裝配式變電站技術與應用

摘 要：隨著我國變電站設備技術的不斷發展和建筑構筑物模式的不斷創新，變電站建設對建設效率和建設質量要求越來越高，而裝配式變電站正好滿足了這種需求，以其獨特的技術優勢和綜合經濟優勢逐步被市場所認可。文章介紹了裝配式變電站的占地面積、現場工作量、建設周期、工程質量控制、投資經濟效益等方面的優點，對裝配式變電站在土建施工、電氣安裝、系統測試等方面的技術進行了說明和分析，并對目前裝配式變電站各專業的配合設計、招標模式的優化、工程管理模式的優化進行了總結和提出了建議。文章為將來裝配式變電站的推廣、深化應用等方面提供了借鑒和為設計、施工、管理等方面提供了參考。

關鍵詞：裝配式；變電站建設模式；變電站技術

引言

隨著變電站技術的發展和建筑構筑物模式的不斷創新，裝配式變電站技術逐步得到了發展和應用。裝配式變電站是依據國家電網公司最新提出的“標準裝配式變電站”的變電站建設理念，按照“標準化設計、工廠化加工、裝配式建設”的建站原則；在進行技術創新、理念創新的同時，合理采用新材料、新技術、新工藝。實現了優化設計功能、施降低工難度、造價有效控制的效果，從而實現變電站建設快速、高效的目標。

1 主要優點

裝配式變電站的設計與建設，嚴格按照國家電網公司在2013年度發布的《標準配送式智能變電站建設技術導則》和國家電網公司編制的《國家電網公司輸變電工程通用設計》（2011年版）的技術要求，并參考了南方電網公司發布的模塊化變電站的技術要求，按照“安全性、通用性、適用性、經濟性”的原則，從設備裝配化、集成化角度出發進行裝配式優化，與傳統變電站進行相比，具有以下幾個優點：

1.1 占地和建筑面積少

裝配式變電站與傳統變電站對比，占地面積減少了約25%，建筑面積減少了約75%。由于建筑面積的減少，有效降低了變電站的建筑體量，根據《GB 50016-2014 建筑設計防火規范》標準的要求，防火間距及變電站的消防要求也隨之降低，站內可不設自動噴水滅火系統。

1.2 現場作業工作量少

變電站內建筑物采用鋼構結構，可以工廠內預制后到現場進行裝配。二次預制艙設備及其他滿足最大運輸尺寸的設備，在設備廠內完成加工、安裝、接線和調試，整體運到現場后只需進行簡單的拼裝組合對接，即可投運，其他電氣設備也按模塊單元分成組，在廠內安裝完畢、調試合格，分組運到現場進行。

1.3 建設周期短

整個變電站建設分為設計周期、招標周期和施工周期，裝配式變電站模式，由于設計標準化、招標流程簡化、施工簡單，整個建設周期大大縮短。僅以施工來說，由于變電站內各主要組成部分，已經在工廠內制造完畢、調試合格，現場施工量少、調試工作也少；由于建筑面積少，現場的土建工作量也很少；另外，從工程建設的整體角度來看，建筑部分和電氣部分采用裝配式結構后，設備集成和廠內調試可以與現場土建部分同時進行，變電站建設效率有了明顯提高。以一個典型的110kV變電站為例，施工周期從原來的8個月左右縮短到約3個月，施工周期縮短了三分之一。

1.4 遠期擴建方便

以一個110kV變電站的典型方案為例（3臺主變，電壓等級110kV/10kV），在一期建設時，只需上2臺主變、2個10kV開關柜預制倉（開關柜裝在裝配式建筑內）、2個電容器（電容器裝在裝配式建筑內）和相應110kV設備間隔，后期#3主變進行二期施工時，對#1、#2主變及其相應的預制倉和間隔的正常運行影響很小，大大縮短了停電時間。

1.5 建設質量易于控制

變電站的主要設備、建筑組件在工廠內按照統一的設計、質量和工藝標準進行加工，充分發揮了工廠化制造在工藝和質量方面一致性較高的優點。而變電站現場施工時，由于施工單位的施工質量和能力很難保持一個水平，往往會造成施工質量參差不齊。

1.6 環保節能

現場施工基本無濕式作業，施工無污染、無噪音，并減少了水資源的消耗。當變電站達到使用壽命時，主要建筑材料（鋼材）可全部回收再利用，而其他材料（如預制艙所用板材）經回收粉碎后，也可以二次再生產加工。

1.7 綜合經濟效益好

由于裝配式變電站減少了占地和建筑面積、現場土建工作量、現場安裝調試工作量等，因建設周期短又能實現變電站的提前投運和收益，綜合經濟效益明顯，以一個典型的110kV變電站為例，總體投資節省約10%。

