張國興，劉惠姣，王亞青，鄧宏懷

（1.鼎陽智電慧服科技股份有限公司，河北保定 071051；2.保定電力職業(yè)技術學院，河北保定 071051；3.國網(wǎng)河北保定供電公司，河北保定 071000）

0 引言

隨著城市用電負荷的增大，道路兩旁的箱式開閉所、電纜分接箱、箱式變電站等電力設備越來越多，這些設備時刻影響著道路通暢及附近商鋪的經(jīng)營，也給人們的生活帶來諸多不便。特別在繁華的商業(yè)街區(qū)，體積龐大的電力設備，不僅占據(jù)了大量的黃金地面，還妨礙了人們的活動及視線，甚至嚴重影響了附近商鋪的經(jīng)營。在活動中的人們不斷穿梭在運行中的電力設備附近，運行狀況較差的電力設備時刻威脅著附近人們的安全。另在道路上行駛的車輛，會因交通事故等原因偏離正常的行駛路線，對運行中的電力設備造成機械撞擊，造成重大的電力運行故障，所以說道路行駛的車流時刻威脅著兩旁電力設備的運行安全。針對以上問題，設備制造廠家、運管單位和市政管理相關單位一直在尋找一個行之有效的辦法來解決此類問題。我們結(jié)合現(xiàn)場的施工經(jīng)驗與大量的市場調(diào)研，研發(fā)設計了一種創(chuàng)新型預裝組合式地埋配電艙的結(jié)構(gòu)及其組成部件，將運行的電氣設備沉入地下，通過合理的布局設計，滿足設備的施工、操作及運行要求。該技術方案，有效地解決了地面空間使用緊張及空間障礙的問題，并提高了對地下資源的利用。同時也希望該技術方案能為相關設計人員提供一定的經(jīng)驗借鑒，推動電力設備對地下資源的開發(fā)利用，從而提高設備的經(jīng)濟管理效益。

1 電力設備安裝防護基本現(xiàn)狀分析

目前，電力行業(yè)對供配電中電力設備的防護方式主要有兩種，一是將設備安裝在有基礎建設的配電房中，二是利用金屬材質(zhì)或者非金屬材質(zhì)制成具有一定機械應力和防護等級的戶外箱體，對電力設備的運行進行安全防護，設備與用電負載的連接通常采用電力電纜的連接方式，電纜的敷設方式通常是設備上面電纜橋架架空走線或設備下面電纜溝敷設或直埋的方式。電力設備用戶結(jié)合設備的使用環(huán)境，提出不同的防護等級要求，從而保證現(xiàn)場設備的安全運行和運維人員的作業(yè)安全。室內(nèi)安裝供配電設備的防護等級一般不做防雨水要求，戶外設備防護等級要求為IP33以上。

1.1 室內(nèi)安裝的配電設備防護技術的優(yōu)點和不足

室內(nèi)安裝的供配電設備一般有高壓柜、低壓柜、變壓器、動力箱、配電箱等產(chǎn)品，這些產(chǎn)品的防護等級一般為IP3X及以上，這些設備的安裝對防雨水一般沒有要求，箱體的防護設計要求較低，制造工藝簡單，故投資成本較低。在炎熱的夏季，我國部分城市極易受到惡劣天氣的襲擊，出現(xiàn)局部的內(nèi)澇，導致配電室透水或進水，沒有防水功能的電力設備因進水引發(fā)安全事故，繼而導致大面積停電事故，嚴重影響人們的正常生活，也給社會帶來了較大的經(jīng)濟損失。為此，一些電力配電室的設計初期常采用工程防水的措施來防止地下配電室進水問題，常采用以混凝土自防水配合架空層和夾壁墻相結(jié)合的構(gòu)造防水方案，這種做法是將普通混凝土改為自防水混凝土，施工對配電室上層樓板和墻體做大范圍的室內(nèi)防水處理，以防止水分進入配電室，配合門窗的密閉措施處理，來解決土建結(jié)構(gòu)施工過程中和工程建成后的配電室進水問題。

1.2 戶外安裝的配電設備防護技術的優(yōu)點和不足

戶外安裝的供配電設備一般有電纜分接箱，箱式開閉所、箱式變電站、戶外動力箱等產(chǎn)品，這些產(chǎn)品的防護等級一般為IP33及以上，安裝的時候一般都有防浸水的技術要求，故安裝地點相對較安全，設備不會出現(xiàn)浸水情況。這些供配電設備相對于配電室的建設，其面積小，結(jié)構(gòu)緊湊，工程施工周期短，相對建筑工程大大地節(jié)約了工程造價。安裝設備設置在空余地面，設備的制造可以根據(jù)周圍環(huán)境設計，以便使設備的樣式和顏色能更好的融入周邊環(huán)境，同時戶外設備的安裝使用也成功地解決了供配電設備被水淹沒水浸的問題。配電設備安裝于戶外，不僅節(jié)約了原來用于做配電室的場所，還可供業(yè)主租賃使用，產(chǎn)生較好的經(jīng)濟效益。

