劉文平,王振剛,孟晨旭,練志斌,姚光久

(南方電網(wǎng)廣東中山供電局,廣東 中山 528401)

0 引 言

廣東電網(wǎng)一直經(jīng)受高負(fù)荷、高氣溫、高壓力的考驗(yàn),城市用電負(fù)荷高速增長(zhǎng),需要在城市之中建設(shè)一定數(shù)量的變電站,而城市建設(shè)用地緊缺,故新建變電站應(yīng)占地小、建設(shè)周期短、安全可靠、運(yùn)維智能化[1-3];珠三角地區(qū)工業(yè)化、城市化水平較高,大氣污染嚴(yán)重,同時(shí)還受強(qiáng)日照、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)等惡劣氣候影響,容易引發(fā)變電站滲水漏水、設(shè)備表面腐蝕、箱體內(nèi)部凝露潮濕等問(wèn)題,導(dǎo)致設(shè)備絕緣強(qiáng)度降低,因此對(duì)變電站電氣設(shè)備的防風(fēng)、防雨、抗腐蝕性要求較高[4-5]。國(guó)外自20世紀(jì)60年代開(kāi)始推出戶(hù)外成套變電所的新型變電設(shè)備,之后歐美、中東及日本等地開(kāi)始預(yù)制艙技術(shù)研究[6-7]。中國(guó)自2011年開(kāi)始預(yù)制艙變電站技術(shù)研究,由于具備“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、模塊化生產(chǎn)、流水線(xiàn)制造、程序化調(diào)試、裝配式建設(shè)”的優(yōu)勢(shì),預(yù)制艙技術(shù)已廣泛應(yīng)用于電力、工礦、鐵路、軍工等領(lǐng)域。預(yù)制艙變電站技術(shù)應(yīng)用初期僅將10 kV高壓室或主控室設(shè)備采用模塊化預(yù)制艙,變電站占地面積雖然減少了部分,但建設(shè)周期依舊較長(zhǎng);城市地下變電站雖然節(jié)約建設(shè)用地,但會(huì)增加建設(shè)成本,相比傳統(tǒng)變電站建設(shè)模式并無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)[8-10]。基于上述問(wèn)題,如何減少變電站建設(shè)用地、縮短施工周期、減少投資成本,以及提高隔熱、防水、防風(fēng)、防腐性能是迫切需要解決的問(wèn)題。

近年來(lái),預(yù)制艙技術(shù)在變電站中的全方位應(yīng)用為該問(wèn)題提供了解決方法。預(yù)制艙變電站的艙體單元在工廠(chǎng)內(nèi)進(jìn)行制造、設(shè)備安裝及部分接線(xiàn)工作,模塊化運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行各單元精準(zhǔn)拼接[11-13]。站內(nèi)一、二次裝置大多使用光纖通信接頭,所以可通過(guò)電纜、光纖及預(yù)制航空接頭取代傳統(tǒng)的端子排接頭和電纜熔接,大大提高了施工效益[14-15]。

110 kV同福變電站是南方電網(wǎng)首個(gè)全設(shè)備預(yù)制艙變電站,也是南方電網(wǎng)裝配式技術(shù)應(yīng)用試點(diǎn)項(xiàng)目,該站將整站一、二次設(shè)備預(yù)制艙化,艙體應(yīng)用隔熱、防水密封、防風(fēng)等技術(shù),艙內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)通過(guò)智能聯(lián)動(dòng)控制,確保設(shè)備運(yùn)行環(huán)境的最優(yōu)化,具有占地面積小、建設(shè)效率高、智能化程度高、防水、防風(fēng)、防腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。

1 變電站設(shè)計(jì)方案

1.1 工程概況

根據(jù)南方電網(wǎng)公司《2018年公司依托基建工程開(kāi)展新技術(shù)試點(diǎn)應(yīng)用計(jì)劃》,中山110 kV同福變電站工程應(yīng)用裝配式技術(shù)建設(shè)成為一座全設(shè)備預(yù)制艙式變電站,預(yù)制艙單元內(nèi)一、二次設(shè)備按照標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、模塊化生產(chǎn)、模塊配送式運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)吊裝拼接。

