由恒遠(yuǎn) 邢挺 黨景濤
(1.青島特銳德電氣股份有限公司 2.四川山地軌道交通技術(shù)研究院3.中國鐵路青藏集團(tuán)有限公司)
山地軌道交通作為綜合立體交通網(wǎng)的延伸和補(bǔ)充,可以有效構(gòu)建與其他交通方式的“零距離”換乘融合、運(yùn)營互通,打造與其他交通方式的“一站式”體驗(yàn)融合,與火車站、機(jī)場(chǎng)、大巴車站和游客服務(wù)中心實(shí)現(xiàn)空間位置的融合,為旅客提供“零距離”的換乘服務(wù)。四川省結(jié)合自身省情編制了《四川省山地軌道交通規(guī)劃》,規(guī)劃里程數(shù)約1770km,覆蓋全省山地區(qū)域范圍內(nèi)大部分的世界級(jí)和國家級(jí)旅游資源。在山地尤其高海拔地區(qū)建設(shè)軌道交通必然有其特殊性,比如某項(xiàng)目區(qū)位于橫斷山脈東緣,由高程600~700m的四川盆地成都平原向高程3000~5600m的青藏高原東部邊緣構(gòu)造強(qiáng)烈復(fù)合之高山峽谷帶過渡區(qū)行進(jìn)。地區(qū)整體海拔高度由南向北遞增,隨山地海拔高度變化,形成了亞熱帶、山地暖溫帶、山地中溫帶、高山亞寒帶、高山寒帶的垂直變化,因此項(xiàng)目在建設(shè)過程中面臨海拔高、氣候條件惡劣、建設(shè)場(chǎng)地地表起伏不平、施工難度大等困難,并且項(xiàng)目地處自然保護(hù)區(qū),環(huán)境保護(hù)難度大。而常規(guī)土建變電站自然作業(yè)建設(shè)難度大,周期長,對(duì)自然環(huán)境的破壞大,因此變電站的落地較難。而預(yù)制艙變電站在建設(shè)工期、項(xiàng)目質(zhì)量、項(xiàng)目管理、環(huán)境影響等方面均有明顯的優(yōu)勢(shì),因此,此項(xiàng)目選用了預(yù)制艙式變電站建設(shè)方案。本文通過對(duì)預(yù)制艙式變電站在某主所的應(yīng)用方案介紹,概況地闡述了總體方案優(yōu)勢(shì),并在四個(gè)方面進(jìn)一步分析了預(yù)制艙變電站的技術(shù)優(yōu)勢(shì),證明在惡劣自然條件下選用預(yù)制艙變電站是更優(yōu)方案。
本文以山地軌道交通沿線某主所為例,總體介紹項(xiàng)目的建設(shè)方案。
變電站的建設(shè)規(guī)模如下。
110kV部分:2回線路變壓器組接線。主變部分:2臺(tái)16MVA有載調(diào)壓變壓器。35kV部分:單母線分段接線,4回饋出線路。無功補(bǔ)償部分:采用35kV 并聯(lián)電抗器補(bǔ)償裝置,補(bǔ)償容量2×8Mvar;采用35kV動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置,補(bǔ)償容量2×5Mvar。接地部分:35kV側(cè)配置2套經(jīng)接地變小電阻裝置。站用變:配置2臺(tái)400kVA干式站用變壓器。
預(yù)制艙變電站建設(shè)方案,如圖1所示,變電站整站占地范圍:4550m2;站內(nèi)設(shè)計(jì)環(huán)形回車道路;站內(nèi)設(shè)計(jì)820m2作為綠植景觀區(qū)域;整站采用全預(yù)制艙設(shè)計(jì),考慮艙體頂部防雷,整站不設(shè)置獨(dú)立避雷針;設(shè)置站內(nèi)監(jiān)控中心,集中監(jiān)控管理;整站設(shè)備抬高地面約1.5m,預(yù)制艙外圍設(shè)置巡視通道。
如圖1預(yù)制艙變電站方案和圖2土建站方案,預(yù)制艙變電站整體方案較傳統(tǒng)土建方案預(yù)裝站優(yōu)化綠化占地820m2以上,減少站內(nèi)投資概算百萬左右,減少建設(shè)工期120天以上。
圖1 預(yù)制艙式變電站全站布置方案
圖2 土建式變電站全站布置方案
