日本東京電力設(shè)施與城市布局融合的經(jīng)驗(yàn)及啟示

葉鍵民，蔡京陶，王若愚，王卿瑋，毛森茂，王詩(shī)超

(1. 深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000； 2. 中國(guó)能建廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510663)

超大和特大城市的持續(xù)擴(kuò)容，是中國(guó)城市化發(fā)展的趨勢(shì)。然而城市擴(kuò)容，對(duì)于公共管理和公共資源配置將帶來(lái)新的壓力。國(guó)內(nèi)深圳、廣州等城市，一些公共資源如電力設(shè)施建設(shè)與城市環(huán)境的矛盾日趨顯著。城市人口高速增長(zhǎng)的同時(shí)帶來(lái)了電力負(fù)荷的快速增長(zhǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致城市電力設(shè)施對(duì)城市用地提出了更多的需求，城市用地的緊缺又對(duì)電力設(shè)施與城市布局的融合提出了更高的要求。國(guó)外城市化進(jìn)程較早的日本東京、美國(guó)西雅圖等城市，在城市快速擴(kuò)張的階段，對(duì)電力設(shè)施與城市融合做了較多的探索，如日本東京新豐洲地下變電站建于市民公園之下，不僅解決了市中心電力供應(yīng)緊張的局面，同時(shí)完善了中心城區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，使安全供電的可能性大大提高，還為居民提供了集健身、休閑于一體的敞開(kāi)式都市花園[1-2]；美國(guó)西雅圖丹尼變電站，打破傳統(tǒng)風(fēng)格約束，把城市步行街道、景觀、基礎(chǔ)設(shè)施融為一體，結(jié)合公園規(guī)劃設(shè)計(jì)，通過(guò)環(huán)形的多階梯走廊把行人吸引到變電站，變電站最高處可以將城市景觀盡收眼底，實(shí)現(xiàn)了公共基礎(chǔ)設(shè)施、城市設(shè)計(jì)和景觀建筑的高度融合[3-4]。

本文研究了日本東京電力設(shè)施與城市布局融合的有關(guān)經(jīng)驗(yàn)和做法，通過(guò)借鑒其在城市電力設(shè)施建設(shè)的先進(jìn)理念和城市混合功能規(guī)劃經(jīng)驗(yàn)，有利于我國(guó)形成科學(xué)、規(guī)范、全局化的城市電力設(shè)施發(fā)展方向，對(duì)我國(guó)深圳、廣州等特大型城市提高城市用電可靠性、完善電力設(shè)施功能、融合電力設(shè)施建設(shè)與城市布局帶來(lái)一些啟示。

1 日本電力公司概況

按供電區(qū)域劃分，日本成立有東京電力、北陸電力、中部電力、關(guān)西電力等10家電力公司。不同電力公司之間聯(lián)系較弱，跨區(qū)域電力交換較少。以東京電力公司為例，其實(shí)行發(fā)輸配供一體化管理，供電范圍為首都和附近其他地區(qū)，供電人口約5 000萬(wàn)，總的供電面積4萬(wàn)km2，承擔(dān)了日本近1/6的電力供應(yīng)份額[2]。2019年?yáng)|京電力供電范圍的最高供電負(fù)荷約達(dá)6 000萬(wàn)kW，售出2 800億kWh電量，占日本全國(guó)總售電量的36.2%。東京電力公司在其管轄區(qū)域內(nèi)建設(shè)了堅(jiān)固的輸配電線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)所有客戶的雙回路供電；已建成足夠的發(fā)電裝置，系統(tǒng)峰值備用率超過(guò)8%，完成了從“供電”到“良好供電”的變換。

日本東京地區(qū)人口密度大，用電量和負(fù)荷密度在全球大中城市居于前列。隨著城市化水平和電力工業(yè)的快速發(fā)展，電力設(shè)施與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)的要求逐步提高，東京電力公司在緩解土地資源緊缺與電力設(shè)施建設(shè)矛盾，實(shí)現(xiàn)變電站建筑設(shè)計(jì)與周圍環(huán)境融合結(jié)合方面，開(kāi)展了一些較好的舉措。