設備一般安裝在道路兩側(cè)、廣場或小區(qū)內(nèi)部，設備的體積大小不一，顏色各異，造成了美觀性的缺失，極大程度的影響了市容市貌；一些大體積的供配電設備，安裝在道路兩側(cè)，對人們的出行帶來了諸多不便，也極易受到外部車輛的沖撞和人為破壞，影響設備的安全運行。

鑒于上述情況，為了更好的對供配電設備進行綜合防護，一些發(fā)達國家已按照城市生態(tài)設計理念，逐步將供配電設備的運行環(huán)境設計在地表以下，我國的地埋式箱變、地埋式電纜分接箱、地埋式開閉所等產(chǎn)品就是為滿足上述領域的要求設計和開發(fā)的一種新的應用技術，近幾年正以獨特技術和綜合經(jīng)濟優(yōu)勢逐漸被市場所接受。

2 預裝組合式地埋配電艙的方案設計

為了彌補室內(nèi)外配電設備安裝工程及防護措施的不足，對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進行了重新的分配定義，并開發(fā)出預裝組合式地埋配電艙，該方案從結(jié)構(gòu)上主要分為九部分，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 地埋艙地基基礎

按照設備的體積，挖好適合整體設備的地基，一般深度為3 200 mm，地埋艙基礎是鋪設在坑底的水泥澆筑平面，其作用是為水泥墩支撐件做承壓基礎，也是地埋艙的最下端部分；混凝土厚深度為100 mm，并在地基的中心設置有400 mm×400 mm×400 mm的滲水井，用于基礎面上積水的滲透。

圖1 預裝組合式地埋配電艙結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagram of preassembled combined buried distribution equipment

2.2 水泥墩支撐件

水泥墩支撐件，安放在有水泥澆筑的平面基礎上，安放位置為四邊非全封閉組合方式，非封閉一側(cè)與預制人井下部單元構(gòu)成電纜施工通道，便于施工人員進出。電力設備和下級用電負載之間采用電纜連接的方式，符合國標GB50053-2013《20 kV及以下變電所設計規(guī)范》規(guī)定，戶外箱式變電站和組合式成套變電站的進出線宜采用電纜的技術要求。預制水泥墩支撐件上開設有電纜進出線孔，電纜可通過預制石墩的預留孔通過電纜管穿入有預制石墩圍成的電纜施工通道，電纜的預留和轉(zhuǎn)向均在此面完成，電纜的彎曲半徑滿足GB50303-2015《建筑電氣工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》。石墩支撐件的高度滿足施工電纜的彎曲半徑需求，標準設計為1 200 mm，水泥墩支撐件上部放置地埋艙的主體部分——密封艙體。

2.3 人井通道

人井通道由金屬管道組合而成，為預制工件。通道分上部單元和下部單元，上下單元為直插組合方式，人井上部單元上部設置有井蓋，井蓋直徑800 mm，井蓋與人井上部單元組合設置有開啟角度定位裝置防止井蓋丟失或泄壓時沖入高空跌落傷人，人井通道內(nèi)部焊接有可供攀爬的拉手[1]，方便施工人員進出。此通道既可作為施工通道，也可作為泄壓通道。施工人員可通過人井通道進入支撐石墩圍成的箱體下部的電纜施工通道在里面施工。為進一步完善設備的安全措施，在艙內(nèi)的一次設備發(fā)生弧光短路故障的情況下，內(nèi)部的氣壓通過進出倉通道泄壓，形成泄壓通道，對艙體進行壓力釋放。

2.4 密封艙體

密封艙體整體機構(gòu)采用4.0瓦楞板材密封焊接制造，底部有8-10#槽鋼作為底部的支撐工件，上部有密封防浸水蓋板，并可起吊，為內(nèi)部設備的更換提供預留作業(yè)條件；蓋板的另一個功能是能夠承載一定重量，滿足現(xiàn)場環(huán)境中所有的從蓋板上面經(jīng)過的重力，密封蓋由水泥和瓷磚構(gòu)成頂面，和地面平行的時候可以做路面使用，艙體上部輕松的融入現(xiàn)場的環(huán)境；艙體設置有能承受本體和艙內(nèi)設備總重量的起吊裝置，在艙體兩側(cè)設置有4只吊裝孔，起吊時能夠保證整個艙體在垂直方向受力均勻。艙體的外部下邊，有可供艙體接地的4個接地連接點。設備前面有供運維人員操作電力設備的檢修通道，通道符合國標GB50053-2013《20 kV及以下變電所設計規(guī)范》規(guī)定--配電室內(nèi)各種通道最小寬度(mm)800的規(guī)范要求。