該站圍墻內(nèi)總面積為3 794.24 m2,預(yù)制艙建筑面積為1 053 m2。由于場(chǎng)地限制,全站采用緊湊型布置,GIS預(yù)制艙采用一字型布局,一、二次設(shè)備艙采用雙層模式,全站共有12座艙,站內(nèi)設(shè)備均在預(yù)制艙內(nèi),圖1所示為110 kV同福變電站的效果圖。

圖1 同福變電站效果圖

該站電氣主接線(xiàn)采用單母線(xiàn)分段接線(xiàn)方式,具有接線(xiàn)簡(jiǎn)單、投資少、操作方便等優(yōu)點(diǎn),其中包括2臺(tái)63 MVA主變、4回110 kV出線(xiàn)及30回10 kV出線(xiàn),該方案已充分考慮到中山地區(qū)負(fù)荷集中、密度大且基本均勻的特點(diǎn),設(shè)計(jì)規(guī)模如表1所示。

表1 變電站建設(shè)規(guī)模Table 1 Substation construction scale

1.2 站內(nèi)設(shè)備艙室布置

同福變電站包括110 kV GIS預(yù)制艙、10 kV高壓室預(yù)制艙、主控室預(yù)制艙、蓄電池室預(yù)制艙、變壓器預(yù)制艙、電容器室預(yù)制艙、站變室預(yù)制艙、接地變室預(yù)制艙、安全工器具室預(yù)制艙和110 kV電纜層、10 kV電纜層、水泵房、門(mén)衛(wèi)室等。各模塊艙體構(gòu)成詳見(jiàn)表2。

表2 各模塊艙體構(gòu)成Table 2 Cabin structure of each module

1.3 預(yù)制艙主要模塊設(shè)計(jì)

該文主要選取GIS預(yù)制艙、主變預(yù)制艙、雙層預(yù)制艙和電容器室預(yù)制艙設(shè)計(jì)方案進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1.3.1 GIS預(yù)制艙方案

GIS預(yù)制艙的一、二次設(shè)備先在工廠(chǎng)安裝在艙內(nèi),然后用卡車(chē)將預(yù)制艙各單元運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行多節(jié)組合拼裝;屋頂區(qū)域通過(guò)縫隙榫卯結(jié)構(gòu)解決防風(fēng)防水問(wèn)題,采用左右推拉式滑動(dòng)屋頂蓋板設(shè)計(jì),方便吊裝大型設(shè)備及GIS設(shè)備檢修試驗(yàn);艙內(nèi)采用可移動(dòng)龍門(mén)吊架來(lái)吊裝艙內(nèi)設(shè)備,有效提高龍門(mén)吊裝架的靈活性。

艙內(nèi)設(shè)備包括4回電纜出線(xiàn)、2回主變進(jìn)線(xiàn)、2段母線(xiàn)、1個(gè)分段和1個(gè)備用間隔;GIS設(shè)備采用直列式布置方式;智能控制柜放置于GIS底座上;靠墻一側(cè)艙壁采用防火墻;艙體配置4臺(tái)微正壓工業(yè)空調(diào)、2臺(tái)除濕機(jī)、1臺(tái)空氣凈化器、5臺(tái)事故風(fēng)機(jī)、5臺(tái)通風(fēng)防塵裝置、1臺(tái)氣體濃度監(jiān)測(cè)裝置、1套火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警及控制設(shè)備,確保艙內(nèi)GIS設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境安全可靠并符合空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。圖2所示為GIS預(yù)制艙外觀圖。

