及其他連接附件。消弧線圈柜內(nèi)包含阻尼電阻器、消弧線圈、真空有載開關(guān)、隔離操作手柄等主設(shè)備及其他連接附件。布置方案如圖12所示。

圖12 10kV消弧線圈設(shè)備艙布置圖

2.4 工程應(yīng)用

本次研制依托國家電網(wǎng)某工程應(yīng)用，110kV全預(yù)制艙變電站已于2019年年底順利完成投運(yùn)，一次帶電成功。預(yù)制艙式變電站建設(shè)周期在100～120天（含生產(chǎn)周期80天），相比常規(guī)式升壓站建設(shè)周期120～140天，節(jié)約20天。通過本工程的順利投運(yùn)，有利的佐證該項(xiàng)目研制的可行性，能夠有效解決工程建設(shè)周期短、現(xiàn)場施工困難等問題。為后續(xù)相關(guān)產(chǎn)品推廣及實(shí)施提供了可靠支撐。工程現(xiàn)場實(shí)物如圖13至圖16所示。

圖13 110kV全預(yù)制艙整體圖

圖14 110kV GIS設(shè)備艙艙外圖

圖15 10kV/35kV開關(guān)柜艙圖

圖16 二次設(shè)備1#艙圖

3 結(jié)論

本文系統(tǒng)介紹了110kV全預(yù)制艙變電站相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了預(yù)制艙艙體方案優(yōu)化設(shè)計(jì)、預(yù)制艙結(jié)構(gòu)抗震仿真設(shè)計(jì)，并結(jié)合工程進(jìn)行了詳細(xì)闡述。截至目前，公司承建的該工程110kV全預(yù)制艙變電站項(xiàng)目順利投運(yùn)，現(xiàn)場僅需完成土建施工及艙間的線纜連接工作，縮短了現(xiàn)場施工周期。同時(shí)，整站的占地面積也比常規(guī)變電站減少30%以上，收到良好效果。