2.5 密封艙體內(nèi)配電設備

密封艙體內(nèi)設置有配電設備，配電設備與密封艙體有螺栓定位固定點。電纜進出線由密封艙體的底部進入配電設備，其密封防護由電纜冷縮密封套管進行防護。配電設備主要包括隔離開關、斷路器、互感器、避雷器等元器件組成的進出線開關設備和PT避雷器設備等，實現(xiàn)對電能的分配控制。這些設備固定安裝在密封艙體內(nèi)，設備的安裝滿足GB50171-2012《電氣裝置安裝工程盤、柜及二次回路接線施工及驗收規(guī)范》中對設備的安裝要求，設備的制造滿足GB3906-2006《3.6kV～40.5kV交流金屬封閉開關設備和控制設備》等標準要求。

2.6 排風除潮系統(tǒng)

密封艙體設置有排風除潮系統(tǒng)，主要是為內(nèi)部散熱和空氣流通之用。排風除潮裝置由溫濕度控制器、加熱器、排風風扇和進風排風管組成。進排風管由直徑為200 mm的不銹鋼管制成，通過法蘭與密封艙體密封連接固定；進風排風管分別與密封艙體經(jīng)過法蘭連接，進風管位于密封艙底部，排風管位于密封艙體上部，當相對濕度達到85%RH±5%的時候，溫控設備自動啟動凝露控制點，加熱器開始加熱并排風，當環(huán)境溫度達到45℃時排風風機啟動進行散熱。頂部有防風雨措施，進排風管上部端頭的防護等級滿足防護直徑不大于2.5 mm的固體外來體和以60°角從垂直線兩側(cè)的淋雨及濺水對艙體內(nèi)部不應引起損害的要求。

2.7 操作控制箱

地面上部的操作控制箱固定在進排風管上，由抱箍固定支撐。操作控制箱內(nèi)部為二次檢測控制部分，主要包括各種電量的測量、保護、控制、一次設備的狀態(tài)指示等，能夠?qū)ε擉w內(nèi)運行的設備進行操作控制[2]和電量參數(shù)查詢，以及數(shù)據(jù)的傳輸。二次控制回路的接線滿足GB50171-2012《電氣裝置安裝工程盤、柜及二次回路接線施工及驗收規(guī)范》中對二次回路接線的要求，控制箱與艙體內(nèi)部設備通過二次控制導線線束連接管連接，線束連接管兩端設置有連接法蘭，并保證連接密封性能良好；控制箱內(nèi)除具有傳統(tǒng)的優(yōu)勢之外，還具有先進的通訊功能，有著良好的操作界面，可裝設無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，便于設備的監(jiān)測管理；控制箱防護等級為IP54，可以較好的防止外部環(huán)境污染及惡劣氣候?qū)υO備的危害；箱體上面可以做燈箱廣告，有利于業(yè)務增收和環(huán)境美化。

2.8 進出艙通道

進出艙通道[3]主要有通道密封蓋板和樓梯組成，密封蓋板開啟后，艙內(nèi)的照明設備啟動。預埋箱體進入通道，樓梯有扶手，以保安全，包括扶梯和入口蓋板，蓋板有掛鎖，可防止非法進入預埋箱體內(nèi)部，也便于運維人員進行出入艙的檢測。對于高防護的預裝組合式地埋式配電艙而言，是免維護的，一般的施工完畢后不需要下艙進行檢修，進出艙通道作為應急逃生的第一通道。配電艙在結(jié)構(gòu)設計時充分考慮了故障應急保護措施，在配電艙內(nèi)部設置壓力釋放橡皮閥，利用電纜施工通道空間大的優(yōu)勢進行壓力釋放，從而最大限度的保障作業(yè)人員安全。