2 東京電力設(shè)施建設(shè)面臨的問(wèn)題

東京電力公司在電力設(shè)施規(guī)劃建設(shè)過(guò)程中，首先面臨的是土地資源緊缺問(wèn)題，導(dǎo)致變電站規(guī)劃選址尤其困難。此外緊缺的土地面積又對(duì)建筑主體的設(shè)計(jì)提出了更高的要求和標(biāo)準(zhǔn)。另外則是對(duì)于征收土地所需付出的補(bǔ)償金較高，嚴(yán)重影響整個(gè)變電站的經(jīng)濟(jì)效益。最后則是社會(huì)對(duì)變電站產(chǎn)生的電磁輻射存在一定的偏見(jiàn)認(rèn)知，這就導(dǎo)致在變電站建設(shè)過(guò)程中易受到一定程度的阻力。

東京電力公司為了確保電力設(shè)施建設(shè)工程項(xiàng)目的順利開(kāi)展，采取了以下措施和方式：①充分利用城市綜合管廊。電力電纜與通信電纜、供熱供水管道供用管廊，高效利用土地資源；②將變電站建設(shè)在地下，充分開(kāi)發(fā)地上和地下空間的利用率；③建設(shè)合建變電站、裝配式變電站等，使電力設(shè)施與其他建筑合理結(jié)合，最大程度地發(fā)揮土地資源的利用率，也不影響到整個(gè)城市的美觀設(shè)計(jì)，進(jìn)而滿足城市用電需求，提高變電站的經(jīng)濟(jì)效益；④充分發(fā)揮廣場(chǎng)、公園等基礎(chǔ)公共設(shè)施的空間利用率，既保證不會(huì)干涉到整個(gè)城市的空間，還能夠?qū)⒆冸娬镜墓δ芙Y(jié)構(gòu)嵌入到整個(gè)城市的發(fā)展中，進(jìn)而不斷推動(dòng)整個(gè)城市的和諧穩(wěn)定發(fā)展。

3 日本綜合管廊工程建設(shè)

3.1 東京臨海副都心綜合管廊

東京城市副中心之一的臨海副都心,位于東京市中央港區(qū),占地面積共4.42 km2。臨海市副都心的市政基礎(chǔ)和配套設(shè)施齊全,每座建筑都可以直接連通上下水、供電通訊、供氣及垃圾回收系統(tǒng),市政管線的種類總共有10種[5-6]。東京臨海副都心綜合管廊斷面示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 東京臨海副都心綜合管廊斷面示意圖

為使市政管道高效運(yùn)行，除了雨水管道之外，其他9種管線都被歸納為綜合管廊。該綜合管廊擁有目前世界上最大的截面規(guī)格、管廊長(zhǎng)度和能包含的管線量，項(xiàng)目總成本約32億美元，每年維護(hù)管理費(fèi)用需370萬(wàn)美元。臨海綜合管廊項(xiàng)目成本高，效果顯著，安全性和可靠性都很好。

臨海綜合管廊建筑物的總長(zhǎng)度約為16 km，標(biāo)準(zhǔn)斷面主管廊寬度約19.2 m，高為5.2 m，管道間留置2 m的清潔、凈空,方便其對(duì)管道進(jìn)行定期的巡視及日常保養(yǎng)。敷設(shè)使用的管線大致分為電力電纜線路、給水管、再生飲用水管、數(shù)據(jù)通訊線路、供熱管道、供冷水管、燃?xì)廨斔凸艿赖雀黝惞艿?，同時(shí)在這條管廊內(nèi)還將為未來(lái)的建設(shè)項(xiàng)目提供一定的空間。

3.2 氣體絕緣線路綜合管廊

氣體絕緣線路(Gas Insulated Line,GIL)多用于水電站、核電廠及火電廠。世界上最長(zhǎng)的GIL線路在日本，即Shinmeika-Tokai線，該類型的輸電系統(tǒng)總體長(zhǎng)度3.3 km，電壓等級(jí)275 kV，電流承受能力為6.3 kA，采用綜合式管廊敷設(shè)。綜合管廊建筑坐落在地下30 m，內(nèi)徑5.6 m，分上下2層，綜合管廊上層主要作為雙回GIL輸電線路，下層主要是為發(fā)電廠提供液化天然氣的綜合管道，通過(guò)一個(gè)共用的綜合管廊極大地改善和提高了其空間的利用率，節(jié)約了項(xiàng)目建設(shè)投資，目前綜合管廊運(yùn)行情況良好。日本Shinmeika-Tokai線路綜合管廊斷面圖見(jiàn)圖2。

