模塊化智能變電站預(yù)制艙的多艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

薛歡,劉超,王笠,靳幸福

(國網(wǎng)安徽省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,安徽 合肥 230022)

0 引 言

隨著電力需求的增長和能源系統(tǒng)的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)的變電站面臨一系列問題,如占地面積大、建設(shè)周期長、智能化程度不夠高、維護(hù)成本高等[1]。為解決上述問題,模塊化建設(shè)的變電站正在快速發(fā)展,但多集中在單預(yù)制艙結(jié)構(gòu),隨著新型電力系統(tǒng)的發(fā)展,更加高效集約的多艙結(jié)構(gòu)變電站應(yīng)運(yùn)而生。多艙結(jié)構(gòu)模塊化智能變電站由多個(gè)單體預(yù)制艙左右拼接和上下疊裝組成,單體預(yù)制艙以功能劃分,并配置標(biāo)準(zhǔn)接口。單體艙在工廠內(nèi)完成集成和安裝調(diào)試,提高安裝質(zhì)量,減少現(xiàn)場安裝調(diào)試時(shí)間。運(yùn)至現(xiàn)場后,單艙在現(xiàn)場利用標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行拼接,提高建設(shè)效率。艙體內(nèi)智能化設(shè)計(jì)替代運(yùn)維人員日常巡視,降低運(yùn)維成本。相比于傳統(tǒng)變電站,多艙結(jié)構(gòu)模塊化智能變電站適用于更多場景:針對城市緊湊區(qū)域,多艙結(jié)構(gòu)變電站可以節(jié)約土地;針對臨時(shí)用電以及可再生能源接入的場景,多艙結(jié)構(gòu)可以快速建站、靈活擴(kuò)展,及時(shí)滿足用電需求。國內(nèi)外學(xué)者針對模塊化智能變電站在標(biāo)準(zhǔn)接口、集成優(yōu)化及裝配式技術(shù)等方面進(jìn)行了大量的研究和應(yīng)用[2-8],有效縮短了建站周期并提升了建設(shè)效率和質(zhì)量。

20世紀(jì)90年代,國外率先開展了模塊化變電站的研究,設(shè)計(jì)出35 kV模塊化變電站,進(jìn)而結(jié)合智能電網(wǎng)的概念提出了模塊化智能變電站。同一時(shí)期,IEEE牽頭對模塊化智能變電站的建設(shè)形成了標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議[9],之后為進(jìn)一步減小變電站的建筑占地面積,推出了66 kV模塊化智能變電站,并逐步形成了一整套設(shè)計(jì)流程和施工工藝。

我國對模塊化建設(shè)變電站的研究和應(yīng)用主要經(jīng)歷了4個(gè)階段[10]。第一階段(1998—2000年)可生產(chǎn)用于10 kV電壓等級的高壓柜預(yù)制艙及相應(yīng)的二次設(shè)備。第二階段(2000—2005年)可生產(chǎn)具有穩(wěn)定性能的10 kV開關(guān)柜及35 kV預(yù)制艙箱體。第三階段(2005—2013年)開始自主研發(fā)35～220 kV的一次設(shè)備,并逐步實(shí)現(xiàn)一次和二次設(shè)備全部模塊化集成布置于預(yù)制艙內(nèi),實(shí)現(xiàn)設(shè)備整體運(yùn)輸和安裝。第四階段(2013年至今)是在國家電網(wǎng)公司提出 “模塊化建設(shè)智能變電站”這一設(shè)計(jì)理念后,我國逐步實(shí)現(xiàn)了110 kV和220 kV電壓等級變電站的模塊化技術(shù)[11]。然而,一方面,隨著我國城市化進(jìn)程的加速,城市變電站需要向更加集約的方向發(fā)展;另一方面,新型電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型升級要求提升變電站的智能化水平;因此,未來的變電站必將是模塊化智能變電站[12]。由于現(xiàn)有的裝配式技術(shù)和獨(dú)立的預(yù)制艙無法滿足未來變電站建設(shè)的需求,本文提出了模塊化智能變電站多艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

