模塊化智能變電站在電力工程設計中的應用

◎張群 廣州匯雋電力工程設計有限公司

二十世紀中期以前，我國變電站建設型式大部分都是采用戶外常規敞開式變電站，將除開關柜外的其他高壓設備都布置在戶外。二十世紀中后期，城市經濟建設快速發展，城市用地愈發緊張，城市環境要求越來越高，戶外常規敞開式變電站已不再適合城市發展規劃，戶內變電站逐步增多。2007年12月，國家電網公司發布了《國家電網公司“兩型一化”變電站設計建設導則》，全面開展“資源節約型、環境友好型、工業化”（簡稱“兩型一化”）變電站建設。2013年國家電網公司結合“兩型一化”要求提出標準配送式變電站的概念，模塊化變電站成為主流變電站的建設模式。

1.傳統變電站缺點

占地面積大。傳統變電站一次設備多為戶外或戶內布置，設備本身體積差別不大，而二次設備多為晶體管型和電磁型，設備體積龐大而且比較笨重，需相應擴大主控室和繼電保護室的面積以滿足二次設備布置要求，征地投資增大。

供電質量不穩定。隨著國民經濟的發展和人民生活質量的提高，供電質量要求越來越高。衡量電能質量的主要指標為電壓和頻率，傳統變電站大多數不具備調節電壓的手段，無法滿足目前電力市場發展需求。

供電安全性和可靠性不滿足現代電力系統的要求。傳統變電站采用的是常規電氣設備，設備結構復雜、可靠性不高，且不具備故障自診斷的能力，安全性和可靠性均無法滿足現代電力系統高可靠性的要求。

設備運維工作量大。傳統變電站二次設備多為晶體管型或電磁型，容易受運行環境的溫濕度影響，需定期停電校驗其整定值，增加維護工作量。

2.模塊化智能變電站的構成

模塊化智能變電站是一種新型的順應時代發展的變電站，以220kV變電站為例，一般分為主變壓器模塊、220kV開關模塊、110kV開關模塊、10kV開關模塊、電容器組模塊、電抗器模塊、站用變模塊、接地變模塊以及配套的綜合自動化模塊等八個主要功能模塊。

主變壓器模塊220kV、110kV部分進線主要采用插拔的方式實現與進線電纜的有效電氣連接，10kV部分主要采用全絕緣封閉母線橋或多股電纜連接方式實現與10kV開關模塊的連接。220kV開關模塊、110kV開關模塊主要為氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS），預裝在一體化開關室內，現場可拼裝，通過插拔的方式實現與進線電纜的有效電氣連接。10kV開關模塊采用組合電器，預裝在一體化開關室內，現場可拼裝，也可選擇箱式開關室，通過全絕緣封閉母線橋或多股電纜連接方式實現與主變壓器模塊的連接。電容器組模塊、電抗器模塊、站用變模塊、接地變模塊由工廠預制，可與10kV開關模塊進行拼裝或獨立安裝。綜合自動化模塊采用一體化預制艙型式，與其他模塊采用控制電纜和通信電纜進行連接。

3.模塊化智能變電站在工程設計中的應用

3.1 模塊化智能變電站的設備選型

對于設備容量、額定電流等常規設備參數，模塊化智能變電站設備選型與傳統變電站并無較大差異，可根據系統要求進行配置。為實現模塊化設備“即插即用”功能，對于主變壓器模塊，需對接線端子進行改造，采用可插拔的電纜附件與進線模塊連接；對于220kV開關模塊、110kV開關模塊，工程設計時考慮利用氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）作為模塊的基礎形式，結合設備廠家的工廠預制化工藝，將斷路器、隔離開關、電壓互感器、電流互感器等高壓設備進行高度集成，進出線采用可插拔的整體式電纜套管和電纜插接頭，充分體現模塊化變電站的特點，便于維護和檢修；對于10kV開關模塊，可選用金屬鎧裝移開式開關柜或固定柜，在工廠提前預制為可拼裝的開關室，現場進行拼裝，減少施工時間，但需同時考慮開關室的運輸及吊裝問題。綜合自動化模塊主要有變電站的繼電保護系統、調度自動化系統、智能監控系統和通信系統等，10kV保護系統可在工廠提前預制在10kV開關模塊內，其余部分安裝在預制式中央控制室內。