如圖3預(yù)制艙變電站設(shè)計(jì)圍欄外觀彩繪,與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一,更加符合自然保護(hù)區(qū)的環(huán)境要求。
圖3 預(yù)制艙整站建站效果圖
總之,選用預(yù)制艙建站方案,有效解決了土建站的固有難題,實(shí)現(xiàn)建設(shè)過程的節(jié)能、節(jié)材、節(jié)水、節(jié)地和省時(shí)高效;降低了土建施工中廢水廢物排放及揚(yáng)塵、噪聲污染,符合快速、環(huán)保施工建設(shè)需求[2-3]。
相較傳統(tǒng)土建站,除了占地空間和建站周期上等總體優(yōu)勢(shì)外,預(yù)制艙變電站根據(jù)山地軌道交通建設(shè)的特殊環(huán)境要求,進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì),主要關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn)。
預(yù)制艙是金屬結(jié)構(gòu),因此其防腐問題一直被大家所擔(dān)心,因此本項(xiàng)目按現(xiàn)場(chǎng)的自然環(huán)境條件,根據(jù)ISO12944.2—2017色漆和清漆-防護(hù)涂料體系對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕保護(hù)-第2部分:環(huán)境分類[4],預(yù)制艙的使用環(huán)境一般為C3或C4級(jí)。即,C3級(jí):城市和工業(yè)大氣,中度二氧化硫污染,低鹽度的沿海地區(qū);本方案選擇了高于環(huán)境條件的C4標(biāo)準(zhǔn),涂層體系考慮全壽命周期60年以上,達(dá)到土建站的設(shè)計(jì)壽命。本項(xiàng)目涂料體系的設(shè)計(jì),既考慮短期效益,又兼顧長期效益,以達(dá)到合理、經(jīng)濟(jì)、耐久的目的。涂裝設(shè)計(jì)重點(diǎn)解決功能需求為基礎(chǔ),以“經(jīng)濟(jì)合理、長效耐久、施工可行、符合環(huán)保”為原則進(jìn)行涂料體系方案的設(shè)計(jì)。作者根據(jù)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出如下的涂料體系方案。
涂料體系包括鋅層、底漆、中間漆和面漆。鋼件采用熱噴鋅或熱噴鋁工藝進(jìn)行第一步打底,這是涂層裸露后最后的抗金屬氧化保護(hù)膜,是未來減少全面更換涂層的重要基礎(chǔ),干膜厚度不低于60μm,(也可在60~100μm間進(jìn)行調(diào)整)。底漆可采用環(huán)氧富鋅底漆或無機(jī)富鋅底漆,干膜厚度為60μm(也可以在40~80μm間進(jìn)行調(diào)整,主要根據(jù)富鋅底漆的含鋅比例調(diào)整);采用無機(jī)富鋅底漆時(shí),要求進(jìn)行噴霧、全噴,避免涂層出現(xiàn)針孔和氣泡。中間漆可以采用環(huán)氧(云鐵)中間漆,具有良好的屏蔽性能,與底面漆有良好的配套性,厚度在50~200μm。面漆氟碳金屬漆面漆,干膜厚度在50~80μm??偢赡ず穸取?60μm。
涂層設(shè)計(jì)完后,要對(duì)涂層耐久性進(jìn)行測(cè)試。依據(jù)是ISO12944.6—2018色漆和清漆-防護(hù)涂料體系對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕保護(hù)第6部分:實(shí)驗(yàn)室性能測(cè)試方法[5],其5.6測(cè)試程序和持續(xù)時(shí)間中規(guī)定:C4環(huán)境中,達(dá)到很高(VH)>25年的指標(biāo)要求,相應(yīng)的測(cè)試方法是性鹽霧1440h或循環(huán)老化試驗(yàn)1680h。
通過涂料體系設(shè)計(jì),預(yù)制艙變電站涂層第一次維修時(shí)間就達(dá)到了25年以后,為下一步維修延續(xù)涂層壽命提供了很好的基礎(chǔ)。