1 模塊化智能變電站

傳統(tǒng)變電站采用“三層兩網(wǎng)”結(jié)構(gòu)[13],其中,“三層”指過程層、間隔層和站控層,“兩網(wǎng)”指過程層網(wǎng)絡(luò)和站控層網(wǎng)絡(luò)。

模塊化變電站在傳統(tǒng)變電站的基礎(chǔ)上,使用裝配式技術(shù),以功能需求為導(dǎo)向優(yōu)化變電站的總平面布置及主接線結(jié)構(gòu)[14]。模塊化智能變電站將整個(gè)模塊化變電站以設(shè)備模塊為單位,全面感知全站設(shè)備的全景狀態(tài),其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多艙結(jié)構(gòu)下數(shù)據(jù)智能融合原理

基于站內(nèi)一體化運(yùn)維管控平臺上的數(shù)據(jù),針對不同設(shè)備構(gòu)建多源故障判斷信息庫,開展數(shù)據(jù)融合智能分析?；谥悄芩惴?實(shí)現(xiàn)站內(nèi)設(shè)備狀態(tài)全景掌控、異常缺陷主動預(yù)警、設(shè)備故障智能診斷,并將站內(nèi)全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果與遠(yuǎn)端集控中心進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。

目前,我國的模塊化智能變電站技術(shù)取得了一定的發(fā)展,但仍存在一些問題:一次設(shè)備采用的預(yù)制艙設(shè)備由于單艙尺寸運(yùn)輸限制,僅能滿足部分小規(guī)模變電站使用;預(yù)制艙式二次組合設(shè)備并未完全普及使用,施工現(xiàn)場接線復(fù)雜,艙內(nèi)設(shè)備集成程度不夠優(yōu)化等。這些問題限制了變電站向更加集約化、智能化方向發(fā)展。

2 模塊化智能變電站預(yù)制艙

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化加工、裝配式建設(shè)是模塊化變電站建設(shè)的三大要求[15-17]?；谏鲜鲆?擁有預(yù)制裝配式、緊湊化、經(jīng)濟(jì)性好、運(yùn)維方便等諸多優(yōu)點(diǎn)的預(yù)制艙式變電站得以推廣應(yīng)用。預(yù)制艙的主材料為鋼,艙內(nèi)配置有各類輔助設(shè)施,包括:空調(diào)通風(fēng)、通信、消防安防、動力照明等,需按照國家規(guī)定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行配置。

變電站中應(yīng)用最廣泛的是預(yù)制艙式二次組合設(shè)備,其在一個(gè)預(yù)制艙內(nèi)集中布置變電站間隔層二次設(shè)備。預(yù)制艙式二次組合設(shè)備的安裝需使用屏柜或者機(jī)架,其與艙外設(shè)備間的連接,需通過預(yù)留預(yù)制光纜/電纜接口的形式連接。另外,預(yù)制艙底座設(shè)計(jì)有標(biāo)準(zhǔn)化的走線槽,走線槽分為橫向線槽和縱向線槽兩種形式,用于實(shí)現(xiàn)預(yù)制艙內(nèi)不同屏柜之間的電纜或尾纜連接。

根據(jù)文獻(xiàn)[18-19]中關(guān)于預(yù)制艙技術(shù)的要求,結(jié)合設(shè)備廠家屏柜設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)場檢修維護(hù)需求、運(yùn)輸安裝條件等因素,將預(yù)制艙的尺寸定義為Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型3種類型,具體尺寸如表1所示。