3.2 模塊化智能變電站的總平面布置

變電站總平面布置需遵循《總圖制圖標準》（GB/T 50103-2010）和《變電站總布置設計技術規程》（DL/T 5056-2007），總平面布置必須樹立全局觀念，因地制宜采用成熟的新材料、新工藝、新布置，滿足可持續發展的要求。另外，還需符合國家土地政策，合理使用土地，提高土地利用率，通過多種方案的技術經濟比較，不斷優化設計方案，盡可能降低工程造價，縮短建設周期。

依據以上原則，結合工程地理環境特點，以南方地區為例，應盡量使變電站各功能模塊避免大面積長期日曬，可將各開關室以坐北朝南的方向布置，即開關室長邊朝向南北方向，可有效減少日曬影響。另外，還需考慮當地水文氣象條件，對于沿海地區，需考慮臺風影響，適當調整變電站總體布置，減小受風面積。當下，城市環境要求越來越高，模塊化變電站設計時，可結合當地歷史人文情況設計各個模塊的外立面，使變電站總體外立面與周邊環境融為一體，實現與周邊環境的有機結合，整體協調統一，可參考周邊大型建筑的外立面設計，并征詢當地規劃部門的意見。

總之，在設計模塊化變電站總平面布置時，不僅要考慮變電站的土地使用、地理氣候條件和當地人文情況，同時還需結合變電站的總體節能要求，合理布置變電站的總體朝向和各功能模塊的位置。

4.模塊化智能變電站的節能分析

如前面分析，模塊化變電站主要在工廠按照各功能模塊分別預制，在現場拼裝而成，為達到變電站節能要求，需對預制艙結構、材質以及預制艙外立面顏色等方面進行考慮。

為保證預制艙艙體的抗震、防風性能，預制艙艙體結構主要采用高強度型鋼組成的骨架作為艙體承重框架，可在艙體頂部、底部和艙體墻面等位置設置適量的通風口，確保艙體內部空氣可與外部空氣進行交換。通風口需進行改造，根據內外環境溫度變化進行換氣，保持艙體內外氣壓平衡，當艙體內部溫度升高（下降）至制冷設備啟動溫度時，通風口自動關閉，使艙體內形成封閉式的空氣隔熱體。

艙體墻壁主要由（由外至內）纖維水泥外墻掛板、換氣層、防潮防濕薄膜、定向結構刨花板、保溫材料、方管或其他鋼結構、耐水耐火防潮型紙面石膏板等材料組成，這種墻壁具有卓越的隔熱性以及氣密性，能有效防止室內產生結露現象的發生，無需擔心長期使用會導致箱體腐朽，同時具有防塵、防腐、防潮、防火性能。外墻所用的金邦板材料具有綠色環保、輕質高強、隔音隔熱、耐水防火、耐候抗凍等方面的特點，保證了預制艙的節能效果。

研究數據表明，不同顏色吸收的太陽光熱量不同，淺色系太陽光熱量吸收系數遠低于深色系，以白色和黑色為例，黑色吸收的熱量為太陽光輻射熱量的85%，而白色僅為20%。工程設計時，需根據當地氣候條件合理選擇預制艙外立面顏色。在我國南方地區，氣候多為冬暖夏熱，推薦采用白色作為主色調搭配其他淺色系顏色設計預制艙外立面；在北方地區，氣候多為冬冷夏熱，為兼顧夏季的隔熱性能，推薦采用白色作為主色調搭配其他深色系顏色設計預制艙外立面。

5.結語

模塊化智能變電站作為一種新型的建站方式，具有高效率、低能耗、低污染等特點。隨著我國社會經濟和電力系統規模不斷發展，土地和人工資源將愈發緊缺，模塊化智能變電站容易選擇建設地點，節省土地資源，且可以縮短施工周期，降低變電站的整體造價，將會越來越多的應用在電力工程建設上。