模塊化智能變電站的裝配式設(shè)計研究

王彬

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司上海星通機(jī)場規(guī)劃設(shè)計分院，上海 200050)

0 引言

變電站在化工等很多行業(yè)都有應(yīng)用，電力供應(yīng)關(guān)乎國計民生及能源安全，為國家提供安全可靠、高質(zhì)量的電能是電力行業(yè)的責(zé)任。近年來智能電網(wǎng)已經(jīng)成為電力行業(yè)發(fā)展的主要趨勢，也已經(jīng)逐漸成為未來低碳經(jīng)濟(jì)需求的關(guān)鍵性戰(zhàn)略[1]。其中，裝配式的模塊化智能變電站是未來發(fā)展的主要類型之一[2]。

如今，裝配式的建筑因其施工周期短、工廠標(biāo)準(zhǔn)化加工、成本可控等原因已經(jīng)在建筑行業(yè)中取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。變電站的模塊化建設(shè)類似于裝配式建筑的建設(shè)，通過將變電站科學(xué)的劃分為不同的模塊，平行地制造和安裝，最后在現(xiàn)場組裝成為一個完整可靠的系統(tǒng)[3-4]。裝配式的智能變電站將變電站的土建設(shè)計和電氣設(shè)計有機(jī)的結(jié)合，最大限度的提高變電站的施工效率和設(shè)計的整體性，提高項(xiàng)目的整體效益。文章通過總結(jié)相關(guān)的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，就裝配式變電站特點(diǎn)及建筑模式及其相關(guān)技術(shù)進(jìn)行深入的分析，以期為模塊化智能變電站的裝配式設(shè)計提供相關(guān)參考，促進(jìn)該設(shè)計模式的廣泛應(yīng)用。

1 裝配式變電站特點(diǎn)及建筑模式

裝配式變電站典型設(shè)計是與施工工藝息息相關(guān)的。不同的施工工藝對裝配式變電站典型設(shè)計的成本、施工周期、運(yùn)行管理能力等多個方面起決定性作用，因此對施工工藝的清楚、細(xì)致的剖析有利于裝配式變電站典型設(shè)計的發(fā)展。隨著施工工藝的發(fā)展，典型設(shè)計也不斷地改進(jìn)，但目前在施工的過程中，裝配式變電站典型設(shè)計還是存在一定的缺點(diǎn)，如表1所示。建設(shè)單位、設(shè)計單位以及管理單位意見不統(tǒng)一導(dǎo)致項(xiàng)目冗余、施工復(fù)雜。建設(shè)單位期望利用更低的造價，創(chuàng)造出更方便使用的產(chǎn)品，而設(shè)計單位則要統(tǒng)籌考慮，既要滿足規(guī)范要求，又要成為技術(shù)先進(jìn)的標(biāo)桿工程。同時，典型設(shè)計建設(shè)需要先進(jìn)行土建施工，然后進(jìn)行電氣設(shè)備的安裝調(diào)試，因此存在建設(shè)周期長，用工量大等缺點(diǎn)。由于各個設(shè)計都是在典型設(shè)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)、同時根據(jù)地區(qū)溫度環(huán)境的不同進(jìn)行調(diào)整設(shè)計的，所以經(jīng)常會造成管理上的不便。不同的設(shè)計方案也會影響使用單位的合理性與方便性。

表1 裝配式變電站設(shè)計特點(diǎn)

模塊化設(shè)計是裝配式變電站的精髓。模塊化的設(shè)計可以通過統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范進(jìn)行生產(chǎn)、安裝、調(diào)試，同時管理起來也比較方便，能夠?qū)崿F(xiàn)變電站全壽命周期的技術(shù)管理。裝配式變電站的設(shè)計由于采用模塊化的思想，前期不斷改進(jìn)，可以使技術(shù)成果不斷成熟，減少設(shè)計理解不足、設(shè)計遺漏等問題。裝配式變電站采用模塊化設(shè)計，配件的生產(chǎn)、設(shè)備的組裝以及部分設(shè)備的大部分調(diào)試工作在生產(chǎn)廠家內(nèi)部即可完成，因此通過不同功能模塊的機(jī)械組合就可完成大部分的工作，只需現(xiàn)場進(jìn)行整體聯(lián)調(diào)。

模塊化設(shè)計以靈巧、便捷、智能、高效的方式解決了傳統(tǒng)設(shè)計中的問題。也大大縮短了建設(shè)施工周期，用工量小，節(jié)約成本。對于管理方而言，模塊化設(shè)計是按照統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范進(jìn)行管理，也使得管理起來相對簡單許多。

同時，電氣設(shè)備行業(yè)的高速發(fā)展促進(jìn)了變電站建設(shè)模式的變化，開始有傳統(tǒng)的變電站模式向著模塊化變電站模式拓展。如近期大量出現(xiàn)的預(yù)裝式變電站，預(yù)裝式變電站是模塊化設(shè)計與典型設(shè)計的中間形式，通過大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明預(yù)裝式變電站能夠極大地縮短施工周期。與此相比模塊化的設(shè)計減少了施工帶來的項(xiàng)目滯后問題。傳統(tǒng)變電站模式比較單一，其主要類型如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)變電站模式