圖2 日本Shinmeika-Tokai線路綜合管廊斷面圖

4 東京變電設(shè)施建設(shè)與城市融合

4.1 東京新豐洲地下變電站

地下變電站的設(shè)置一般分為地下三層，一層布置有主控制室、通信機(jī)房、電容器室、消防設(shè)備安全防護(hù)室等，二層布置主變室、10 kV開(kāi)關(guān)控制室、110 kV GIS室、接地變室等功能房間，三層為電纜夾層。

日本東京新豐洲500 kV地下變電站是世界上第一個(gè)深入城市地區(qū)的地下變電站，同時(shí)也是世界上第一個(gè)已經(jīng)建成的500 kV地下變電站。地面建筑為9層，變電站總?cè)萘坑? 480 MVA，分為3臺(tái)500 kV、1 500 MVA主變壓器，6臺(tái)275 kV、300 MVA主變壓器，3臺(tái)66 kV主變壓器。

該變電站共有三種電壓標(biāo)準(zhǔn)：500、275、66 kV。500 kV為線路式變壓器機(jī)組，275 kV一次出線為6回，66 kV出線數(shù)為8回。變電站底部布置了變壓器、電抗器、電容器等重型裝置，中間布置GIS等輕型裝置，頂部分別布置了控制室、排氣塔，降低了變電站建造成本。大型裝置進(jìn)入地下的物流運(yùn)輸渠道和有效途徑是地下變電站設(shè)計(jì)中要考慮的一個(gè)重要方面。

此外，新豐洲變電站GIS室層梁底標(biāo)高只比GIS設(shè)備高1 m。GIS室不需要安裝檢修用車，選擇工業(yè)級(jí)的照明燈并將其安裝到合理的位置上，這樣就可以大大降低后期的維護(hù)成本，操作方便。常規(guī)的變電站GIS房間一般高度可達(dá)10 m，主要考慮到的就是在GIS房間里設(shè)置自動(dòng)駕駛，其運(yùn)營(yíng)所需的路徑高度要求較大。這樣的高層建筑設(shè)計(jì)很難在地下變電站實(shí)施。

東京電力公司擁有的地下變電站共享有許多地上的配套設(shè)施，包括公園、寺廟、辦公大廈、電力公司建筑物等。通過(guò)這些地上的設(shè)施，地下變電站得到了很好的屏蔽,同時(shí)使得變電站的噪聲、電磁輻射等都得到了有效的降低，達(dá)到協(xié)調(diào)建筑物的景觀、維護(hù)環(huán)境、增強(qiáng)了變電站的安全性等目的。

4.2 東京代官山合建變電站

合建變電站即變電站與商業(yè)設(shè)施融合建設(shè)。合建變電站上蓋物業(yè)產(chǎn)權(quán)多為電力公司自有。東京市區(qū)變電站的建設(shè)面臨著許多問(wèn)題，包括用地緊張、與城市周邊建筑風(fēng)格協(xié)調(diào)配合、設(shè)備運(yùn)行噪聲對(duì)居民生活或辦公影響等外部因素，合建變電站是有效的解決措施之一。合建變電站工程建設(shè)中有較好的成果，不僅合理利用公共資源，減少土地占用，降低成本，而且減少噪聲對(duì)周圍環(huán)境的干擾，解決了與周圍環(huán)境建設(shè)的協(xié)調(diào)問(wèn)題。

合建變電站”就是將常規(guī)布置的變電站的建、構(gòu)筑物集約為一個(gè)整體模塊，將其附設(shè)到其他建筑綜合體中去，故而稱之為“合建式變電站”(見(jiàn)圖3)。

圖3 合建變電站示意圖

以東京特色街區(qū)代官山為例，其超高層公寓項(xiàng)目納入了一個(gè)面積達(dá)13 000 m2的變電樞紐站。這一項(xiàng)目將超高層建筑與大型電力設(shè)施很好地結(jié)合在一起，且正是因?yàn)闁|京電力公司購(gòu)買了不易被當(dāng)時(shí)市場(chǎng)消化的地下空間用來(lái)建設(shè)變電站，才使得該項(xiàng)目順利實(shí)施。項(xiàng)目建成以來(lái)，對(duì)于將超高層建筑與變電樞紐站放在一塊基地上的問(wèn)題未引起任何爭(zhēng)議。

