220 kV地下變電站電氣布置研究

王衛(wèi)華，沈 婷

(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200001)

0 引言

發(fā)達(dá)國(guó)家地下變電站建設(shè)起步早，日本東京電力公司1952年建造了第一座地下變電站。國(guó)內(nèi)地下變電站建設(shè)起步雖晚，但發(fā)展需求較快。一般在城市電力負(fù)荷集中但根據(jù)地面規(guī)劃空間受限的地區(qū)建設(shè)全地下變電站，變電站可結(jié)合城市綠地或運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、停車場(chǎng)等地面設(shè)施獨(dú)立建設(shè)，也可結(jié)合其他工業(yè)或民用建(構(gòu))筑物共同建設(shè)地下變電站，做到盡量不單獨(dú)占用或少占用城市用地，體現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展的思想。結(jié)合地面設(shè)施、地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)受力等情況，地下變電站可選擇圓形、方形或其他形狀。除了北京和上海等少數(shù)大城市，地下變電站都屬于新應(yīng)用，可研究題目不少；且相對(duì)于常規(guī)地上變電站，考慮到地下結(jié)構(gòu)的安全性和節(jié)省整體造價(jià)，變電站結(jié)構(gòu)型式、設(shè)備選擇和電氣布置尤為重要。本文結(jié)合某城市220 kV地下變電站的實(shí)際情況，從提高可靠性和降低變電站投資角度分析給出了一種優(yōu)化可行的電氣布置。

1 變電站概況和建設(shè)規(guī)模

某地區(qū)交通樞紐工程配合建設(shè)一個(gè)220 kV變電站，其為該地區(qū)首座地下220 kV變電站。變電站位于樞紐地面轉(zhuǎn)運(yùn)站旁，地面擬建為公用綠地。變電站終期規(guī)模為主變壓器容量4×180 MVA，電壓等級(jí)220/35 kV，220 kV采用線路－變壓器組接線，電纜進(jìn)線4回，2回來自白廟220 kV變電站，2回來自昆緯路220 kV變電站，35 kV采用兩個(gè)兩組單母線分段環(huán)形接線，出線40回。本期規(guī)模為主變壓器容量2×180 MVA，220 kV采用線路－變壓器組接線，一回電源來自白廟1，一回電源來自昆緯路1，35 kV采用兩組單母線分段環(huán)形接線，出線20回。系統(tǒng)單線圖如圖1所示。

圖1 ?電氣單線圖

2 結(jié)構(gòu)形式的選擇

地下構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)形式大體可分為“圓筒形”與“方形”兩類，其安全可靠性、技術(shù)合理性、布置靈活性、可借鑒性及經(jīng)濟(jì)性等方面的比較見表1所列。

表1 ?結(jié)構(gòu)形式比較表

續(xù)表

綜上所述，對(duì)獨(dú)立建設(shè)的地下變電站，無論技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性，較之“方形”結(jié)構(gòu)，“圓筒形”結(jié)構(gòu)均具備一定優(yōu)勢(shì)。因此，本地下變電站采用圓筒形結(jié)構(gòu)，地面部分將作為公用綠地。

3 總體平面布置[1]

本220?kV變電站為全地下布置：分三層布置，在內(nèi)部總體布置上留有設(shè)備運(yùn)輸及巡視通道。

電氣總體布置原則如下：

1) 地下變電站維護(hù)檢修條件相對(duì)較差，內(nèi)部空間較小，布置上盡可能地避免單個(gè)室內(nèi)布置多個(gè)設(shè)備，以免由于少量或個(gè)別設(shè)備出現(xiàn)問題而影響其它設(shè)備的運(yùn)行，故在本設(shè)計(jì)中未采用大房間布置多個(gè)設(shè)備的方案。

2) 有動(dòng)力電纜連接的設(shè)備布置在地下二層，下方為電纜處理層，如220?kV 氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(gas insulated switchgear，GIS)、35?kV GIS 配電裝置 ；

