基于預(yù)制艙的配送式智能變電站設(shè)計(jì)

孫建龍，魯東海

(1.江蘇省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，江蘇 南京 210008；2.江蘇省電力設(shè)計(jì)院，江蘇南京 211102)

我國變電站建設(shè)模式經(jīng)過幾十年的摸索已經(jīng)形成較為成熟的模式，在提高建設(shè)水平促進(jìn)電網(wǎng)發(fā)展的同時也暴露出越來越多的問題，如：電網(wǎng)建設(shè)的投資力度和建設(shè)規(guī)模持續(xù)增加，電網(wǎng)項(xiàng)目建設(shè)難度加大、周期加長，作為電網(wǎng)最主要環(huán)節(jié)的變電站其建設(shè)周期不斷壓縮，現(xiàn)場施工效率與建設(shè)質(zhì)量的矛盾愈加突出；電網(wǎng)建設(shè)要求與國民經(jīng)濟(jì)及社會發(fā)展相適應(yīng)，要節(jié)約用地、保護(hù)生態(tài)環(huán)境，對變電站建設(shè)工地的環(huán)保措施要求愈來愈嚴(yán)格[1]；隨著智能變電站發(fā)展，變電站設(shè)備智能化程度不斷提高，現(xiàn)有建設(shè)人員不能很快適應(yīng)，無法滿足建設(shè)進(jìn)度要求；變電站設(shè)備精細(xì)化程度不斷提高，接口愈加繁雜，并伴隨大量光纜使用，而光纜較電纜更為容易受損，對現(xiàn)場設(shè)備接線的要求越來越高；現(xiàn)場調(diào)試工作量大，調(diào)試環(huán)境惡劣，且必須等到施工結(jié)束才能進(jìn)行，造成大量時間浪費(fèi)，降低建設(shè)效率等[2，3]。為解決上述問題，電力行業(yè)的工作者們一直在尋求一種新的變電站建設(shè)模式以替代傳統(tǒng)變電站建設(shè)模式。隨著裝配式變電站的發(fā)展，一大批基于預(yù)制建筑物[4]、圍墻、電纜溝、防火墻、構(gòu)支架的全預(yù)制裝配式變電站迅速崛起[5，6]，在解決以往變電站建設(shè)模式固有缺陷，實(shí)現(xiàn)“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化加工、配送式建設(shè)”的設(shè)計(jì)建設(shè)新方法方面初顯成效。

目前，裝配式變電站建設(shè)模式方興未艾，國家電網(wǎng)公司又提出基于全新技術(shù)架構(gòu)的配送式智能變電站概念，預(yù)制艙的概念伴隨著配送式變電站應(yīng)運(yùn)而生。文中提出一種基于預(yù)制艙的配送式智能變電站建設(shè)方案，并詳細(xì)闡述了其具體實(shí)施方案。

1 基于預(yù)制艙的配送式智能變電站框架

1.1 總體框架

基于預(yù)制艙的配送式智能變電站是一種全新概念的智能變電站[7]，它將變電站分為兩部分，智能一次設(shè)備和集成二次設(shè)備的預(yù)制艙：智能一次設(shè)備是變電站的身體，集成二次設(shè)備的預(yù)制艙是變電站的大腦，其中智能一次設(shè)備由一次設(shè)備本體、傳感器、智能組件和標(biāo)準(zhǔn)接口構(gòu)成[8]，集成二次設(shè)備的預(yù)制艙由各種保護(hù)、測控裝置及為這些裝置提供保護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)接口的預(yù)制艙構(gòu)成[9]，智能一次設(shè)備和預(yù)制艙之間通過預(yù)制光纜[10，11]、電纜連接。基于預(yù)制艙的配送式智能變電站框架如圖1所示。

圖1 基于預(yù)制艙的配送式智能變電站框架

1.2 主要特點(diǎn)

基于預(yù)制艙配送式智能變電站具有如下主要特點(diǎn)：

（1）大規(guī)模采用預(yù)制式二次設(shè)備。預(yù)制式二次設(shè)備即將二次設(shè)備集中布置在預(yù)制艙內(nèi)，由設(shè)備廠家統(tǒng)一集成安裝后，整體運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場，就地布置在配電裝置區(qū)，艙內(nèi)設(shè)備之間的連接與調(diào)試在集成商廠家完成，對外配置標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)制光纜、電纜接口。