以防腐涂層耐久壽命25年為基礎(chǔ),使用壽命60年規(guī)劃涂層的維修周期。每次重涂后耐久壽命為15年計(jì)算,預(yù)計(jì)在預(yù)制艙變電站設(shè)計(jì)服務(wù)壽命到達(dá)時(shí)需重涂3次,即在預(yù)制艙使用60年限內(nèi),分別為25年、40年和50年時(shí)各維修一次。
總之,預(yù)制艙的防腐問題得到了有效解決,預(yù)制艙變電站的定位就是“永久性建筑”。
本項(xiàng)目地處地震較為活躍的龍山斷裂帶附近,而預(yù)制艙固有的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)強(qiáng)、彈性好,因此,本項(xiàng)目按抗震9級(jí)烈度考慮設(shè)計(jì)并進(jìn)行如下驗(yàn)證??拐鹩?jì)算過程比較復(fù)雜,且預(yù)制艙設(shè)計(jì)過程中做過多次仿真分析,現(xiàn)將其中設(shè)計(jì)的簡化版進(jìn)行過程描述和結(jié)論匯報(bào)。相似的設(shè)計(jì)見文獻(xiàn)[6]。
為了驗(yàn)證預(yù)制艙的抗震性能,對(duì)預(yù)制艙的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。如圖4簡化預(yù)制艙的框架結(jié)構(gòu)有限元模型的網(wǎng)格。以抗震能力相對(duì)較弱的變壓器艙進(jìn)行仿真。
圖4 變壓器隔室的有限元網(wǎng)格化圖
本計(jì)算采用動(dòng)力時(shí)程分析法對(duì)預(yù)制艙框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震計(jì)算,按照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB50260—2013[7]《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求,首先確定設(shè)防烈度地震作用(0.25g)下水平向地震動(dòng)輸入時(shí)程。由于預(yù)制艙框架結(jié)構(gòu)的水平向基本自振頻率為76Hz,相應(yīng)的,抗震計(jì)算分析需要輸入的地震動(dòng)時(shí)程也須由5個(gè)頻率為76Hz的正弦共振調(diào)幅波串組成,如圖5所示。
圖5 正弦共振調(diào)幅波串
地震輸入加速度時(shí)程按下列規(guī)定確定:
當(dāng)t≥5t時(shí),a=0
當(dāng)0≤t﹤5t時(shí),a=aSsinωt×sin(ωt/10)
式中,a為各時(shí)程的水平加速度,g;T為體系自振周期,s;aS為時(shí)程分析地面運(yùn)動(dòng)最大水平加速度,0.25g;ω為體系自振圓頻率。
實(shí)際計(jì)算采用的地震動(dòng)輸入正弦共振調(diào)幅波時(shí)程如圖6所示。
圖6 地震動(dòng)輸入正弦共振調(diào)幅波時(shí)程
經(jīng)過仿真分析,預(yù)制艙框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)防烈度(0.25g)和罕遇烈度(0.5g)兩級(jí)地震作用下的抗震計(jì)算,經(jīng)計(jì)算分析,獲得以下結(jié)論:
1)在相當(dāng)于設(shè)防烈度的地震動(dòng)作用(0.25g)下,預(yù)制艙框架結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài),不會(huì)發(fā)生損壞,可繼續(xù)使用。
2)在相當(dāng)于罕遇烈度的地震動(dòng)作用(0.5g)下,預(yù)制艙框架結(jié)構(gòu)仍處于安全狀態(tài),不會(huì)發(fā)生損壞,可繼續(xù)使用。