3) 主變壓器等油浸式設(shè)備布置在地下二層；

4) 二次部分設(shè)備全部布置在地下一層。

3.1 主變壓器選擇及布置

220?kV主變壓器是變電站外形最大、最重要的設(shè)備，其結(jié)構(gòu)及布置決定了整個(gè)變電站的布置情況。

本站采用220?kV雙繞組(帶平衡繞組)，油浸式，高壓側(cè)有載調(diào)壓變壓器。

主變壓器的冷卻方式可以選擇一級(jí)冷卻方式的強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷OFAF、強(qiáng)迫油循環(huán)自冷OFAN或二級(jí)冷卻方式的強(qiáng)迫油循環(huán)水冷OFWF、強(qiáng)迫油循環(huán)油冷OFOF。一級(jí)冷卻方式的變壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整個(gè)冷卻系統(tǒng)為一個(gè)整體，但由于本站為地下變電站，其變壓器本體布置在地下，而冷卻裝置需要安裝在地面以上，二者的高差比較大，預(yù)計(jì)可能超過15?m，如果采用這種方案制造廠家必須采用高強(qiáng)度油箱結(jié)構(gòu)，目前該技術(shù)和產(chǎn)品運(yùn)行不夠成熟，可能出現(xiàn)滲漏油現(xiàn)象。

二級(jí)冷卻方式的優(yōu)點(diǎn)是不增加變壓器自身制造難度，僅可能增加一定的設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用，目前的高落差的運(yùn)行業(yè)績(jī)良好。考慮到地下變電站對(duì)設(shè)備安全可靠性的要求，因此本站采用二級(jí)冷卻方式。對(duì)于地面部分不外乎采用冷卻器或者散熱器二種結(jié)構(gòu)，冷卻器冷卻效果好，設(shè)備投資低，但風(fēng)扇噪聲大，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高。散熱器本身占地面積大，一次投資高，但基本沒有噪聲，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低。二次冷卻介質(zhì)可考慮油或者水，水的冷卻效果好，而且無需考慮消防相關(guān)措施。因此，本站220?kV主變壓器采用了強(qiáng)迫油循環(huán)閉式水冷卻方式(OFWF)。

根據(jù)總體布置原則和變壓器型式，本站遠(yuǎn)景4臺(tái)220?kV主變壓器兩兩對(duì)稱布置在地下二層主通道兩側(cè)，油水交換器靠近變壓器本體布置，冷卻器布置在地面，冷卻水通過水泵引到地面冷卻器進(jìn)行冷卻。

3.2 220 kV設(shè)備選擇及布置

考慮根據(jù)地下變電站設(shè)備選擇的高可靠性、小型化的原則，本220?kV變電站220?kV采用GIS設(shè)備。

考慮到本站220kV采用線路－變壓器組接線，GIS結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，布置尺寸較小，因此，為了節(jié)省占地面積，220?kV GIS與主變壓器直聯(lián)緊靠布置。

3.3 35 kV設(shè)備選擇及布置

根據(jù)地下變電站設(shè)備選擇的高可靠性、小型化的原則，本220?kV變電站35?kV采用氣體絕緣開關(guān)柜(充氣柜)。

根據(jù)本變電站的規(guī)模和電氣主接線，本期35?kV設(shè)置4個(gè)主變進(jìn)線間隔、4個(gè)母線設(shè)備間隔、2個(gè)分段間隔、2個(gè)分段隔離間隔、2個(gè)站用電間隔以及20個(gè)出線間隔，總共34個(gè)間隔，間隔寬度按0.6?m(進(jìn)線和分段間隔為0.8?m)考慮。遠(yuǎn)景35?kV充氣柜將比本期減少2個(gè)站用電回路間隔，為32面柜子。充氣柜采用雙列布置，本期和遠(yuǎn)景對(duì)稱分布在兩個(gè)房間內(nèi)。

主變低壓側(cè)與35?kV開關(guān)柜考慮采用絕緣母線連接，如圖2所示。

圖2 ?主變與35?kV充氣柜連接示意圖

3.4 吊物孔和通道

1)吊物孔

根據(jù)變電站規(guī)模和布置方案，為節(jié)約占地面積，主變壓器的吊裝和其它設(shè)備的吊裝考慮合用一個(gè)吊物孔，根據(jù)變壓器的大致外形尺寸，設(shè)置為5.5×10?m。主吊物孔供主變的吊裝，輔吊物孔嵌于其中，供其它設(shè)備的吊裝，吊物孔頂部作裝飾處理。

2)通道

根據(jù)變壓器的大致外形尺寸，主變壓器運(yùn)輸通道按5.5?m考慮；除主變外的其它電氣設(shè)備外形均較小，其運(yùn)輸通道應(yīng)結(jié)合暖通專業(yè)的風(fēng)管布置一并考慮，根據(jù)不同位置風(fēng)管數(shù)量的不同其寬度也相應(yīng)不同。

