莫海勇
中冶賽迪電氣技術(shù)有限公司 重慶 400013
自2009年初國家電網(wǎng)公司推出智能變電站試點工程建設(shè)以來,智能變電站在工程建設(shè)效率、系統(tǒng)可靠性、運行維護(hù)效率方面較傳統(tǒng)變電站取得一定突破,在一次設(shè)備智能化、電子式互感器、狀態(tài)在線檢測、二次系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、信息一體化平臺等主要方面取得了一系列研究成果。與此同時,受技術(shù)應(yīng)用、建設(shè)模式、外部環(huán)境等多種客觀因素制約,智能變電站的大規(guī)模建設(shè)運行逐漸暴露了一些工程質(zhì)量和建設(shè)效率等問題,如:
(1)由于設(shè)備購置分散于不同生產(chǎn)廠家,保證設(shè)備通用性和信息兼容性難度較大,且工程設(shè)計、施工、安裝、調(diào)試需多專業(yè)分工協(xié)作,各工序、各專業(yè)間銜接配合度不高。
(2)一次可實現(xiàn)“設(shè)備本體+傳感器+智能組件”的形式,而控制保護(hù)、交直流電源等二次設(shè)備分散布置,致使變電站占地利用率低,同時給運行維護(hù)及后期擴(kuò)建帶來諸多不便,繼保人員調(diào)試工作量大、工期冗長。
(3)光纜熔接受現(xiàn)場工作條件、熔接人員技術(shù)水平限制,質(zhì)量難以控制,質(zhì)保期限內(nèi)變電站運行仍存在潛在安全隱患。
因此,迫切需要立足于智能變電站整體視角,對貫穿“設(shè)計—生產(chǎn)—調(diào)試—運維”環(huán)節(jié)的設(shè)計策略、建設(shè)模式更新定位,打造一種建設(shè)周期更短、用地、工程造價更低、建設(shè)效率更高的新方案。
隨著電力行業(yè)良好的發(fā)展勢態(tài),新技術(shù)、新材料、新設(shè)備的應(yīng)運而生為智能變電站轉(zhuǎn)型提供了必要技術(shù)支持。2013年國家電網(wǎng)公司提出了智能變電站模塊化設(shè)計理念,實現(xiàn)設(shè)計模式、建設(shè)施工、關(guān)鍵技術(shù)等全方位轉(zhuǎn)型與創(chuàng)新。
裝配式變電站的概念最早是由歐美國家提出的,在20世紀(jì)60年代到70年代之間,一種戶外成套變電所裝置在歐美國家得到了廣泛應(yīng)用。這種戶外成套變電所裝置就是早期的預(yù)裝箱式變電站。
20世紀(jì)80年代中期,在美國出現(xiàn)了整體裝配模塊化的33kV變電站,20世紀(jì)90年代在日本出現(xiàn)了整體裝配模塊化的66kV變電站。這種新的建設(shè)模式具有簡單、快速、占地少等優(yōu)勢,其工程質(zhì)量和建設(shè)效率成為電力行業(yè)專家關(guān)注的焦點。
2006年,在達(dá)拉斯IEEE電力展覽會上,許多電氣生產(chǎn)廠商展出了與變電站建設(shè)相關(guān)的模塊化裝配式產(chǎn)品,模塊化裝配式變電站相關(guān)技術(shù)取得了很大進(jìn)步,相關(guān)產(chǎn)品也得到廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。
從20世紀(jì)末期至今,我國的裝配式模塊化變電站的發(fā)展歷經(jīng)了四個階段。
1998年到2000年為預(yù)制艙原型初期階段。該階段采用單側(cè)箱體布置,主要是將10kV高壓柜以及相對應(yīng)的保護(hù)、控制等二次設(shè)備集中布置于預(yù)制式箱體內(nèi)。但是該階段存在的主要問題為:箱內(nèi)選用常規(guī)開關(guān)柜,體積較大,箱體內(nèi)操作走廊小,安全性低,運輸和吊裝不方便,而且外層鋼板選用金屬材料,使箱體的保溫、隔熱、防潮不夠。