汶川地震后,金屬結(jié)構(gòu)箱式變電站幾乎沒有受到破壞,也從另一個(gè)角度驗(yàn)證了預(yù)制艙結(jié)構(gòu)的抗震性能??拐鹪谌饘俳Y(jié)構(gòu)的預(yù)制艙設(shè)計(jì)中,只要在設(shè)計(jì)中注意結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)進(jìn)行加強(qiáng),基本可以保證“大震可修”,預(yù)制艙在強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)上遠(yuǎn)超土建站。
變電站地處環(huán)境優(yōu)美的風(fēng)景區(qū),山區(qū)的防火更加關(guān)鍵。預(yù)制艙設(shè)計(jì)要求門板達(dá)到A級(jí)3h防火門標(biāo)準(zhǔn),這是預(yù)制艙防火設(shè)計(jì)的前提。預(yù)裝式變電站的防火設(shè)計(jì)首先選擇“主動(dòng)消防”方案,即方案滿足消防標(biāo)準(zhǔn)要求,保證變電站內(nèi)難以發(fā)生火災(zāi)。如果在主動(dòng)消防無法滿足或者必須要有“被動(dòng)消防”的時(shí)候選擇合適的滅火措施。預(yù)制艙在防火設(shè)計(jì)在主控室設(shè)置了“集中式”氣體滅火消防系統(tǒng),另外對(duì)關(guān)鍵設(shè)備也進(jìn)行了針對(duì)性“分散式”消防設(shè)計(jì)。
預(yù)裝式變電站防火設(shè)計(jì)首先滿足GB/T17467—2020[8]的要求,外殼的整體防火性能耐火等級(jí)要達(dá)到二級(jí)以上,變電站的主要構(gòu)件和防護(hù)板防火等級(jí)至少需滿足A1級(jí)以上,雙層保溫彩鋼瓦防火等級(jí)僅為B2級(jí),不允許采用。
預(yù)裝式變電站內(nèi)部需采用無油化設(shè)計(jì),防止火災(zāi)蔓延造成損失擴(kuò)大。預(yù)裝式變電站的隔室之間必須按GB 23864—2009[9]《防火封堵材料》相關(guān)要求設(shè)置防火封堵,因?yàn)轭A(yù)裝式變電站通常為無人值守站,推薦封堵材料耐火時(shí)間為3h。
預(yù)制艙內(nèi)各種開關(guān)柜柜體防護(hù)等級(jí)一般超過IP4X,因此全淹沒滅火難以實(shí)現(xiàn),因此,本文提出防火的設(shè)計(jì)方案是減少產(chǎn)生條件,隔絕火災(zāi)危害和采用局部應(yīng)用滅火方式,即“集中為主,局滅為輔”。
大型預(yù)裝式變電站防火設(shè)計(jì)推薦參考要求更高的GB50229—2019[10]《火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計(jì)防火規(guī)范》相關(guān)要求。大型預(yù)裝式變電站各個(gè)功能隔室,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)置自動(dòng)滅火系統(tǒng),關(guān)鍵隔室二次預(yù)制艙設(shè)置全淹沒滅火系統(tǒng);個(gè)別易發(fā)生火災(zāi)的單元柜,可增設(shè)小型自觸發(fā)氣體或氣溶膠滅火裝置;另外大型預(yù)制艙式預(yù)裝式變電站上下兩層布置時(shí),金屬電纜井需做防火封堵或設(shè)置滅火措施。
消防方案的可靠性和免維護(hù)性決定了產(chǎn)品的應(yīng)用難度。需要定期維護(hù)的方案很難在預(yù)制艙變電站內(nèi)應(yīng)用,常規(guī)的氣體滅火均需高壓貯存,需要定期檢查氣體壓力;水霧滅火需要維護(hù)水源;而小空間的超細(xì)干粉或氣溶膠滅火方式,存在誤噴后的清理難度大的問題。