東京代官山變電站與常規(guī)變電站的不同點(diǎn)在于：

1)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不同。代官山變電站與主體建筑統(tǒng)籌規(guī)劃設(shè)計(jì)，變電站按工業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，主體建筑按民用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，合建設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)按兩者較高級(jí)別執(zhí)行；同時(shí)代官山合建變電站設(shè)計(jì)還滿足相應(yīng)類別行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2)變電站電氣設(shè)備無(wú)油化。代官山變電站與合建建筑零距離甚至嵌在其中，共處同一個(gè)場(chǎng)所，采取了特殊有效的防范措施，解決消防問(wèn)題。根據(jù)日本相關(guān)消防規(guī)定，110 kV及以上電壓等級(jí)的變電站的布置要求均為間隔一定的防火間距獨(dú)立建造。因此，代官山合建變電站所有電氣設(shè)備均采用了無(wú)油化設(shè)計(jì)。

3)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。代官山變電站火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)納入主體建筑火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)一體設(shè)計(jì)，采用三重報(bào)警方式，將消防報(bào)警信號(hào)分別送至東京電力調(diào)度中心、東京電力安防中心及主體建筑報(bào)警系統(tǒng)，滿足不同單位及部門的管理及監(jiān)控要求。

總的來(lái)說(shuō)，合建變電站不單獨(dú)征地，不設(shè)圍墻，優(yōu)化利用土地資源，是城市基礎(chǔ)設(shè)施與城市開(kāi)發(fā)項(xiàng)目集約融合的重大創(chuàng)新突破。合建變電站可上蓋物業(yè)，進(jìn)一步提高城市土地開(kāi)發(fā)價(jià)值，增加社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。合建變電站與主體項(xiàng)目的統(tǒng)籌設(shè)計(jì)、同時(shí)施工，避免了變電站滯后建設(shè)時(shí)由于居民對(duì)變電站的不理解進(jìn)行的阻攔，有效降低了變電站建設(shè)的社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)，解決了變電站建設(shè)困難的問(wèn)題。

4.3 東京豐島裝配式變電站

裝配式變電站是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的設(shè)計(jì)與建造，實(shí)現(xiàn)工廠化加工和生產(chǎn)變電站構(gòu)件和材料，最終利用規(guī)模化生產(chǎn)全面達(dá)到提升質(zhì)量，快速施工和降低成本的目標(biāo)[7]。它是由技術(shù)性高、安全性好、污染小的智能模塊化單元構(gòu)成的密集型、多用途功能封閉式的變電站。

以東京110 kV豐島裝配式變電站為例，主要組成部分均在生產(chǎn)廠商制造、調(diào)試，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)快速拼裝，各建筑物、構(gòu)筑物實(shí)現(xiàn)并聯(lián)施工，建設(shè)效率明顯高于傳統(tǒng)現(xiàn)澆變電站，工期大幅度縮減。變電站的圍墻、大門、結(jié)構(gòu)支架、設(shè)備支架等全部采用組合式裝配鋼結(jié)構(gòu)、蒸壓輕質(zhì)加氣混凝土板，所有鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件也在廠商處預(yù)制，進(jìn)行工業(yè)化、規(guī)?；a(chǎn)，技術(shù)統(tǒng)一化，規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化?，F(xiàn)場(chǎng)施工基本無(wú)濕式作業(yè)，施工無(wú)污染、無(wú)噪聲，對(duì)施工作業(yè)人員健康的不良影響大幅度減少。與傳統(tǒng)變電站相比，東京豐島裝配式綜合變電站在設(shè)計(jì)上具有工期短、現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)間短、質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，減少占地面積，集約生產(chǎn)，縮短工期，使變電站建設(shè)走上了科學(xué)技術(shù)含量高、精密細(xì)化建設(shè)的道路。