（2）即插即用的光纜、電纜連接方案。通過對變電站各設(shè)備之間信息交互內(nèi)容與模式的充分分析與歸納，總結(jié)出典型間隔（如出線、母聯(lián)、主變、母線）的連接光纜、電纜的數(shù)量及規(guī)格，進(jìn)而將其接口標(biāo)準(zhǔn)化，分別在智能一次設(shè)備端和預(yù)制艙端預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)接口，現(xiàn)場采用預(yù)制光纜、電纜連接，實(shí)現(xiàn)即插即用。

（3）現(xiàn)場施工與工廠化預(yù)制同步。變電站現(xiàn)場進(jìn)行土建施工及電氣一次設(shè)備安裝調(diào)試的同時，預(yù)制艙內(nèi)二次設(shè)備在集成商廠家同步進(jìn)行接線及調(diào)試，無需等到前一步工序結(jié)束再進(jìn)行，大幅縮短建設(shè)周期。

2 預(yù)制艙結(jié)構(gòu)及艙內(nèi)設(shè)備布置方案

2.1 智能變電站預(yù)制艙結(jié)構(gòu)

智能變電站預(yù)制艙要實(shí)現(xiàn)設(shè)備廠家統(tǒng)一集成安裝，整體運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場，就地布置在配電裝置區(qū)，需要分別對預(yù)制艙的外形尺寸、艙體材料、整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)籌考慮。

（1）外形尺寸。目前預(yù)制艙尺寸基本參考集裝箱尺寸選擇[12]。電力控制柜標(biāo)高為2260 mm，接入電/光纜分布在機(jī)柜頂部或底部，柜頂（底）上（下）方需要橋架及走線的空間，標(biāo)準(zhǔn)的集裝箱內(nèi)部凈高度為2394 mm，因此需要增加集裝箱的高度，同時根據(jù)《超限運(yùn)輸車輛行駛公路管理規(guī)定》，預(yù)制艙橫向尺寸不宜超過2500 mm，長度不宜超過13 000 mm，并盡量采用標(biāo)準(zhǔn)集裝箱尺寸。目前主要選擇的尺寸如表1 所示3 種。

表1 標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制艙規(guī)格

（2）艙體材料。艙體一般采用不銹鋼材料，強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)牢、焊接性和水密性好，通過采取超重防護(hù)體系噴漆處理提高抵抗腐蝕能力；封閉的金屬六面體保證了艙體的電磁屏蔽性能。由于艙體置于戶外，艙壁夾層應(yīng)附著保溫材料（如巖棉等），材料的防火性能應(yīng)不低于V2 級。艙內(nèi)壁附保溫材料厚度約為45 mm，具有很好的隔熱保溫性能。

（3）整體結(jié)構(gòu)。考慮風(fēng)荷載及抗震要求，主體結(jié)構(gòu)采用H 型鋼柱和H 型鋼梁，梁柱間采用焊接或螺栓連接。艙體底部可加設(shè)水平或縱向工字鋼或槽鋼，加強(qiáng)艙體整體性。預(yù)制艙一端設(shè)標(biāo)準(zhǔn)雙開門，作為設(shè)備輸入通道，另一端設(shè)檢修人員出入口即可。頂部增加斜頂，斜頂與箱頂保持15°角，預(yù)防積水，減少箱頂陽光照射。

2.2 智能變電站預(yù)制式二次設(shè)備布置方案

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制艙尺寸大小，有2 種布置方式：

（1）單列布置。屏柜布置于艙體中間，屏前預(yù)留1000 mm 距離作為操作維護(hù)通道，屏后750 mm 距離為檢修更換插件的空間（如圖2 所示）。以40 尺預(yù)制艙為例，可布置尺寸為2260×600×600 mm的屏柜16～17 面。

（2）雙列布置。屏柜雙列靠邊布置，采用前接線結(jié)構(gòu)柜體，中間預(yù)留1150 mm 作為操作維護(hù)通道（如圖3所示）。以40 尺預(yù)制艙為例，可布置尺寸為2260×600×600 mm的屏柜32～34 面。

圖2 屏柜單列布置俯視圖

圖3 屏柜雙列布置俯視圖

3 預(yù)制艙內(nèi)外接線設(shè)計(jì)