2 土建施工

目前傳統變電站土建施工主要采用鋼筋混凝土結構，其主要施工工序為：（1）混凝土預拌、振搗及養護。（2）模板安裝和拆除。（3）墊層制作和澆筑。（4）鋼筋運輸和綁扎。這種施工方式比較繁雜、工作量大，會浪費大量的勞動力，因而所需施工周期比較長。此外，此種作業方式受作業人員的水平和天氣因素影響比較大，因而建設質量和工期不穩定；同時，澆筑搬運也會造成一定的環境污染。而裝配式變電站改變了傳統變電站的土建設計、電氣布局和施工模式，通過工廠預制、現場施工安裝兩個階段完成整個變電站的建設。

2.1 現場基礎部分

裝配式變電站改變了傳統變電站的布置形式，并對建筑結構進行了改造和優化，現場設備基礎設計采用通用基礎設計理念，即統一基礎尺寸模數。采用標準鋼模澆筑制作筏板基礎并結合支墩的形式，筏板基礎表面預留通用埋件，支墩高出地面，采用預埋結構件二次焊接轉換，按設備定位單個澆筑支墩；對于成組安裝的電氣屏柜或模塊，按照統一的尺寸模數要求預埋結構件，成組的電氣屏柜或模塊運到現場后直接螺接或焊接。

由于現場基礎部分在現場進行制作，而裝配式鋼結構構件是在工廠內預制完成的，這就要求設計單位、設備供應商、現場施工單位密切配合，以實現鋼結構構件和電氣設備運到施工現場后，快速高效的進行組裝和拼接而不會出現配合問題。

2.2 裝配式建筑的現場施工

由于運輸尺寸（高度和寬度）要求，有些建筑因運輸超過和超寬問題，必須進行現場拼裝，如10kV開關柜室、主控室、電容器室等。現場施工工序主要為：鋼構件入場檢驗、吊裝設備進場吊裝、鋼柱組立、鋼梁的安裝、鋼檁條支撐桿的安裝、屋面設備安裝、其余附件安裝及收尾工作等。為保證施工質量，鋼結構件和組件在安裝時需要采用測量儀器進行定位，對鋼梁的位移和標高等參數進行跟蹤測量，并對安裝的關鍵點進行全程控制，確保所有的鋼結構件和組件安裝符合要求。

2.3 裝配式圍墻

裝配式圍墻主要由杯口基礎、預制混凝土柱和圍護板構成。根據現場基礎條件不同，可以采用現澆杯口基礎。現場施工工序主要為：預制構件進場檢驗、用吊具將帶有槽口的預制混凝土柱插入杯口、采用細石混凝土灌漿（必要時需先調整垂直度）；當柱體完成固定后，用吊具將混凝土板由柱頂嵌入柱體側面凹槽，沿垂直方向滑動并擱置在杯口基礎表面；隨后安裝橫向圍護板，以同樣的方法滑入柱側面的凹槽中，如此一層一層的向上累加。

2.4 裝配式電纜溝

裝配式電纜溝由很多段的U型電纜溝體相接組成，這里所述的U型電纜溝體由左右對稱的兩半L型電纜溝體拼裝而成。目前有兩種模式：（1）電纜溝壁與底板在工廠內整體澆注，運至現場拼裝連接，此種連接方式簡單，但運輸費用較大；（2）采用分拆拼裝式，即溝壁及底板分開預制，到現場后再行拼裝，此種模式連接工序稍微較復雜且防水稍差些，但易于運輸。

3 電氣設備安裝

由于傳統變電站的電氣設備分散、零部件眾多，因此，電氣設備安裝工作比較繁雜。設備到達進場后需要大量的指揮協調工作，各主要設備安裝完畢后，設備單元間（如10kV開關柜間的）的控制電纜需要排布、制作和接線，工作量比較大；待所有設備安裝結束后，才能進行現場調試工作；另外，很多電氣設備在進行安裝時都需要進行現場開孔、焊接和二次鍍鋅、補漆等，不但延遲了工期，也會造成可靠性降低。裝配式變電站改變了傳統變電站的電氣布局，能夠有效的解決這些問題。這里仍以一個典型的110kV變電站為例進行說明。

3.1 一次設備安裝

110kV配電裝置選用全封閉六氟化硫組合電器（GIS），可以室內布置，也可以室外布置，目前的110kV變電站，多布置在室外。110kV配電裝置采用的是模塊化單元設計，各模塊已在工廠內組裝完畢、調試合格，到現場后進行拼接。

10kV開關柜采用金屬鎧裝移開式或固定式開關柜（國內主要型號為KYN28-12或XGN-12），分雙列布置在配電裝置室內。10kV開關柜部分，在設備制造廠的生產車間內完成成套設備內部的安裝、接線和調試，采用組合柜的形式（即滿足最大運輸尺寸的條件下，幾面柜子分成一組）整體運輸到現場并就位后，再進行少量的設備內部連接線以及同外部設備的系統聯調等工作；10kV電容器選用柜式電容器，以主變為單位分別集中安裝在獨立的房間內，生產、運輸及安裝方式類似10kV開關柜部分；10kV消弧線圈一般選用成套設備，布置在獨立的消弧線圈室內，生產、運輸及安裝方式類似10kV開關柜。