裝配式變電站利用“裝配式”技術(shù)，更改了傳統(tǒng)變電站建設(shè)模式。在東京豐島裝配式變電站建設(shè)中，使用預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)材料加工制作的各種建筑元件、電氣設(shè)備及自動(dòng)化控制單元以及電纜的集成與組裝等一系列創(chuàng)新技術(shù)，減少了工作量，工期時(shí)間大大縮短，保證質(zhì)量，減少人工成本，提高質(zhì)量和環(huán)境效益。裝配式變電站是變電站建設(shè)的一場(chǎng)新革命，它不僅突破了傳統(tǒng)變電站電氣布局、土建設(shè)計(jì)和施工模式，更是對(duì)電網(wǎng)及電網(wǎng)工作者的一種挑戰(zhàn)。裝配式智能變電站雖處于發(fā)展初期，但將來(lái)應(yīng)是提高電網(wǎng)建設(shè)水平、促進(jìn)智能電網(wǎng)發(fā)展的有效途徑之一。

5 對(duì)國(guó)內(nèi)特大型城市電力設(shè)施建設(shè)的啟示

深圳電力負(fù)荷密度位居全國(guó)之首，隨著城市發(fā)展特別是城市更新改造工作的開(kāi)展，城市變電站，尤其中心高密度負(fù)荷區(qū)變電站選址落地越發(fā)困難，變電站用地與土地供給的矛盾越來(lái)越突出。借鑒日本東京電力設(shè)施建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)和舉措，在深圳電力設(shè)施建設(shè)規(guī)劃選址、方案制定時(shí)綜合考慮城市綜合管廊、地下變電站、合建變電站以及裝配式變電站等方案，可以產(chǎn)生較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益：

1)可與城市布局有機(jī)融合。采用城市綜合管廊，地下變電站、合建變電站等，消除了架空線路走廊的征地以及與環(huán)境協(xié)調(diào)等問(wèn)題，有效利用了地下空間，可以實(shí)現(xiàn)與城市環(huán)境的融合。

2)大幅節(jié)省工程用地。采用地下變電站、合建變電站不須單獨(dú)征地，不新建圍墻，可以優(yōu)化利用土地資源。根據(jù)南網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，圍墻內(nèi)占地面積不超過(guò)3 071 m2，深圳國(guó)土局要求為不超過(guò)2 500～2 800 m2，地下變電站、合建變電站幾乎不征地，節(jié)省率達(dá)100%。

3)顯著提高土地開(kāi)發(fā)價(jià)值。地下變電站、合建變電站可上蓋物業(yè)，進(jìn)一步提高了城市土地開(kāi)發(fā)價(jià)值，增加社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。以某110 kV變電站上蓋物業(yè)計(jì)，可新增建筑面積約2萬(wàn)m2，以深圳地區(qū)地面商業(yè)價(jià)值估算，新增經(jīng)濟(jì)效益不低于20億元。

4)有效提高供電可靠性。合建變電站可深入負(fù)荷中心，縮短供電半徑，對(duì)提高區(qū)域的供電可靠性具有重要作用。以深圳灣科技生態(tài)園為例，如采用110 kV合建變電站方案，該變電站與科技生態(tài)園商業(yè)建筑合建，直接為科技園生態(tài)城提供10 kV出線，供電半徑可縮短至500 m以內(nèi)，比深圳供電局規(guī)定10 kV供電半徑3 km縮短83%，可減少線損20%。

6 結(jié) 語(yǔ)

日本東京與我國(guó)一些特大型城市如深圳、廣州等，在地形、人口密度、城市化進(jìn)程、電力負(fù)荷分布、土地資源緊缺等方面存在高度相似性。隨著近年來(lái)我國(guó)更注重打造生態(tài)城市、綠色城市,社會(huì)對(duì)電力設(shè)施與環(huán)境融合的要求越來(lái)越高。深圳等特大型城市新的電力設(shè)施建設(shè)借鑒日本東京采用的城市綜合管廊、地下變電站、合建變電站等方案和措施，不僅可以緩解變電站用地壓力，集約利用土地，提高土地綜合利用價(jià)值；同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)變電站深入負(fù)荷中心，縮短供電半徑，提高供電可靠性，較好地解決城市發(fā)展與電網(wǎng)建設(shè)的矛盾，實(shí)現(xiàn)電力實(shí)施與城市布局較好的融合。