3.1 預(yù)制艙外部光/電纜接入

站內(nèi)光/ 電纜通過電纜溝到達(dá)預(yù)制艙所在位置，進(jìn)入預(yù)制艙主要有2 種形式：

（1）從預(yù)制艙底部接入。預(yù)制艙安裝的混凝土基礎(chǔ)與站內(nèi)地面有一定高度差，電纜溝延伸到箱體下方，光/ 電纜通過箱體底板上設(shè)置的開口進(jìn)入艙室內(nèi)部，而后分散到各個屏柜。

（2）從預(yù)制艙側(cè)板接入。預(yù)制艙側(cè)板開設(shè)光/ 電纜口，用矩形管框架形式加強(qiáng)，如圖4 所示。電纜進(jìn)入后可通過電纜橋架在艙室內(nèi)部走線。

圖4 外部線纜從預(yù)制艙側(cè)板接入

3.2 預(yù)制艙內(nèi)部光/電纜接線

（1）艙內(nèi)布線一般有上部走線、底部走線、上下組合走線3 種種方式。

上部走線方式是在艙頂設(shè)置2 根橫梁，通過橫梁將電纜橋架吊裝，光/ 電纜通過橋架自機(jī)柜頂部進(jìn)入機(jī)柜（如圖5 所示）。

底部走線方式是在艙體底部預(yù)留屏柜底座安裝槽，分兩側(cè)布置。艙體底部采用架空防靜電隔板，架空層內(nèi)鋪設(shè)行線架（如圖6 所示）。

圖5 艙內(nèi)上部走線方式

圖6 艙內(nèi)底部走線方式

上下組合走線方式是將上述兩種走線方式組合起來的一種走線方式，一般在光/ 電纜較多，單純上（底）部走線不能滿足要求時采用（如圖7 所示）。

圖7 上下組合走線方式

（2）站內(nèi)照明、通風(fēng)、空調(diào)等電源電纜經(jīng)阻燃線槽沿艙壁敷設(shè)。

（3）屏柜內(nèi)、外光/ 電纜的連接：對于“前開門”類型的屏柜，可在機(jī)柜底（頂）部固定多芯預(yù)制插頭，并完成至屏柜內(nèi)部的光/ 電纜連接的預(yù)制，外部預(yù)制電纜經(jīng)由預(yù)制艙進(jìn)入后，在屏柜底（頂）部實(shí)現(xiàn)與屏柜的快速對接；對于“后開門”類型的屏柜，可在機(jī)柜背部固定多芯預(yù)制插頭，并完成至屏柜內(nèi)部的電纜連接的預(yù)制；外部預(yù)制光/ 電纜經(jīng)由預(yù)制艙進(jìn)入后，在屏柜背部實(shí)現(xiàn)與屏柜的快速對接。

（4）屏柜間光/ 電纜的連接：在屏柜側(cè)門開設(shè)過線孔，實(shí)現(xiàn)柜間光/ 電纜連接，也可以考慮取消屏間的側(cè)門。

4 預(yù)制艙內(nèi)的運(yùn)行環(huán)境設(shè)計(jì)

針對預(yù)制艙無人值守的運(yùn)行要求，需對艙內(nèi)的照明、消防、安防、逃生、通風(fēng)及溫濕度控制系統(tǒng)等輔助設(shè)施的布局、實(shí)施方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，使預(yù)制艙內(nèi)部環(huán)境系統(tǒng)具備“自維持”能力。詳細(xì)設(shè)計(jì)方案如下：

（1）照明系統(tǒng)分艙外照明與艙內(nèi)照明，艙外照明可采用聲控方式控制開關(guān)。艙內(nèi)照明光源安裝在艙體頂部。所有照明均采用冷光源，節(jié)能環(huán)保。

（2）消防系統(tǒng)在艙體頂部設(shè)置煙霧報(bào)警裝置，自動檢測艙內(nèi)是否存在火災(zāi)，同時設(shè)置人工火災(zāi)報(bào)警按鈕，防止自動火災(zāi)報(bào)警裝置失靈或不及時動作。艙體配備預(yù)制式七氟丙烷自動滅火柜，與火災(zāi)報(bào)警設(shè)備相連，在發(fā)生火災(zāi)險(xiǎn)情時，可實(shí)現(xiàn)自動滅火，且對設(shè)備及人員不造成損害。

（3）安防系統(tǒng)在艙體大門相對側(cè)的內(nèi)部上方位置安裝視頻攝像頭，保證攝像頭覆蓋艙內(nèi)所有區(qū)域，后臺監(jiān)控室實(shí)時監(jiān)測艙內(nèi)情況，且具備視頻保存功能。艙體配備門禁系統(tǒng)，由維護(hù)門進(jìn)入艙內(nèi)需經(jīng)過身份確認(rèn)。