圖2 GIS預(yù)制艙外觀圖

1.3.2 主變預(yù)制艙方案

主變預(yù)制艙室包括墻面和頂蓋,現(xiàn)場(chǎng)先安裝主變,后安裝艙體。預(yù)制艙墻面起到隔離變壓器與外部環(huán)境的作用,一旦變壓器失火,可有效防止火災(zāi)蔓延。預(yù)制墻面與變壓器間保持適當(dāng)距離,不影響變壓器的通風(fēng)、散熱,方便運(yùn)維人員巡視、維護(hù)、檢修。頂蓋采用模塊化網(wǎng)格板設(shè)計(jì),由橫梁、框架和支撐架固定,相比戶(hù)外敞開(kāi)式變壓器,頂蓋可有效防止漂浮物落在變壓器導(dǎo)電部位,相比封閉式的變壓器室,網(wǎng)格狀頂蓋有利于消防、變壓器的散熱和清潔。頂蓋與變壓器保持適當(dāng)距離,可進(jìn)一步安裝檢修電源、照明燈,以確保檢修工作快速實(shí)施。模塊化的頂蓋在設(shè)備吊裝、檢修時(shí)無(wú)需大規(guī)模拆裝,只需拆除少量必要的網(wǎng)格板和框架即可進(jìn)行作業(yè)。圖3所示為主變預(yù)制艙外觀圖。

圖3 主變預(yù)制艙外觀圖

1.3.3 雙層預(yù)制艙方案

雙層預(yù)制艙包括一層的10 kV高壓室預(yù)制艙、二層的主控室預(yù)制艙與蓄電池艙、登艙梯及防護(hù)圍欄。

一層高壓設(shè)備艙已安裝47面開(kāi)關(guān)柜,并預(yù)留了二期安裝位置,總共有16節(jié)模塊,分模塊運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)拼接安裝;其通道寬度滿(mǎn)足GB 50060《3～110 kV高壓配電裝置設(shè)計(jì)規(guī)程》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求;一次設(shè)備艙配置6臺(tái)微正壓工業(yè)空調(diào)和2臺(tái)除濕機(jī),艙內(nèi)設(shè)置獨(dú)立空調(diào)通風(fēng)專(zhuān)用風(fēng)道;艙體靠近主變一側(cè)設(shè)置防火墻;設(shè)置專(zhuān)門(mén)的開(kāi)關(guān)設(shè)備泄壓通道,確保壓力艙外泄放。

二層二次設(shè)備艙包括81面屏柜,包含2個(gè)電池艙,共計(jì)12節(jié)模塊,分模塊運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)拼接安裝;設(shè)置有獨(dú)立一、二次線(xiàn)纜通道;二次艙配置4臺(tái)微正壓工業(yè)空調(diào)和2臺(tái)除濕機(jī),并設(shè)置專(zhuān)用風(fēng)道;蓄電池艙配置防爆空調(diào)。設(shè)置防護(hù)圍欄與登艙梯,確保作業(yè)人員安全。圖4所示為雙層預(yù)制艙外觀圖。

圖4 雙層預(yù)制艙外觀圖

1.3.4 電容器室預(yù)制艙方案

電容器室預(yù)制艙在工廠(chǎng)安裝完畢后整體發(fā)往現(xiàn)場(chǎng),包括操作室和2個(gè)電容器設(shè)備室,操作室內(nèi)有電容器操作機(jī)構(gòu)、端子箱、消防控制箱和檢修電源箱,設(shè)備室內(nèi)有電容器、溫濕度控制器、空調(diào)、除濕機(jī)、七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)。為方便設(shè)備運(yùn)維檢修,電容器采用臥式布置方式;預(yù)制艙頂蓋采用活頂方便電容器安裝;靠墻一側(cè)艙壁采用防火墻模式;艙體設(shè)置集中排水,將雨水集中排到排水溝,保障排水通暢。圖5所示為電容器室預(yù)制艙外觀圖。

圖5 電容器室預(yù)制艙外觀圖

2 預(yù)制艙式變電站關(guān)鍵技術(shù)

2.1 預(yù)制艙隔熱技術(shù)

預(yù)制艙室的頂蓋及側(cè)面壁板采用三層結(jié)構(gòu),包括保溫玻璃纖維增強(qiáng)混凝土(glass fiber reinforced concrete,GRC)材料層、空氣間隔層和隔熱復(fù)合材料層,實(shí)現(xiàn)箱體與外界全面隔熱,如圖6所示。在穩(wěn)定傳熱條件下,1 m厚度的復(fù)合材料,兩個(gè)表面的溫度為1 ℃,在規(guī)定時(shí)限內(nèi),通過(guò)1 m2面積傳導(dǎo)的熱能為0.028 W,相比傳統(tǒng)的磚頭和水泥材料具有更好的隔熱性能,如表3所示。預(yù)制艙室門(mén)框采用卡槽密封條及氣泡式密封條的雙重密封設(shè)計(jì),可以有效提高密封性,提高預(yù)制艙隔熱性能。