設備工廠化的生產模式，有利于整體結構的優化，同時能避免現場人工安裝元器件的過程中出現安裝工具缺失和齊備困難的問題，能夠有效提高設備的安裝質量和工藝。同時，也能減少現場安裝、調試的工作量，從而減少施工單位的人力和物力投入，并縮短安裝時間。

3.2 二次設備安裝

變電站的二次設備中除了部分保護測控裝置就地分散安裝到一次設備柜和間隔內外，其余采用組屏柜安裝。目前，裝配式變電站的組屏柜安裝的二次設備安裝方式有兩種，一種是二次設備預裝倉模式。第二種方式為裝配式，兩種方式各有優缺點。

二次設備安裝若采用預裝倉模式，主要優點：（1）可以滿足整體運輸要求，所有設備在工廠內安裝和接線完畢、調試合格，到現場后只需接外部進出電纜即可；（2）不用單獨設置二次裝配式建筑，預制倉外殼滿足戶外運行要求和使用壽命要求。為了便于現場電纜連接，一般會在預制倉內專門設置電纜接口柜，艙內需要與外部連接的電纜或光纜均引到電纜接口柜內，由電纜接口柜統一與外部電纜連接；設置電纜接口柜，可以簡化二次電纜溝設置、便于二次電纜接線和檢修維護。二次設備安裝采用預裝倉模式的缺點是結構比較緊湊，操作和維護空間較小。

二次設備安裝若采用裝配式結構，與一次設備的安裝模式比較相似，采用模塊化的設計、安裝和運輸。按照設備功能單元分為四種模塊：監控系統模塊（含組屏的保護測控）、電源模塊（含直流和交流電源）、通信模塊和全站輔助功能模塊。各模塊中內部通過屏間側壁開走線孔，實現模塊內部的走線。各模塊在工廠內完成生產和調試后，整體運到現場，采用一體化底座、模塊間框架連接完成屏柜固定。各模塊間的控制電纜采用標準化預制電纜（用于和現場的變壓器、開關設備等一次設備連接），電纜及接頭（可以采用分布式航空插頭）直接在工廠內預制好，設備運到現場后無需大量接線，采用即插即用的方式進行模塊間電纜連接安裝。對于智能變電站，在預制電纜的基礎上，增加預制光纜技術，此種預制電纜、光纜連接方式大大減少現場安裝調試工作量，提高了二次電氣設備的安裝效率。裝配式結構模式能夠達到常規變電站建房子模式的空間和環境控制方面的要求，變電站運行和維護部門比較傾向于此種模式。

4 系統測試

系統測試主要包括工廠內的集成測試和設備工程現場的系統測試（也稱為系統聯調）兩部分，此兩部分工作，在常規變電站中均在變電站現場進行。

4.1 工廠集成測試

無論是一次設備，還是二次設備，在各模塊（間隔或單元）組裝完成后均要進行測試和系統聯調（單個元器件是在組裝前測試）；對于裝配式變電站來說，此工作在集成商工廠內完成，減少了現場的調試工作量，達到縮短現場調試周期的目的。

4.2 現場系統測試

裝配式變電站的常規系統測試試驗項目部分已經在工廠集成測試時完成，原先在工廠內完成的各單個設備測試的試驗項目在變電站現場不需要重復試驗。需要在現場測試的工作量比較少。現場系統測試工作內容主要有：各主要設備外觀檢查、通電檢驗、整組耐壓試驗、監控系統及通訊系統整體測試等項目。通過各設備和元器件外觀檢查、通電檢驗等來檢查設備或元器件運輸途中有無損壞，通過整組耐壓試驗、注流（加電壓、加電流）試驗、系統聯調試驗等來驗證整體設備組或模塊的功能正確性。

5 結束語

綜上所述，裝配式變電站改變了傳統變電站的建設模式，克服了傳統變電站建設的諸多弊端，其在建筑面積、現場工作量、建設周期、工程質量控制、投資經濟效益等方面具有明顯優點。雖然裝配式變電站在運行和維護方面還存在著一些有爭議的問題，比如鋼結構組件的耐腐蝕性、裝配建筑的防火等級、二次預制艙設備使用壽命等；但在某些情況下，如土地資源緊張、建設工期緊，污穢等級較低等，變電站建設還是適合選用裝配式變電站模式的。

今后，隨著技術不斷創新、材料不斷改進、工藝不斷完善、國家政策的不斷引導，裝配式變電站一定會得到越來越廣泛的應用，使變電站建設走向科技含量高、環境污染少、資源消耗低、精細化建造的道路。

參考文獻

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作者簡介：陳世永（1972-），女，河南省許昌市人，工作單位：許繼電氣股份有限公司，研究方向：變電站系統集成方案。

單暉（1979-），男，河南省許昌市人，工作單位：許繼電氣股份有限公司，研究方向：變電站系統集成方案。