表1 預(yù)制艙尺寸

當(dāng)前國內(nèi)預(yù)制艙變電站大多為單個(gè)艙體或多個(gè)艙體單層獨(dú)立布置,因此艙式結(jié)構(gòu)體系的研究主要集中于單艙。大型艙體需要在變電站施工現(xiàn)場拼接艙體,其在拼接時(shí)需要注意對接精度,以保證在艙體對接成功的同時(shí)艙內(nèi)設(shè)備能成功對接。然而現(xiàn)有的簡單裝配式結(jié)構(gòu)無法保障在艙體對接時(shí)設(shè)備能精準(zhǔn)對接,因此需要研究設(shè)備與艙體結(jié)合的多艙體系結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)有設(shè)備廠家的預(yù)制艙體結(jié)構(gòu)構(gòu)件包括角鋼、方鋼管,分別配套不同的墻板,然而這些結(jié)構(gòu)構(gòu)建均存在設(shè)計(jì)方法不明確、設(shè)計(jì)冗余度及用鋼量大等問題。制約多艙結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)與應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問題主要有多艙疊裝的結(jié)構(gòu)體系、多艙體間連接方法、多艙體系抗震性能等。

綜上所述,目前集裝箱式預(yù)制艙結(jié)構(gòu)的研究成果設(shè)計(jì)方法不清晰,設(shè)計(jì)過于保守,無法直接套用于多艙結(jié)構(gòu)模塊化智能變電站。此外,模塊化結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)已有相關(guān)研究成果[7],但多艙組合方式及多艙體系抗震性能的研究深度仍不足。

3 多艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及建模

建設(shè)多艙體系的變電站需要優(yōu)化多艙結(jié)構(gòu),在滿足運(yùn)輸、吊裝、安裝、抗風(fēng)和抗震等不同工況變形和承載能力要求的前提下,建立多艙結(jié)構(gòu)預(yù)制艙體系,分析主變模塊、GIS模塊、開關(guān)柜模塊、二次設(shè)備模塊的設(shè)備選型、模塊化設(shè)計(jì)方案、標(biāo)準(zhǔn)化接口及運(yùn)維檢修等方面的適用性及方案可行性,形成完整的多艙結(jié)構(gòu)體系。

多艙體系變電站將一次部分以設(shè)備為單元?jiǎng)澐帜K,二次部分整合為二次設(shè)備模塊。變電站全部二次設(shè)備從功能和結(jié)構(gòu)上重新劃分模塊組,二次艙段按工業(yè)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一模數(shù),以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場線纜最少化目標(biāo)。多艙體系變電站通過優(yōu)化設(shè)備選型,重構(gòu)設(shè)備單元,標(biāo)準(zhǔn)化模數(shù)設(shè)計(jì),采用多艙拼接和疊艙布置等設(shè)計(jì)方法可有效提升變電站裝配效率,優(yōu)化變電站結(jié)構(gòu),減小變電站占地面積。

對于多艙體系變電站,一次接口通過電纜井實(shí)現(xiàn)走線連接,艙體內(nèi)預(yù)留電纜井位置。二次接口通過標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)接柜實(shí)現(xiàn)插拔式連接,二次線纜利用艙底夾層走線布置。在艙體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,考慮在艙內(nèi)預(yù)留轉(zhuǎn)接柜位置。通風(fēng)由艙端空調(diào)和風(fēng)道實(shí)現(xiàn),設(shè)計(jì)中考慮空調(diào)布置和風(fēng)道位置。在艙體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求的情況下,上述因素不會對艙體用鋼量產(chǎn)生直接影響,因此多艙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)考慮荷載和強(qiáng)度的影響進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在多艙結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中需要設(shè)定3種變量或函數(shù):設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件。

設(shè)計(jì)變量是多艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中描述結(jié)構(gòu)特征的量。變量包括多艙框架的結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)、截面尺寸、鋼材料的力學(xué)參數(shù)和其他特征參數(shù)等。例如:鋼架跨度、艙體層高、鋼柱間距等。其中,鋼架跨度、艙體層高幾何參數(shù)已由電氣方案確定,被稱為預(yù)定參數(shù)。綜上考慮,本文選取截面尺寸為設(shè)計(jì)變量,主要考慮截面尺寸及材料強(qiáng)度對多艙體系受力性能的影響。