2000年到2005年為預(yù)制艙原型中期階段。該階段采用兩側(cè)箱體布置,箱體內(nèi)布置的設(shè)備電壓等級相對提高,35kV、10kV高壓柜布置于預(yù)制式配電箱體內(nèi)。設(shè)備集成方面仍有極大優(yōu)化和提升的空間。
2005年到2013年為模塊化萌芽階段。預(yù)制艙艙體進(jìn)一步發(fā)展和完善,GIS組合電器研制成功意味著預(yù)制艙原型發(fā)展已進(jìn)入真正實質(zhì)性飛躍的階段。66kV~220kV設(shè)備應(yīng)用GIS組合電器,變電站進(jìn)線、出線采用插拔式高壓電力電纜,35kV(10kV)布置于預(yù)制艙內(nèi),在生產(chǎn)廠家進(jìn)行分析設(shè)計、批量生產(chǎn)、內(nèi)部安裝以及簡單的接線連接,完成后進(jìn)行整組聯(lián)調(diào),合格通過后,才可以送至現(xiàn)場后,在現(xiàn)場組裝且通過整體調(diào)試。
2013年正式進(jìn)入模塊化階段。該階段實現(xiàn)了220kV及以下變電站除主變壓器放置在戶外,其余所有均放置在預(yù)制倉內(nèi),并且在各個功能模塊的設(shè)計之初可以將相似或者聯(lián)系緊密的部分進(jìn)行簡單整合,在生產(chǎn)廠家完成生產(chǎn)得到各個模塊,在安裝現(xiàn)場僅僅需要應(yīng)用插拔式電纜把一、二次設(shè)備接線相連,實現(xiàn)模塊化。
2013年初,在遵循“安全性、適用性、通用性、經(jīng)濟(jì)性”原則的前提下,國家電網(wǎng)公司提出裝配模塊化式智能變電站的建設(shè)理念,即“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工廠化加工、裝配式建設(shè)”。
(1)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計:將通用設(shè)計和通用設(shè)備給應(yīng)用過來,這樣設(shè)備型式、回路接線和土建設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化就可以得到實現(xiàn),標(biāo)準(zhǔn)化連接一次設(shè)備、二次設(shè)備,可以即插即用二次接線;統(tǒng)一采集信息,綜合分析,高級應(yīng)用功能可以得到順序控制。
(2)工廠化加工:將工廠預(yù)制結(jié)構(gòu)型式作為建筑物的主要構(gòu)件,按照電器功能單元將預(yù)制艙式組合二次設(shè)備作為保護(hù)、通信和監(jiān)控等二次設(shè)備,在工廠內(nèi)完成艙內(nèi)接線及單體設(shè)備調(diào)試,在工廠內(nèi)規(guī)模生產(chǎn)一二次集成設(shè)備,可以較為方便的安裝,并且工期也可以有效的縮短。
(3)裝配式建設(shè):將裝配式結(jié)構(gòu)應(yīng)用到建筑物中,現(xiàn)場濕作業(yè)得到減少,環(huán)保施工得到實現(xiàn),施工效率得到提升;將通用設(shè)備基礎(chǔ)應(yīng)用過來,對基礎(chǔ)尺寸進(jìn)行統(tǒng)一,混凝土的澆筑,利用的是標(biāo)準(zhǔn)化定型鋼模,工藝水平得到提升;將現(xiàn)場機(jī)械化施工給推廣下去,不需要投入較多的勞動力成本,現(xiàn)場施工安全得到保證,工程質(zhì)量得到提升。
到目前為止,應(yīng)用于變電站的多類型模塊化設(shè)備已得到開發(fā),模塊化技術(shù)的應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大。110kV及以下裝配式模塊化變電站技術(shù)已經(jīng)逐漸趨于成熟完善,并且也逐步應(yīng)用于220kV及以上電壓等級的變電站中。