（4）艙門上設(shè)有緊急逃生鎖，以防艙內(nèi)人員被誤鎖在艙內(nèi)，同時艙內(nèi)有明顯的逃生標(biāo)識。

（5）為艙體配備由排風(fēng)扇和排氣口組成的通風(fēng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)配備一鍵式開關(guān)，當(dāng)人員進(jìn)入艙體前可開啟開關(guān)，對艙內(nèi)空氣進(jìn)行更新并進(jìn)行自動檢測及報(bào)告，為維護(hù)人員提供適宜人類活動的操作環(huán)境。

（6）為使艙體內(nèi)部維持恒溫恒濕，艙內(nèi)配置冷暖空調(diào)2 臺，對內(nèi)部溫濕度進(jìn)行控制。2 臺空調(diào)形成冗余備份，工作狀態(tài)按一定的邏輯程序控制，保證艙體內(nèi)始終有1 臺空調(diào)正常運(yùn)行，當(dāng)1 臺空調(diào)出現(xiàn)故障時，及時切換至另1 臺空調(diào)運(yùn)行，同時發(fā)出故障警報(bào)，保障柜內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。

5 基于預(yù)制艙的配送式智能變電站應(yīng)用實(shí)例

江蘇某110 kV 智能變電站由預(yù)制艙和智能一次設(shè)備組成，全站配置了2個二次設(shè)備預(yù)制艙，并在預(yù)制艙端和智能一次設(shè)備端加裝了航空插頭、預(yù)制光纜組件等標(biāo)準(zhǔn)接口，實(shí)現(xiàn)了變電站建設(shè)的工廠化調(diào)試和配送式安裝，成為先進(jìn)、可靠、集成、低碳、環(huán)保的新型智能變電站建設(shè)典范。該站投運(yùn)后運(yùn)行情況良好，由于變電站結(jié)構(gòu)清晰、接口精簡，大大減少了運(yùn)維工作量。該站為110 kV 戶外氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（GIS，Gas Insulated Switchgear）變電站，具體設(shè)計(jì)方案及實(shí)施效果如下。

5.1 二次設(shè)備預(yù)制艙

全站設(shè)置2個二次預(yù)制艙，均為40 尺標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制艙，采用單列布置方案，每個預(yù)制艙布置16 面屏，全站共計(jì)32 面屏，均采用尺寸2260×600×600 mm的屏柜。站控層設(shè)備、交直流電源、蓄電池及通信設(shè)備布置于預(yù)制艙1，110 kV 及主變保護(hù)、測控等間隔層設(shè)備布置于預(yù)制艙2。

5.2 預(yù)制艙內(nèi)外接線

該站預(yù)制艙內(nèi)外接線均采用底部走線方式，結(jié)合艙內(nèi)屏柜單列布置方案，在屏柜底部前面設(shè)置1個光纜槽盒，后面設(shè)置1個電纜槽盒，槽盒規(guī)格為500×75 mm。艙內(nèi)屏柜間的光/ 電纜分別通過這2個槽盒走線，由預(yù)制艙廠家在工廠內(nèi)完成接線及調(diào)試；艙內(nèi)設(shè)備與艙外智能一次設(shè)備間的光/ 電纜則分成兩部：在預(yù)制艙的一端設(shè)置光/ 電纜轉(zhuǎn)接屏，同時在智能一次設(shè)備和轉(zhuǎn)接屏預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)接口，艙內(nèi)與艙外需連接的光/電纜先接至轉(zhuǎn)接屏（第一部分，視為艙內(nèi)接線并在工廠完成），再由轉(zhuǎn)接屏通過預(yù)制光纜、電纜連至智能一次設(shè)備（第二部分，現(xiàn)場插接即插即用）。預(yù)制艙與艙外電纜溝通過電纜隧道連通。

5.3 艙內(nèi)環(huán)境

該站預(yù)制艙進(jìn)行了必要的消防、通風(fēng)、照明、防雨、防潮、防雷、防腐、防紫外線及防靜電設(shè)計(jì)，為艙內(nèi)提供良好的人機(jī)環(huán)境。另外還進(jìn)行了緊急逃生、視頻監(jiān)控及溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

艙體內(nèi)出口方向設(shè)自帶蓄電池的疏散及安全通道指示標(biāo)志；在艙體長度方向兩端按照消防要求設(shè)置安全門，內(nèi)部可無障礙開啟，以防艙內(nèi)發(fā)生火災(zāi)等緊急事故時工作人員方便逃生。