表3 導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)比Table 3 Comparison of thermal conductivity

圖6 箱體壁板三層結(jié)構(gòu)圖

預(yù)制艙單元的拼接部位采用結(jié)構(gòu)翻邊,用硅橡膠密封條封堵,里面加入阻燃泡沫,實(shí)現(xiàn)了防塵、密封、保溫的效果。

2.2 智能聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)

預(yù)制艙的室內(nèi)環(huán)境控制設(shè)備包括控制器、空氣質(zhì)量(溫度、濕度、氧氣含量、甲醛含量、TVOC含量、PM2.5含量)傳感器、微正壓空調(diào)、專(zhuān)用通風(fēng)管道、除濕機(jī)、空氣凈化器、風(fēng)機(jī)、火災(zāi)探測(cè)器,通過(guò)對(duì)傳感器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析,基于歷史和當(dāng)前艙內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù),通過(guò)智能算法預(yù)測(cè)設(shè)備故障,可及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障,并迅速通知運(yùn)維人員。通過(guò)智能聯(lián)動(dòng)控制技術(shù),控制設(shè)備的啟動(dòng)與停機(jī),確保艙內(nèi)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境的最優(yōu)化。微正壓空調(diào)使得室內(nèi)的氣壓略大于室外的氣壓,可以保持室內(nèi)空氣新鮮,空調(diào)通風(fēng)管道吹風(fēng)口設(shè)置在設(shè)備附近,風(fēng)口大小可以根據(jù)檢測(cè)到的溫度值進(jìn)行調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)設(shè)備室精準(zhǔn)溫控、風(fēng)口量化調(diào)節(jié)功能。

預(yù)制艙內(nèi)溫度小于等于低溫啟動(dòng)閾值或大于等于高溫啟動(dòng)閾值時(shí),啟動(dòng)微正壓空調(diào)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié);艙內(nèi)濕度大于等于啟動(dòng)閾值時(shí),啟動(dòng)除濕機(jī)進(jìn)行除濕;艙內(nèi)氧氣含量小于等于啟動(dòng)閾值時(shí),啟動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng);艙內(nèi)甲醛含量、TVOC含量、PM2.5含量大于等于啟動(dòng)閾值時(shí),啟動(dòng)空氣凈化器進(jìn)行空氣凈化;火災(zāi)探測(cè)器監(jiān)測(cè)到有火災(zāi)時(shí),啟動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行排煙,同時(shí)關(guān)閉空調(diào)、除濕機(jī)以及空氣凈化器。智能聯(lián)動(dòng)控制邏輯圖如圖7所示。

圖7 智能聯(lián)動(dòng)控制邏輯

2.3 預(yù)制艙防水密封技術(shù)

各預(yù)制艙單元拼接后會(huì)產(chǎn)生縫隙,包括預(yù)制艙底座縫隙、拼接處縫隙和艙體各進(jìn)出線(xiàn)口縫隙,所以預(yù)制艙防水設(shè)計(jì)尤為重要。預(yù)制艙的四周墻面和頂部均由拼插板拼接而成,拼插板采用模塊化設(shè)計(jì),形狀為長(zhǎng)方形,其右端與上端為楔形凹槽,左端與下端為與凹槽相對(duì)應(yīng)的楔形凸臺(tái),兩塊或多塊拼插板間可通過(guò)凹槽與凸臺(tái)進(jìn)行拼接,并輔以鉚釘固定,這種迷宮式結(jié)構(gòu)具有良好的防水性能,如圖8所示。艙體頂蓋有一定的坡度,在艙頂下沿增加一圈凸臺(tái)設(shè)計(jì),形成一道滴水線(xiàn),順著艙頂下沿平面流動(dòng)的雨水流到槽口處即跌落,并設(shè)計(jì)集中排水管道。