裝配式模塊化變電站改變了變電站傳統(tǒng)的電氣系統(tǒng)布局、土建設(shè)計和施工模式,通過工廠預(yù)制、現(xiàn)場安裝兩大階段來建設(shè)變電站。其標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、模塊化組合、工業(yè)化生產(chǎn)、集約化施工,使變電站建設(shè)走向科技含量高、資源消耗低、環(huán)境污染少、精細(xì)化建設(shè)的道路。
裝配式模塊化變電站在土建方面,改變了傳統(tǒng)的電氣系統(tǒng)布局,貫徹建筑節(jié)能、節(jié)材、節(jié)水、節(jié)地方針,力求使建筑結(jié)構(gòu)輕型化,利用現(xiàn)場快速拼裝工藝,變施工串聯(lián)流程為并聯(lián)流程來縮短施工周期。裝配式模塊化變電站的土建工程設(shè)計應(yīng)遵循以下幾個原則:①裝配式建筑應(yīng)采用工業(yè)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,統(tǒng)一相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。②建筑物緊湊、規(guī)整,外立面與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)。③建筑設(shè)計按無人值守運行要求,合理配置生產(chǎn)用房。④建筑預(yù)留洞口位置,與裝配式建筑外墻板尺寸相適應(yīng),采取密封及節(jié)能等措施。⑤結(jié)構(gòu)體系的選擇,綜合考慮地質(zhì)條件、使用功能、抗震類別等因素,安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。柱距、層高、跨度宜統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。⑥圍護(hù)結(jié)構(gòu)便于安裝,選用經(jīng)濟(jì)環(huán)保的材料;滿足工藝規(guī)范要求;材料尺寸應(yīng)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。
裝配式變電站多采用鋼結(jié)構(gòu)的形式。與傳統(tǒng)變電站采用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比,鋼結(jié)構(gòu)具有安裝工期短、抗震性好和回收率高等特點。鋼結(jié)構(gòu)比鋼筋混凝土的強度要高出很多倍,在相同荷載的條件下,鋼構(gòu)件質(zhì)量更輕。此外,由于鋼結(jié)構(gòu)屬于延性破壞結(jié)構(gòu),破壞之前會有較大變形預(yù)兆,能夠預(yù)先被發(fā)現(xiàn),可以避免因脆性破壞引起的損失。但鋼結(jié)構(gòu)的防腐防火性能比混凝土結(jié)構(gòu)的略差一些,造價會略有增加,與常規(guī)模式相比約增加10%~20%。綜合考慮各方面因素,尤其是工期優(yōu)勢,鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢非常突出。
(1)裝配式圍墻。傳統(tǒng)變電站圍墻的建造形式通常為磚墻,每隔3m左右用鋼筋混凝土構(gòu)造柱加強。但由于變電站的圍墻較長,傳統(tǒng)砌筑方法人工砌筑以及粉刷等作業(yè)量大,浪費現(xiàn)場建設(shè)周期,而且容易產(chǎn)生開裂及泛堿情況。裝配式變電站的圍墻與傳統(tǒng)變電站不同,采用預(yù)制形式,圍墻預(yù)制柱承插式基礎(chǔ)在現(xiàn)場澆筑,承插式預(yù)制柱及墻板在工廠內(nèi)加工生產(chǎn)。預(yù)制柱及墻板運抵現(xiàn)場后進(jìn)行拼裝作業(yè),可以大幅縮短工期、減少施工作業(yè)量,而且標(biāo)準(zhǔn)化的批量生產(chǎn)提升了工程質(zhì)量。