預(yù)制艙內(nèi)2 條通道方向各設(shè)置1個攝像頭，達(dá)到對艙內(nèi)情況的全天候監(jiān)控，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)方后臺供調(diào)用。

預(yù)制艙內(nèi)溫濕度傳感器采集預(yù)制艙內(nèi)溫度和濕度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳到后臺主機(jī)進(jìn)行分析處理，當(dāng)艙內(nèi)溫度和濕度數(shù)據(jù)超出設(shè)定的上限和下限時，動力環(huán)境主機(jī)發(fā)出操作空調(diào)控制器開啟對空調(diào)溫度進(jìn)行控制，使艙內(nèi)溫度保持在設(shè)定范圍內(nèi)。

5.4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益

（1）二次設(shè)備預(yù)制艙提高建設(shè)效率，改善設(shè)備建設(shè)環(huán)境。該站二次設(shè)備預(yù)制艙吊裝時間為1 d，普通變電站控制室內(nèi)設(shè)備安裝受不同設(shè)備廠家供貨時間限制。即使在設(shè)備齊全的情況下，普通變電站控制室設(shè)備安裝通常也需5 d，節(jié)約工期4 d。二次設(shè)備預(yù)制艙通過工廠生產(chǎn)預(yù)制，整體運(yùn)輸，現(xiàn)場吊裝，避免了常規(guī)變電站電土交叉作業(yè)帶來的二次污染。

（2）即插即用技術(shù)縮短建設(shè)周期，提升建設(shè)質(zhì)量。預(yù)制式光/ 電纜工廠化加工，在施工中直接放置，即插即用，免除了現(xiàn)場熔接、接線，節(jié)省了施工時間，大大縮短了配送式變電站的建設(shè)周期。普通變電站光/ 電纜敷設(shè)和接線需要20 d，現(xiàn)在縮短至9 d，節(jié)約工期11 d。由于預(yù)制光/電纜集成度高，節(jié)約了光/電的數(shù)量，并且預(yù)制光纜光纖平均損耗較小，比現(xiàn)場制作可靠性高，在日后的運(yùn)行和檢修中，即使有損壞也可以直接更換光纜，維護(hù)方便。

（3）基于預(yù)制艙的配送式智能變電站建設(shè)模式綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著。根據(jù)國家電網(wǎng)公司LCC 管理要求，結(jié)合江蘇省電力公司以往工程的LCC 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和資料，分別對常規(guī)110 kV 變電站方案和配送式110 kV變電站方案在設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)的LCC 成本費(fèi)用進(jìn)行測算，設(shè)備設(shè)計(jì)壽命周期按25 a，折現(xiàn)率按7%計(jì)，殘值率暫按5%考慮，常規(guī)變電站方案為258 萬元/a，基于預(yù)制艙的配送式變電站方案為245 萬元/a。

可見，該站全壽命周期成本凈年值（NPALCC）[13]較常規(guī)站方案減少約13 萬元/a。雖然就目前預(yù)制式構(gòu)件尚未形成大規(guī)模工程化建設(shè)規(guī)模的前提下，預(yù)制構(gòu)件成本較高，初期成本分析結(jié)果高于常規(guī)站方案，但標(biāo)準(zhǔn)配送式變電站在確保建設(shè)進(jìn)度、大幅減縮建設(shè)周期、節(jié)約施工成本方面的效果則非常顯著，減少建設(shè)周期幅度高達(dá)48.79%，將產(chǎn)生較可觀的相對效益，從項(xiàng)目綜合價(jià)值效益角度分析，采用標(biāo)準(zhǔn)配送式變電站方案占優(yōu)。

5 結(jié)束語

基于預(yù)制艙的配送式智能變電站總體來講是依托裝配式變電站的物理技術(shù)構(gòu)架，融入二次設(shè)備預(yù)制艙、預(yù)制光/ 電纜及智能一次設(shè)備的綜合體，通過提高變電站設(shè)備工廠預(yù)制化程度及接口的標(biāo)準(zhǔn)化程度，實(shí)現(xiàn)智能變電站從“建造”模式提升到“制造”模式的目標(biāo)。該方案可實(shí)現(xiàn)變電站建設(shè)效率的提升和建設(shè)質(zhì)量的提高，為今后變電站的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供了參考與借鑒。

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