圖8 迷宮式防水結(jié)構(gòu)

2.4 預(yù)制艙防腐技術(shù)

廣東地區(qū)的鹽霧可導(dǎo)致設(shè)備和建筑物銹蝕,預(yù)制艙艙體材料選用耐候鋼,增加稀有金屬材質(zhì),使其在保證鋼的機(jī)械性能優(yōu)勢(shì)下,同時(shí)具備很好的耐大氣腐蝕能力。在耐候鋼表面涂刷防腐涂料會(huì)產(chǎn)生一層保護(hù)層,可有效防止外部的腐蝕性介質(zhì)腐蝕金屬表面,進(jìn)而發(fā)揮優(yōu)異的防腐蝕作用。

對(duì)預(yù)制艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)工廠(chǎng)化預(yù)制，盡量減少現(xiàn)場(chǎng)拼裝及焊接，可以避免焊接處被腐蝕，具體為一體化焊接結(jié)構(gòu)。預(yù)制艙骨架采用高強(qiáng)度型材網(wǎng)狀焊接，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性；先在骨架上滿(mǎn)焊至整板，然后整體進(jìn)行打磨、防水、防腐處理。

2.5 燃弧集中泄壓技術(shù)

由于變電站預(yù)制艙高壓室空間小且密閉,如高壓室開(kāi)關(guān)柜防爆后產(chǎn)生的高溫氣體及熱熔物未泄壓至室外,會(huì)對(duì)人身和設(shè)備造成安全隱患。如圖9所示,將各開(kāi)關(guān)柜的燃弧泄壓通道集中,通過(guò)通道內(nèi)導(dǎo)向裝置將爆炸物泄壓導(dǎo)至室外地面。燃弧泄壓集中通道設(shè)計(jì)能夠確保一次設(shè)備燃弧故障時(shí)將壓力泄放至預(yù)制艙外部,確保人身安全。

圖9 燃弧泄壓集中通道設(shè)計(jì)

3 應(yīng)用實(shí)例

110 kV同福變電站于2021年8月投運(yùn),通過(guò)各預(yù)制艙艙體精準(zhǔn)拼接,實(shí)現(xiàn)了艙間線(xiàn)纜即插即用,比傳統(tǒng)變電站建設(shè)周期縮短了3～4個(gè)月。運(yùn)維人員根據(jù)該站特點(diǎn)制定了預(yù)制艙(不含設(shè)備)運(yùn)維策略,如表4所示,結(jié)合變電站日常巡視維護(hù)對(duì)站內(nèi)預(yù)制艙(不含設(shè)備)進(jìn)行維護(hù)。運(yùn)行一年以來(lái),該站發(fā)現(xiàn)故障如表5所示,運(yùn)行人員通過(guò)日常巡視維護(hù)、防風(fēng)防汛特巡、天氣驟冷特巡、防污特巡等工作,發(fā)現(xiàn)艙內(nèi)通風(fēng)設(shè)備運(yùn)行正常,未見(jiàn)艙體滲水痕跡,變電站發(fā)生故障與預(yù)制艙艙體無(wú)關(guān),均由設(shè)備原因造成,故障的數(shù)量與同期常規(guī)變電站相比減少了50%。

表5 同福站設(shè)備故障及原因Table 5 Faults and their causes of Tongfu station equipments

4 結(jié) 語(yǔ)

作為一種新型的變電站建設(shè)模式,預(yù)制艙式變電站相比傳統(tǒng)變電站具有占地面積小、建設(shè)周期短、投入成本低、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì),同時(shí),預(yù)制艙式變電站良好的抗風(fēng)防腐、隔熱防水、通風(fēng)防塵等優(yōu)點(diǎn),大大提升了變電站的運(yùn)維效率。隨著城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn),預(yù)制艙技術(shù)在新一代智能變電站中的成功運(yùn)用給城市變電站建設(shè)提供了更優(yōu)的解決方案,提高了變電站工程建設(shè)質(zhì)量和建設(shè)效率,具有廣闊的應(yīng)用前景。