(2)裝配式防火墻。裝配式防火墻目前通常采用現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)加工廠化預(yù)制FC墻板方式。FC板是一種新型建筑材料,以纖維和水泥為主要原材料,配加硅粉、粉煤灰等其他材料合成,F(xiàn)C板具有防火防水、隔音隔熱、輕質(zhì)耐壓、施工簡易、經(jīng)濟(jì)美觀、安全綠色以及壽命較長等顯著特點,主要使用于工業(yè)與民用建筑中的外墻、內(nèi)墻板、吊頂板、通風(fēng)道板以及地下室、衛(wèi)生間等潮濕部位的墻板或吊頂板。
(3)裝配式電纜溝。電纜溝主要由電纜溝、溝蓋板兩個部分組成。傳統(tǒng)鋼筋混凝土電纜溝通常采用現(xiàn)澆方式或者工廠化預(yù)制單體的方式,澆筑方式現(xiàn)場工作量較大,工廠化預(yù)制方式運輸成本高。新型材料裝配式電纜溝采用無機(jī)高性能纖維復(fù)合材料(UCFC)制作,由預(yù)制電纜溝槽、預(yù)制整體聯(lián)排電纜支架、預(yù)制蓋板等組成。具有重量輕、承載高、柔性接口、沉降小、施工周期短、外觀美觀等特點。
(4)裝配式構(gòu)架。配電裝置的構(gòu)架采用工廠預(yù)制鋼結(jié)構(gòu),構(gòu)支架梁和柱采用法蘭螺栓連接,安裝現(xiàn)場無焊接作業(yè)。
標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計方案為裝配式變電站的設(shè)計、生產(chǎn)、調(diào)試、安裝創(chuàng)造了條件,有利于統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計及施工,為裝配式變電站的建設(shè)提供了最基礎(chǔ)的保障。國家電網(wǎng)公司于2015年發(fā)布了《國網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計110(66)kV智能變電站模塊化建設(shè)》,按變電站功能區(qū)域?qū)⒆冸娬緞澐譃橹髯儔浩?、各電壓等級配電裝置、二次系統(tǒng)、主要建筑物等基本模塊,再將相應(yīng)間隔的基本模塊進(jìn)一步劃分為與各間隔匹配的單元子模塊,盡可能保證每個單元功能配置完整。變電站主體設(shè)計原則上可直接應(yīng)用通用設(shè)計方案,而建設(shè)需求與基本方案不匹配時,在選用一致或相似“基本模塊”屬性的前提下,可適當(dāng)增減基本模塊內(nèi)容。
與常規(guī)模式相同,主變壓器仍然布置在室外正常模式中。為了減少施工工作量,有必要優(yōu)化變壓器的輸入和輸出端子。二次側(cè)通過可插拔接頭直接連接到進(jìn)行模塊,一次側(cè)使用電纜或架空方式,但需保證絕緣密封性能。
主變模塊方案主要涉及主變狀態(tài)監(jiān)測、合并單元、智能終端、非電量保護(hù)等功能的集中整合。
由于110kV氣體絕緣封閉組合電器(GIS)設(shè)備的高度集成,給高壓開關(guān)模塊化創(chuàng)造了條件,在裝配式建筑物和預(yù)制艙內(nèi)均可以實現(xiàn)模塊化安裝。采用工廠預(yù)制整體電纜套管或可插拔電纜連接器,也可以提高了安裝操作和維護(hù)的便利性。
對于35kV及以下中壓開關(guān)模塊,采用成熟的手車開關(guān)柜,根據(jù)出線方式及容量要求,在開關(guān)柜廠家訂制后拼接到預(yù)制箱體中,工廠內(nèi)進(jìn)行生產(chǎn)及調(diào)試,現(xiàn)場進(jìn)行母線連接。為了減少現(xiàn)場安裝的工作量,可考慮在開關(guān)柜下增加支架(支架現(xiàn)場與基礎(chǔ)焊接),可多間隔合并運輸。箱體采用中間層填充隔熱材料,防潮隔熱,機(jī)柜配有風(fēng)扇和加熱器等設(shè)備。