2.9 冷縮電纜孔密封護套

冷縮電纜孔密封護套[4]主要功能是電纜孔與進出電纜的密封防護，其結(jié)構(gòu)原理是利用冷縮電纜套管的收縮密封加法蘭壓緊固定的特性來實現(xiàn)電纜孔的密封防護作用。接線電纜應在電纜維護通道中預留一定的長度，做盤整，然后從安裝在密封艙體的電纜孔中的冷縮電纜密封護套中穿過，從密封艙體內(nèi)部的配電設備底部做下進下出接線方式，當電纜接線工序完畢后，抽出冷縮電纜密封護套的螺旋尼龍骨架，彈性的硅橡膠材料彈力收縮，緊緊的包覆著進出線電纜的外護層，從而實現(xiàn)電纜與密封艙體的密封防護；冷縮電纜密封護套，它包括尼龍骨架、壓緊螺母、彈性密封護套、環(huán)形密封膠墊、尼龍條支撐架構(gòu)成[5]。尼龍骨架為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，其外壁上設有外螺紋，底部設有外沿；尼龍骨架的下部延伸出連接筒，連接筒和外沿注塑為一體，尼龍骨架的外螺紋與壓緊螺母的螺紋相匹配；彈性密封護套的一端包覆在連接筒上，另一端緊套在電纜的外部。電纜密封護套不僅可以有效防止外部潮氣進入電氣設備內(nèi)部，保證電氣設備的正常運行，而且結(jié)構(gòu)簡單，安裝維護方便，避免了現(xiàn)場動火的不便。電纜密封護套結(jié)構(gòu)及功能詳見圖2和圖3。

圖2 冷縮電纜密封護套Fig.2 Cold shrinkable cable sealing sheath

圖3 抽出螺旋尼龍骨架的冷縮電纜密封護套Fig.3 Cold shrinkable cable sealing sheath drawing out spiral nylon skeleton

3 預裝組合式地埋配電艙的施工要求

在施工時，基礎坑的施工規(guī)范按照GB5104-2015《建筑地基基礎工程施工規(guī)范》進行，按照預裝組合式地埋配電艙的體積尺寸進行地埋坑的挖掘，然后將底部整平，用灰土墊層鋪設100 mm厚度，再鋪設混凝土100 mm厚度作為基礎，水平校平參照GB50171-2012中基礎型鋼的安裝要求，按照《電氣裝置安裝工程電纜線路施工及驗收規(guī)范》要求進行選址定位。接地裝置的安裝符合GB 50169-2006《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規(guī)范》規(guī)定，電纜穿線管應做端口密封防護，一是防止小動物進入損壞電纜和電氣設備，二是堵煙堵火、防止火災蔓延。施工作業(yè)順序為場地平整→放線→基礎開挖→灰土墊層鋪設→混凝土基礎施工→接地裝置安裝→預制水泥支撐件組裝→人井下部單元安裝→人井上部單元安裝→密封艙吊裝→進排風管及穿線管組裝→接地極連接→控制箱組裝→二次控制線連接→基礎回填→二次場地平整。地埋艙外部無外露可拆卸的螺栓，所有門軸必須采用不銹鋼材料制作，所有鎖盒采用戶外鋁合金鎖盒?？刂葡渫鈧?cè)設置明顯的安全警告標識和標志，如國家電網(wǎng)公司標識、帶電危險、報修電話（95598）等。地埋配電艙外觀效果如圖4所示。

圖4 地埋配電艙外觀效果圖Fig.4 Appearance of buried distribution module

4 預裝組合式地埋配電艙技術創(chuàng)新優(yōu)勢

預裝組合式地埋配電艙有如下優(yōu)勢。

（1）將電氣設備完全預埋沉入地下，采用地埋方式，設備隱藏效果好，合理利用了地下資源，上面可以鋪設草坪、路轉(zhuǎn)，和周圍環(huán)境保持一致，美化了城市環(huán)境，設備下部箱體板材采用了整體密封焊接的工藝，箱體板材外部采用涂覆防銹工藝措施，設備的防護等級高，不擔心浸水，設備的使用壽命不小于30年，整臺設備地表以下的單元防護等級保證在IP68范圍，使得設備的運行更加安全可靠。

（2）電纜進出線與設備電纜穿入孔采用某公司專專利產(chǎn)品----冷縮式電纜密封護套做連接密封，施工作業(yè)后，管狀密閉冷縮套管緊緊包覆著電纜外表層，做密封抱緊，避免水分經(jīng)電纜孔進入箱體內(nèi)部，保證了箱體內(nèi)部環(huán)境的干燥。

（3）箱體內(nèi)部的溫度調(diào)節(jié)有兩種方式，一是箱體的四壁可以與周圍較恒定土壤環(huán)境做溫度相互交互，二是箱體一側(cè)設置有進風排風管道，利用溫濕度控制器控制排風扇做空氣流通散熱。進排風管道由兩根直徑100 mm的鋼管制成，一進一排，降溫去潮。進排風管上邊有防止雨水和雜物竄入的防雨帽，進排風管的另一個作用就是支撐固定上部的操作控制箱。