關(guān)于局滅方案,本文提出最優(yōu)的方式是選擇全氟己酮滅火裝置。首先,T/CECS 10171—2022[11]《預(yù)制式全氟己酮滅火裝置》正式發(fā)布,自2022年6月1日起實(shí)施。意味著全氟己酮的國產(chǎn)化快速替代已經(jīng)開始,相應(yīng)的價(jià)格會(huì)快速回歸。再次,全氟己酮滅火性能優(yōu)異,并可常壓存儲(chǔ),噴后無殘留。最后,常壓免維護(hù)全氟己酮滅火系統(tǒng)具有超過10年的維護(hù)周期,尤其符合無人值守站的要求。
預(yù)裝式變電站防火設(shè)計(jì)如電弧性短路,在獨(dú)立采用繼電保護(hù)無法滿足可靠性、靈敏性和選擇性時(shí),有條件的情況下可將FAS系統(tǒng)(火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng))、CCTV(視頻監(jiān)控系統(tǒng))和PSCADA系統(tǒng)(電力監(jiān)控系統(tǒng))信息聯(lián)動(dòng),在高級(jí)軟件中配置專家決策系統(tǒng),通過軟件方式強(qiáng)化預(yù)裝式變電站的防火方案。
總之,預(yù)制艙的防火設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)土建站設(shè)置二次設(shè)備間隔氣滅消防方案的基礎(chǔ)上,在長達(dá)3h以上的防火隔離措施的條件下,輔助滅火性能優(yōu)異的全氟己酮滅火系統(tǒng),形成了更有優(yōu)勢(shì)的防火方案。
預(yù)制艙變電站外殼為全金屬結(jié)構(gòu),是一個(gè)典型的法拉第籠結(jié)構(gòu),對(duì)于變電站來說主要是采用兩種防直擊雷方案,一個(gè)是設(shè)置獨(dú)立避雷針防雷,一個(gè)是靠金屬外殼法拉第籠等電位屏蔽防雷。根據(jù)規(guī)范要求,設(shè)置獨(dú)立避雷針的集中接地極需要與變電站的接地網(wǎng)有一定的地中距離,顯然在空間受限的情況下,預(yù)制艙變電站采用法拉第籠等電位屏蔽防雷更為合理。
根據(jù)GB/T21714.4—2015《雷電保護(hù)》第4部分建筑物內(nèi)電氣和電子系統(tǒng)中的保護(hù)[12]范圍引申到預(yù)制艙變電站的結(jié)構(gòu),見圖1。外部直雷擊在擊中預(yù)制艙外殼一點(diǎn),LPZ1保護(hù)的是預(yù)制艙內(nèi)部,LPZ2保護(hù)的是屏柜內(nèi)部設(shè)備,各節(jié)點(diǎn)均設(shè)浪涌保護(hù)器。
如圖7所示,當(dāng)直擊雷擊中箱體頂蓋一角,通常是這個(gè)位置,或者是箱變頂蓋的某個(gè)位置后,在預(yù)制艙內(nèi)LPZ1中LPZ2外最強(qiáng)磁場(chǎng)位置為屏柜后上沿,如圖所示的圓點(diǎn)位置,磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H1,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn):
圖7 預(yù)制艙變電站雷電防護(hù)區(qū)劃分
式中,dr為自動(dòng)化屏柜距離屋頂最短的距離,m;dw為自動(dòng)化屏柜距離預(yù)制艙門板最短的距離,m;I0為LPZ0(預(yù)制艙建筑等級(jí))雷電流,A;kh為結(jié)構(gòu)系數(shù),典型值為0.01;wm為預(yù)制艙屏蔽網(wǎng)格的寬度,m。
為了效果更加明顯,根據(jù)比較緊湊的預(yù)制艙方案進(jìn)行計(jì)算,dr取最短的距離按常規(guī)網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜距離頂蓋下部約0.6m;dw取最短的距離按機(jī)柜距離預(yù)制艙后門0.1m;I0按二級(jí)防雷建筑取150000A;選用較為嚴(yán)苛的數(shù)據(jù),wm取0.2m。計(jì)算所得H1=4243A/m。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn) GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]、YD/T 1821—2018《通信局(站)機(jī)房環(huán)境條件要求與監(jiān)測(cè)方法》[14]中提出主機(jī)房內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度不應(yīng)超過 800A/m。滿足800A/m的情況下,需要為0.53m。預(yù)制艙柜后檢修通道不低于800mm,顯然滿足。