3.5 電纜層及電纜豎井

因主要電氣設(shè)備集中布置在地下二層，故在地下三層設(shè)置電纜夾層，以方便高壓動(dòng)力電纜的敷設(shè)引接。

除設(shè)置電纜層以外，不可避免還需設(shè)置部分電纜豎井。根據(jù)城市電纜通道規(guī)劃，本站4回220?kV電纜分別由變電站西南、西北方向進(jìn)入變電站，35?kV電纜分別由變電站東南、東北方向進(jìn)入變電站，結(jié)合圓筒形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在圓四角設(shè)置主電纜豎井，通過接口井與城市電纜通道相連。另外，在圓四周設(shè)置多個(gè)專用的管道井和電纜豎井，做到專井專用，各類管線不互竄，在二次保護(hù)室附近設(shè)置二次專用豎井。

220?kV進(jìn)線電纜和35?kV出線電纜在電纜夾層沿地面敷設(shè)至電纜豎井，然后分4個(gè)方向通過電纜豎井向上并出站進(jìn)入城市規(guī)劃電纜通道。

低壓及控制電纜考慮采用電纜橋架結(jié)合電纜溝、電纜豎井敷設(shè)方式。

3.6 電氣平面布置圖

根據(jù)以上分析，本220?kV變電站主設(shè)備層電氣平面布置如圖3所示。

圖3 ?電氣平面布置圖

4 層高選取

層高由實(shí)際設(shè)備安裝、維護(hù)、試驗(yàn)的要求來確定。

根據(jù)結(jié)構(gòu)的初步計(jì)算，結(jié)構(gòu)梁高約1.5～1.8?m。主變、220 kV GIS安裝后高度基本在5～6?m之間，設(shè)備吊裝、試驗(yàn)最小空間高度一般要3.5～4?m，故主變壓器房間的層高基本要在11～12?m之間?？紤]到暖通風(fēng)管的布置，為滿足設(shè)備的運(yùn)輸安裝，35?kV GIS開關(guān)柜室層高取6.2?m，保護(hù)室和電源室層高取5.2?m。電纜層層高的選擇主要考慮高低壓電纜敷設(shè)和暖通風(fēng)管布置，綜合考慮安裝和運(yùn)行人員的日常巡視，電纜層的層高取4.2?m。

因此，每層層高如下：地下一層：5.2?m，地下二層：6.2?m，地下三層4.2?m。主變壓器房間跨地下一、二層，層高為11.4?m。

變電站上部考慮2?m厚覆土和綠化，頂板標(biāo)高按-2?m設(shè)計(jì)。

5 建筑指標(biāo)和整體效果

本站為220?kV全地下變電站，采用圓筒形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)外徑62?m，按地下三層考慮：保護(hù)室、蓄電池室、電源室和排風(fēng)機(jī)房設(shè)在地下一層 (-7.2?m)，主變壓器、220?kV?GIS、35?kV 開關(guān)柜和35?kV接地電阻設(shè)在地下二層(-13.4?m)，地下三層(-17.6?m)為電纜層、事故油池、消防水泵房和排水泵房等。考慮到地面總體規(guī)劃協(xié)調(diào)，變電站地面層盡量減少，僅設(shè)置出入口、通風(fēng)排煙口和主變冷卻器。

根據(jù)前面分析，本220?kV地下變電站外徑62?m，地下主體部分三層布置，地面設(shè)置出入口、通風(fēng)排煙口和主變冷卻器，建筑指標(biāo)如下：

地下建筑面積：8?345?m2；地上建筑面積：270?m2；地上建筑高度 ：5.18?m ；地下建筑深度：-17.6?m；整體效果如圖4所示。

圖4 ?變電站效果圖

6 結(jié)語(yǔ)

相對(duì)于常規(guī)變電站，地下變電站設(shè)計(jì)側(cè)重點(diǎn)有所不同結(jié)合工程位置和建設(shè)規(guī)模，應(yīng)重點(diǎn)考慮其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、防水性，考慮設(shè)備防火、引接方便和運(yùn)行維護(hù)便利，考慮整體經(jīng)濟(jì)性，文章從這些方面分析給出了某220?kV地下變電站推薦的結(jié)構(gòu)型式、設(shè)備選擇和電氣布置。不同的地域環(huán)境和地址條件、不同的建設(shè)規(guī)模的地下變電站，其結(jié)構(gòu)型式和電氣布置也會(huì)不同，后續(xù)可分類詳細(xì)研究，推動(dòng)國(guó)內(nèi)地下變電站的良性發(fā)展。