高壓并聯(lián)電容器模塊的結(jié)構(gòu)形式分為箱式結(jié)構(gòu)和柜式結(jié)構(gòu)。箱式結(jié)構(gòu)電容器模塊占地小、結(jié)構(gòu)緊湊,可以實現(xiàn)在工廠內(nèi)的預(yù)組裝,滿足整裝整運的條件,現(xiàn)場工作量小,符合預(yù)組裝式變電站的設(shè)計理念。但電容器容量比較大時需要考慮箱體內(nèi)的散熱、通風(fēng)以及運輸?shù)葐栴},且裝置現(xiàn)場就位時對變電站的現(xiàn)場安裝條件要求較高,常用于110kV戶外變電站。
柜式電容器模塊可以采用分散運輸,現(xiàn)場組柜的形式,兼顧了最大化工廠預(yù)制的理念和現(xiàn)場運輸?shù)跹b的限制,廣泛用于110kV戶內(nèi)和半戶內(nèi)變電站,在加裝防護(hù)外殼后也可用于110kV戶外變電站。
目前中壓系統(tǒng)主要采用的接地方式有不接地、消弧線圈和小電阻接地三種方式,接地裝置主要采用消弧線圈接地成套裝置或小電阻接地成套裝置。
接地成套裝置主要由接地變(或兼站用變)、消弧線圈(或小電阻)及控制器組成,多采用戶內(nèi)組合柜結(jié)構(gòu),為拼接式結(jié)構(gòu),出廠時已經(jīng)完成柜子內(nèi)部線路的連接;運輸時,柜內(nèi)一次連接、柜子間互聯(lián)地線、柜子之間二次連接需要斷開,再現(xiàn)場重新連接。
變電站二次系統(tǒng)為三層兩網(wǎng)結(jié)構(gòu),二次設(shè)備相應(yīng)分為站控層設(shè)備、間隔層設(shè)備、過程層設(shè)備。變電站二次系統(tǒng)模塊劃分需以“安全性、獨立性、適應(yīng)性、靈活性、通用性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性”為原則。對于二次設(shè)備模塊,從功能上、布置上可劃分成不同的模塊,實現(xiàn)工廠內(nèi)規(guī)?;a(chǎn)、集成調(diào)試、模塊化配送及二次接線“即插即用”。有效減少現(xiàn)場安裝、接線及調(diào)試工作量。
(1)預(yù)制艙式二次組合設(shè)備。預(yù)制艙式二次組合設(shè)備由預(yù)制艙艙體、二次設(shè)備屏柜(或機(jī)架)、艙體輔助設(shè)施等組成,設(shè)備在出廠前完成二次設(shè)備的柜內(nèi)、柜間配線、屏柜的安裝,并二次設(shè)備屏柜連同預(yù)制艙一起整體運至現(xiàn)場。艙內(nèi)二次屏柜宜采用雙列布置,可有效減少設(shè)備艙體數(shù)量,大幅減少跨艙接線,減少占地面積和投資;站控層設(shè)備、公用設(shè)備、交直流電源設(shè)備、通信設(shè)備預(yù)制艙可采用二次屏柜單列布置。預(yù)制艙式二次組合設(shè)備應(yīng)利用配電裝置附近空隙場地布置。
(2)預(yù)制式二次組合設(shè)備。預(yù)制式二次組合設(shè)備由二次設(shè)備屏柜(或機(jī)架)及具備承載機(jī)柜、行線、收納線纜、接地等的一體化框架組成,以模塊為單位,在工廠內(nèi)完成集成和調(diào)試后,整體運輸至工程現(xiàn)場,大幅減少現(xiàn)場工作量。底座整體采用合理的防腐措施;完成模塊內(nèi)部屏間接線、工廠調(diào)試后,安裝輔助框架用于加固二次組合設(shè)備模塊,防止模塊運輸以及現(xiàn)場吊裝過程中的沖擊、振動對模塊化二次組合設(shè)備產(chǎn)生不良影響;二次設(shè)備就位后與傳統(tǒng)方案外觀一致,且單個屏柜增加或更換方便,利于工程擴(kuò)建或改造;按功能進(jìn)行模塊劃分,各功能模塊安裝于二次設(shè)備室;二次設(shè)備屏柜采用統(tǒng)一規(guī)格。預(yù)制式二次組合設(shè)備適用于裝配式建筑物內(nèi)的站控層設(shè)備、公用設(shè)備、交直流電源設(shè)備、通信設(shè)備。其優(yōu)點是每個模塊由廠家在廠內(nèi)配置好內(nèi)部接線并完成調(diào)試,設(shè)備運到現(xiàn)場后只需完成模塊外部的接口工作即可,方便施工和后期改擴(kuò)建。