目標(biāo)函數(shù)是衡量多艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)劣的最終指標(biāo),是優(yōu)化設(shè)計(jì)中最重要的方面之一。它可以設(shè)計(jì)為多艙結(jié)構(gòu)的最大受力、多艙結(jié)構(gòu)造價(jià)、抗震性、耗材體積、占地面積等中的一項(xiàng)或多項(xiàng)的綜合。目標(biāo)函數(shù)簡單設(shè)計(jì)為多艙結(jié)構(gòu)的用鋼量最少。用鋼量公式如下:

V(x)=a1V1(x)+a2V2(x)+…anVn(x)

(1)

式中:n為型鋼的種類;a1,a2,…,an為不同型鋼的個(gè)數(shù);V1(x),V2(x),…,Vn(x)為各型鋼的鋼量;x為影響型鋼質(zhì)量的參數(shù)。

約束條件是多艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的限制條件,反映了多艙結(jié)構(gòu)的安裝規(guī)范、幾何尺寸、受力極限、結(jié)構(gòu)變形等方面的要求。約束條件一般有閾值和約束方程,約束方程又可分為顯式約束方程和隱式約束方程。在多艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中框架幾何形狀和尺寸的約束可以表示為顯式約束,鋼材應(yīng)力大小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、艙體固有頻率等條件由于有多個(gè)方程耦合,因此為隱式約束。

多艙結(jié)構(gòu)規(guī)范限制約束條件如下:多艙結(jié)構(gòu)或框架構(gòu)件的破壞或過度變形時(shí)的承載能力極限應(yīng)符合公式規(guī)定。

γ0Sd≤Rd

(2)

式中:γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù),Sd為作用組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值,Rd為結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的抗力設(shè)計(jì)值。

多艙結(jié)構(gòu)或框架構(gòu)件應(yīng)按正常時(shí)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì),符合式(3)規(guī)定。

Sd≤C

(3)

式中:C為設(shè)計(jì)對形變、裂縫等規(guī)定的相應(yīng)限值。

1)應(yīng)力約束。

(4)

式中:σ和τ為應(yīng)力,σc為局部壓應(yīng)力,β1為強(qiáng)度增大系數(shù),f為鋼材的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

2)穩(wěn)定約束。

(5)

式中:Mx,My為同一截面處x軸和y軸的彎矩設(shè)計(jì)值;Wx,Wy為對x軸和y軸的凈截面模量;γy為截面塑性發(fā)展系數(shù);φb為梁的整體穩(wěn)定系數(shù);f為鋼材的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

3)剛度約束。

鋼結(jié)構(gòu)的水平位移須滿足變形控制要求,滿足正常使用極限狀態(tài)。

Δymax≤[v]

(6)

式中:v為容許位移限值,Δymax為水平位移最大值。

結(jié)合單艙分析結(jié)果及本節(jié)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型,多艙結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以梁柱截面尺寸、材料強(qiáng)度為設(shè)計(jì)變量,最小用鋼量為目標(biāo)函數(shù),以強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定等規(guī)范限制約束以及安裝、電氣設(shè)備布置形式等功能為約束條件。

4 結(jié)果分析

在MIDAS Gen建立多艙結(jié)構(gòu)模型,確定多艙結(jié)構(gòu)為輕鋼龍骨結(jié)構(gòu),確定材料強(qiáng)度為Q355B,截面類型選擇矩形薄壁方鋼管,局部荷載較大區(qū)域梁截面采用H型鋼,并對局部進(jìn)行截面加強(qiáng)處理。多艙結(jié)構(gòu)三維模型如圖2所示。