這幾種模式都采用先土建施工再現(xiàn)場安裝調(diào)試的方式。戶外式變電站是高壓設(shè)備常用的建設(shè)選擇形式，建設(shè)技術(shù)非常成熟，型號多樣，建設(shè)成本低，但會影響市容，隨著城市的發(fā)展慢慢地被其他建設(shè)模式所取代。戶內(nèi)式變電站有效解決了戶外式變電站的在建設(shè)中遇到的問題，但戶內(nèi)式變電站對電氣絕緣要求更高，所以要求建筑物體積需要足夠大，承載能力足夠強(qiáng)，因此在安裝，調(diào)試、造價、耗時方面不如戶外式變電站。地下或半地下式變電站，顧名思義就是一部分建筑建設(shè)在地下或半地下，這種模式相比之前的形式更加環(huán)保，但也存在費(fèi)用高，施工難等問題，適合土地資源緊缺的發(fā)達(dá)城市。

模塊化變電站模式采用裝配式技術(shù)和應(yīng)用模塊化設(shè)備，主要包含土建部分和電氣部分。模塊化變電站的建設(shè)模式應(yīng)用在電網(wǎng)中已初見成效，比如在縮短建造時間、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保以及檢修管理方面具有很好的優(yōu)勢。

2 裝配式變電站技術(shù)

與傳統(tǒng)變電站的主要區(qū)別是裝配式變電站采用鋼結(jié)構(gòu)，因此鋼結(jié)構(gòu)的選型設(shè)計、施工方案、結(jié)構(gòu)安裝是裝配式變電站綜合樓建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。電氣模塊化設(shè)備安裝也存在一定的技術(shù)難度。

2.1 綜合樓鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計安裝

變電站綜合樓采用裝配式建筑技術(shù)，框架結(jié)構(gòu)常見的有鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)、預(yù)制式混凝土框架結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)，三種結(jié)構(gòu)模式的對比情況如表2所示。

表2 綜合樓結(jié)構(gòu)對比

通過表2可以看出，鋼結(jié)構(gòu)無論在結(jié)構(gòu)性能、制造拼接技術(shù)還是建筑防火能力方面都體現(xiàn)了很好的性能，價格層面預(yù)制式混凝土框架結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)要高一些，但綜合性能最好。

由于混凝土需要保養(yǎng)，時間一般不少于2周，因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)相比其他結(jié)構(gòu)施工周期也將大幅度降低。

綜合樓的鋼框架主要采用雙向壓彎構(gòu)件，常用的鋼材包括：方鋼、熱軋H型鋼、焊接H型鋼等材料中選擇，方鋼及H型鋼截面的力學(xué)性能，如表3所示。

表3 方鋼和H型鋼的截面形式框架結(jié)構(gòu)對比

如表3所示，兩種鋼整體表現(xiàn)相差不大，第一周期、第二周期及第三周期數(shù)據(jù)基本一致。由于綜合樓是雙向壓彎構(gòu)件，H型鋼變形小，方便使用，因此可優(yōu)先采用H型鋼。

鋼材防腐蝕是必要的。最常用的防腐蝕方法有冷噴鋅防腐、熱鍍鋅防腐以及有機(jī)涂層防腐。一般而言，冷噴鋅防腐方案的性價比更優(yōu)，防腐性能相對較好優(yōu)秀、適用領(lǐng)域廣泛，全壽命周期內(nèi)成本更低、綠色環(huán)保，施工條件要求不高。

2.2 裝配式電纜溝及圍墻的設(shè)計技術(shù)

電纜溝：采用模塊化設(shè)計，首先需要按照設(shè)計圖制作電纜溝單體，然后在現(xiàn)場組裝。電纜溝的形狀采用梯形結(jié)構(gòu)，即上邊窄下邊寬。在電纜溝的底部需要刷一層50 mm到60 mm厚的水泥。然后將單體放到電纜溝中，各單體間需要存留縫隙，縫隙的尺寸一般為5 mm，為了防水需要做防水處理。電纜要放在支架上，支架一般采用碳素鋼，能夠兼顧穩(wěn)定、防腐蝕、韌性好等性能。同時要做好符合消防規(guī)范的防火措施。

圍墻：圍墻采用ALC墻板，這種材質(zhì)密度小、質(zhì)量輕，能有效降低承載物的重量。拼接而成，便于安裝和維護(hù)，有效縮短了施工周期。每道圍墻間設(shè)置沉降縫，沉降縫處的圍墻設(shè)置雙柱。

2.3 電氣模塊化設(shè)備安裝設(shè)計技術(shù)

裝配式變電站采用模塊化的電氣設(shè)備，同樣具有安裝簡單、安裝工期短等特點(diǎn)。但是調(diào)試的時間一般比較長，多見各模塊間的連接匹配問題較多。在具體電氣設(shè)備安裝部件上與常規(guī)變電站一致。

3 結(jié)語

裝配式變電站不同于傳統(tǒng)變電站建設(shè)模式，它采用模塊化設(shè)計，是變電站設(shè)計的一種全新的理念，具有智能化、環(huán)保、施工周期短、成本高、簡潔便利等優(yōu)點(diǎn)。文章通過總結(jié)部分輸變電工程的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，對模塊化變電站裝配式設(shè)計相關(guān)理念進(jìn)行了介紹。通過文章的介紹和研究，為同類變電站的設(shè)計提供思路。