預(yù)制艙無避雷針設(shè)計(jì),選用的是共用接地系統(tǒng),“是將各部分防雷裝置、建筑物金屬構(gòu)件、低壓配電保護(hù)線(PE)、等電位聯(lián)結(jié)帶、設(shè)備保護(hù)地、屏蔽體接地、防靜電接地及接地裝置等連接在一起的接地系統(tǒng)[15]?!?/p>
預(yù)制艙的接地分為強(qiáng)電接地、弱電接地、保護(hù)接地。
強(qiáng)電接地系統(tǒng),主要是系統(tǒng)接地和防雷接地。系統(tǒng)接地,主要是變壓器的中性點(diǎn)接地,防雷接地是避雷器接地端和預(yù)制倉外殼的接地。當(dāng)預(yù)制艙變電站等電位非常完善時(shí),高電位不會(huì)產(chǎn)生危害,但當(dāng)?shù)入娢贿B接出現(xiàn)故障或不完善時(shí)高電位便轉(zhuǎn)化成了高電壓,對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生破壞。接地系統(tǒng)中通過大電流的主要是強(qiáng)電接地系統(tǒng)中的系統(tǒng)接地(短路電流和雷電流)和防雷接地(雷電流),因此,預(yù)制艙共用接地系統(tǒng)中采用的是共用接地網(wǎng)的多點(diǎn)接地,即強(qiáng)電的接地點(diǎn)與其他接地點(diǎn)在共用地網(wǎng)上的連接點(diǎn)應(yīng)保持足夠的安全距離,留出雷電流泄放和高電位衰減的空間距離,使進(jìn)入其他接地系統(tǒng)的電位在安全電位范圍內(nèi)。
弱電接地主要是繼電保護(hù)類信息設(shè)備接地和通訊接口的接地。由于預(yù)制艙外殼是法拉第籠結(jié)構(gòu),對(duì)于法拉第籠結(jié)構(gòu),其中部的磁場(chǎng)強(qiáng)度是最低的,而基于局部等電位的設(shè)計(jì)思想,將預(yù)制艙內(nèi)的弱電接地局部設(shè)置在預(yù)制艙的中部底部區(qū)域,并通過一個(gè)點(diǎn)連接到共用地網(wǎng)的接點(diǎn)。
保護(hù)接地主要是柜內(nèi)各個(gè)裝置的等電位接地,預(yù)制艙箱體全金屬結(jié)構(gòu),就近接地效果最好。絕對(duì)不能分別引至強(qiáng)電接地點(diǎn)。
總之,在全金屬結(jié)構(gòu)的條件下,預(yù)制艙變電站采用法拉第籠結(jié)構(gòu)有效解決了直擊雷的影響,在沖擊接地電阻滿足的條件下,采用共用接地方案,較常規(guī)土建站防雷接地設(shè)計(jì)更簡潔、更方便,整站效果更美觀。
變電站安全可靠性關(guān)系國計(jì)民生和能源的安全,預(yù)制艙變電站符合我國綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)節(jié)能的政策,代表了變電站建設(shè)的發(fā)展方向。由于傳統(tǒng)土建站在山地環(huán)境尤其是自然保護(hù)區(qū)環(huán)境落地困難,以某項(xiàng)目為例,預(yù)制艙針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì),整體方案解決了落地難的問題,同時(shí)很多關(guān)鍵性能也超過土建站。相信隨著人們對(duì)預(yù)制艙變電站認(rèn)知的提升,其必將得到更加廣泛的應(yīng)用。