圖2 多艙結(jié)構(gòu)三維模型

針對圖2的多艙結(jié)構(gòu)模型,利用MIDAS Gen進(jìn)行計(jì)算分析,結(jié)合材料強(qiáng)度、剛度、應(yīng)力比、用鋼量、龍骨布置間距、電氣設(shè)備布置形式等多參數(shù)的影響,以結(jié)構(gòu)受力性能和用鋼量為導(dǎo)向,綜合考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定承載力,優(yōu)化梁柱截面。優(yōu)化后模型中:柱的截面尺寸為200 mm×5/100 mm×5 mm,矩形方鋼管梁的截面尺寸為140 mm×80 mm×4/100 mm×50 mm×3 mm,H型鋼梁的截面尺寸為294 mm×200 mm×8 mm×12 mm,鋼材的材料屈服強(qiáng)度為345 MPa。

優(yōu)化后的模型在主要工況下的計(jì)算結(jié)果如下:

1)周期及振型。通過MIDAS Gen計(jì)算,可得結(jié)構(gòu)前六階周期及振型如表2所示。根據(jù)計(jì)算可知,結(jié)構(gòu)的第1振型和第2振型均為平動,而結(jié)構(gòu)的第3振型為扭轉(zhuǎn),且Tt/T1=0.297 4/0.505 9=0.59<0.9,滿足要求。

表2 多艙結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)周期及振型

2)各工況作用下結(jié)構(gòu)的支座反力。通過計(jì)算,在恒載、活載及風(fēng)載作用下,多艙結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)支座反力如圖3所示,結(jié)構(gòu)最大支座反力為58.9 kN,滿足規(guī)程規(guī)范[17]中規(guī)定的要求。

圖3 多艙結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)支座反力

3)各工況作用下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力。通過計(jì)算,在恒載、活載及風(fēng)載作用下,多艙結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖4所示,結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為268.41 MPa,滿足文獻(xiàn)[17]中規(guī)定的305 MPa的要求。

圖4 多艙結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

4)各工況作用下結(jié)構(gòu)的形變。通過計(jì)算,在恒載、活載及風(fēng)載作用下,多艙結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變形如圖5所示,結(jié)構(gòu)最大形變?yōu)?0.19 mm,滿足文獻(xiàn)[17]中12 mm的要求。

圖5 多艙結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形變

5)各工況作用下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力比。利用MIDAS Gen結(jié)構(gòu)分析軟件計(jì)算可知,模型綜合考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、位移、剛度、用鋼量等參數(shù)影響,調(diào)整梁柱截面尺寸進(jìn)行優(yōu)化,如圖6所示。

圖6 多艙結(jié)構(gòu)的構(gòu)件應(yīng)力比組合統(tǒng)計(jì)結(jié)果

優(yōu)化后的多艙結(jié)構(gòu)在各工況下變形及應(yīng)力均滿足規(guī)范要求,且墻板龍骨無需額外安裝。多艙結(jié)構(gòu)用鋼量為9.37 t,常規(guī)110 kV變電站鋼框架結(jié)構(gòu)用鋼量為20.27 t,多艙結(jié)構(gòu)整體用鋼量較常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)顯著降低53.77%。

5 結(jié) 論

多艙結(jié)構(gòu)模塊化智能變電站擴(kuò)展了單艙結(jié)構(gòu)模塊化建設(shè)變電站的應(yīng)用場景,讓模塊化建造技術(shù)可適用于不同規(guī)模和類型的電力建設(shè)需求。根據(jù)場地具體情況和建設(shè)規(guī)模,可個(gè)性化定制多艙結(jié)構(gòu)型式和拼接方案,大大提高了變電站建設(shè)的靈活性,同時(shí)降低了現(xiàn)場建設(shè)和調(diào)試成本。該設(shè)計(jì)方式確保每個(gè)艙室在功能上協(xié)同工作,提高了整個(gè)系統(tǒng)的效率和可靠性,能更好實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成與智能設(shè)備集成。多艙結(jié)構(gòu)模塊化智能變電站的應(yīng)用為電力行業(yè)帶來了更靈活、高效和可持續(xù)的解決方案,為未來能源系統(tǒng)的發(fā)展提供了有力支持。