(3)預(yù)制式智能控制柜。預(yù)制式智能控制柜將就地布置的保護(hù)、測控、計量和智能組件等設(shè)備按間隔與一次設(shè)備本體一體化設(shè)計、安裝,實現(xiàn)一、二次設(shè)備的高度集成。至一次設(shè)備本體采用預(yù)制電纜,至二次設(shè)備室采用預(yù)制電纜(預(yù)制光纜或尾纜),實現(xiàn)智能控制柜“即插即用”,現(xiàn)場零接線。預(yù)制式智能控制柜適用于戶內(nèi)GIS變電站,過程層、間隔層設(shè)備下放安裝。
裝配式模塊化變電站采用高可靠性的一、二次航插連接技術(shù),現(xiàn)場即插即用,安裝快速簡捷,交付后只需在現(xiàn)場進(jìn)行各模塊就位、連接和調(diào)試即可
裝配式模塊化變電站采用小型化設(shè)備,緊湊布置,可最大程度節(jié)省變電站占地面積。
裝配式模塊化變電站采用集裝箱箱體或者鋼結(jié)構(gòu)作為變電站的空間載體,直接代替建構(gòu)筑物;各電氣模塊均采用獨立基礎(chǔ)方式,基礎(chǔ)量降低;整體土建基礎(chǔ)工作量大大降低,從而降低土建的費用。
由于裝配式模塊化變電站占地面積小、建設(shè)工期短、材料可回收率高、維護(hù)成本低等特點,具有較好的經(jīng)濟(jì)性。以一般規(guī)模的110kV變電站作為研究對象,其經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)比較結(jié)果見下表1。
表1 裝配式模塊化變電站和傳統(tǒng)變電站經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)比較表
鋼結(jié)構(gòu)裝配式變電站建筑壽命和耐久性是工程設(shè)計、建造的重要關(guān)注點。傳統(tǒng)變電站的建筑設(shè)計使用年限為50年,裝配式變電站在設(shè)計時,采用的是建筑行業(yè)已廣泛應(yīng)用的材料,材料本身的耐用性能超過50年。但鋼結(jié)構(gòu)裝配式變電站的建筑設(shè)計使用年限能否達(dá)到50年,使用周期中維護(hù)費用是否經(jīng)濟(jì)等問題缺少實踐驗證。
不采取任何防火保護(hù)措施的鋼結(jié)構(gòu)耐火極限只有大約15分鐘,變電站內(nèi)含有的帶油設(shè)備和電纜等易燃部件,根據(jù)防火規(guī)范的相關(guān)要求,目前絕大部分戶內(nèi)變電站的建筑物火災(zāi)危險性為丙類或丁類,耐火等級為二級,這就要求建筑物框架結(jié)構(gòu)及附屬結(jié)構(gòu)柱、支撐的耐火極限時間至少為2.5小時,梁為1.5小時,樓板為1.0小時。因此需要采用涂刷防火涂料和包裹防火板等專門的措施使其滿足防火要求。
鋼結(jié)構(gòu)裝配式變電站外墻板本身具有一定的強度和剛度,材料本身一般不會漏水,漏水的原因主要在節(jié)點處理不當(dāng),主要體現(xiàn)在屋面、雨篷、窗戶和外墻板接縫等地方。因此,需要采用專門的設(shè)計和施工工藝。
標(biāo)準(zhǔn)配送式變電站是一種創(chuàng)新的變電站建設(shè)模式,通過應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、實施工廠化加工、組織裝配式建設(shè),極大地縮短了建設(shè)周期及施工成本。隨著標(biāo)準(zhǔn)配送式變電站建設(shè)的推廣,能夠很好地解決電力資源的利用效率,保護(hù)好生態(tài)環(huán)境。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,裝配式模塊化變電站技術(shù)未來會在儲能、光伏、風(fēng)電等新能源領(lǐng)域大面積使用。在國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)對智能電網(wǎng)進(jìn)行建設(shè)的大背景下,裝配式變電站也會逐漸轉(zhuǎn)向更智能化、更靈活化和更高電壓等級方向延伸。