（4）解決了目前土地使用緊張的問題，將閑置的地下資源充分合理的利用，在結(jié)構(gòu)上，突破傳統(tǒng)的思維，將設備安裝于模塊化的箱體內(nèi)部。箱體外部的操作箱可以設計成為霓虹燈箱廣告牌，可以用于公益廣告、道路信息等，具有極佳的視覺效果，結(jié)構(gòu)符合城市生態(tài)設計理念，美化環(huán)境，占地面積小，可在城市主要干道、機場、高速公路及住宅小區(qū)等使用。

（5）施工便利，對土建及尺寸的要求極低，地基有一定的支撐強度即可。無需將土建完全建起即可施工，極大的節(jié)約了土建工時和成本?，F(xiàn)有的產(chǎn)品如需改造，無需變動設計方案，可以直接安裝，在原設計方案的基礎上，經(jīng)過簡單的施工便能實現(xiàn)柜子入地的目的，是產(chǎn)品的升級版。

（6）有效地避免了自然因素對設備帶來的危害，如狂風、暴雨、冰雹、霜凍和太陽的輻射；有效地降低運行噪音，減少電磁輻射；有效地避免了小廣告的粘貼，美化了環(huán)境；有效地避免了周圍粉塵及腐蝕性氣體對設備的危害。

（7）整個結(jié)構(gòu)經(jīng)濟、環(huán)保，不占地表空間，能隔離噪音，消除視覺污染；施工規(guī)范，簡單方便；降低制造成本，運輸費用以及基礎建設費用。吊裝式的安裝方式，使安裝檢修維護極為方便，平時檢修維護對周邊環(huán)境影響小，出現(xiàn)重大事故的情況下，因在地下，極大縮小了事故范圍。

（8）由于其占地面積少，對安裝環(huán)境要求低，施工簡單方便，所以安裝地點可設置在負荷中心，做周邊輻射分散供電，從而大幅減少低壓電纜的投入和長期降低線路損耗，節(jié)省電費。因此，在舊城改造、商業(yè)路段改造、路燈工程等市政建設，以及房地產(chǎn)開發(fā)商、工廠商廈等多方面有著無可替代的優(yōu)勢，更是響應我國創(chuàng)建和諧型、節(jié)約型、創(chuàng)新型社會的一種新型配電產(chǎn)品。

5 結(jié)論

預裝組合式地埋配電艙利用儲式結(jié)構(gòu)，將設備封閉在內(nèi)部，并將設備原有的功能單元分層設計，最大限度地利用地下資源，創(chuàng)新式的結(jié)構(gòu)框架顛覆了傳統(tǒng)電力設備的安裝組合方式，重新定義了新一代電力設備的安裝組合方式，在外觀造型上融入現(xiàn)代商業(yè)氣息，簡約的幾何造型構(gòu)成了全部設備的功能需求，密封艙體結(jié)構(gòu)采用瓦楞板材作為地埋空間結(jié)構(gòu)，抗擠壓機械應力強，地面下安裝方式符合國家綠色環(huán)保戰(zhàn)略要求。電纜井及水泥支撐件構(gòu)成的電纜施工通道采用組部件標準化與模塊化，便于批量制造，整體結(jié)構(gòu)的設計符合國標GB50053-2013《20 kV及以下變電所設計規(guī)范》規(guī)定：配電裝置的布置和導體、電器、架構(gòu)的選擇，應符合正常運行、檢修以及過電流和過電壓等故障情況的要求。采用預裝式結(jié)構(gòu)，極大的方便了現(xiàn)場施工作業(yè)，縮短施工周期，節(jié)約工程施工成本，為施工工藝簡易化、快速化提供了良好的借鑒經(jīng)驗。地埋配電艙安裝施工周期短的優(yōu)勢是其他電力設備的安裝方式不能相比的，加上原有的節(jié)約地表空間和上部控制單元的操作整體性來說，其發(fā)展空間是巨大的，受其影響其他戶外傳統(tǒng)設備如通訊設備和倉儲設備也會因地埋式配電艙結(jié)構(gòu)的應用而改變。通過配電設備跟結(jié)構(gòu)一次預制地埋的應用與創(chuàng)新，工藝制作流程中將部分施工工作轉(zhuǎn)移到企業(yè)中加工，并可預先作業(yè)，既節(jié)省了人工、材料，降低了工程成本，又加快了工程進度，縮短了施工周期。

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