110 kV預制艙變電站技術研究與應用

劉文平,王振剛,孟晨旭,練志斌,姚光久

(南方電網廣東中山供電局,廣東 中山 528401)

0 引 言

廣東電網一直經受高負荷、高氣溫、高壓力的考驗,城市用電負荷高速增長,需要在城市之中建設一定數量的變電站,而城市建設用地緊缺,故新建變電站應占地小、建設周期短、安全可靠、運維智能化[1-3];珠三角地區工業化、城市化水平較高,大氣污染嚴重,同時還受強日照、強臺風等惡劣氣候影響,容易引發變電站滲水漏水、設備表面腐蝕、箱體內部凝露潮濕等問題,導致設備絕緣強度降低,因此對變電站電氣設備的防風、防雨、抗腐蝕性要求較高[4-5]。國外自20世紀60年代開始推出戶外成套變電所的新型變電設備,之后歐美、中東及日本等地開始預制艙技術研究[6-7]。中國自2011年開始預制艙變電站技術研究,由于具備“標準化設計、模塊化生產、流水線制造、程序化調試、裝配式建設”的優勢,預制艙技術已廣泛應用于電力、工礦、鐵路、軍工等領域。預制艙變電站技術應用初期僅將10 kV高壓室或主控室設備采用模塊化預制艙,變電站占地面積雖然減少了部分,但建設周期依舊較長;城市地下變電站雖然節約建設用地,但會增加建設成本,相比傳統變電站建設模式并無明顯優勢[8-10]。基于上述問題,如何減少變電站建設用地、縮短施工周期、減少投資成本,以及提高隔熱、防水、防風、防腐性能是迫切需要解決的問題。

近年來,預制艙技術在變電站中的全方位應用為該問題提供了解決方法。預制艙變電站的艙體單元在工廠內進行制造、設備安裝及部分接線工作,模塊化運輸到施工現場進行各單元精準拼接[11-13]。站內一、二次裝置大多使用光纖通信接頭,所以可通過電纜、光纖及預制航空接頭取代傳統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首個全設備預制艙變電站,也是南方電網裝配式技術應用試點項目,該站將整站一、二次設備預制艙化,艙體應用隔熱、防水密封、防風等技術,艙內通風系統通過智能聯動控制,確保設備運行環境的最優化,具有占地面積小、建設效率高、智能化程度高、防水、防風、防腐蝕等優點。

1 變電站設計方案

1.1 工程概況

根據南方電網公司《2018年公司依托基建工程開展新技術試點應用計劃》,中山110 kV同福變電站工程應用裝配式技術建設成為一座全設備預制艙式變電站,預制艙單元內一、二次設備按照標準化設計、模塊化生產、模塊配送式運輸、現場吊裝拼接。

該站圍墻內總面積為3 794.24 m2,預制艙建筑面積為1 053 m2。由于場地限制,全站采用緊湊型布置,GIS預制艙采用一字型布局,一、二次設備艙采用雙層模式,全站共有12座艙,站內設備均在預制艙內,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

該站電氣主接線采用單母線分段接線方式,具有接線簡單、投資少、操作方便等優點,其中包括2臺63 MVA主變、4回110 kV出線及30回10 kV出線,該方案已充分考慮到中山地區負荷集中、密度大且基本均勻的特點,設計規模如表1所示。

表1 變電站建設規模Table 1 Substation construction scale

1.2 站內設備艙室布置

同福變電站包括110 kV GIS預制艙、10 kV高壓室預制艙、主控室預制艙、蓄電池室預制艙、變壓器預制艙、電容器室預制艙、站變室預制艙、接地變室預制艙、安全工器具室預制艙和110 kV電纜層、10 kV電纜層、水泵房、門衛室等。各模塊艙體構成詳見表2。

表2 各模塊艙體構成Table 2 Cabin structure of each module

1.3 預制艙主要模塊設計

該文主要選取GIS預制艙、主變預制艙、雙層預制艙和電容器室預制艙設計方案進行詳細闡述。

1.3.1 GIS預制艙方案

GIS預制艙的一、二次設備先在工廠安裝在艙內,然后用卡車將預制艙各單元運輸至施工現場進行多節組合拼裝;屋頂區域通過縫隙榫卯結構解決防風防水問題,采用左右推拉式滑動屋頂蓋板設計,方便吊裝大型設備及GIS設備檢修試驗;艙內采用可移動龍門吊架來吊裝艙內設備,有效提高龍門吊裝架的靈活性。

艙內設備包括4回電纜出線、2回主變進線、2段母線、1個分段和1個備用間隔;GIS設備采用直列式布置方式;智能控制柜放置于GIS底座上;靠墻一側艙壁采用防火墻;艙體配置4臺微正壓工業空調、2臺除濕機、1臺空氣凈化器、5臺事故風機、5臺通風防塵裝置、1臺氣體濃度監測裝置、1套火災自動報警及控制設備,確保艙內GIS設備的運行環境安全可靠并符合空氣質量標準。圖2所示為GIS預制艙外觀圖。

圖2 GIS預制艙外觀圖

1.3.2 主變預制艙方案

主變預制艙室包括墻面和頂蓋,現場先安裝主變,后安裝艙體。預制艙墻面起到隔離變壓器與外部環境的作用,一旦變壓器失火,可有效防止火災蔓延。預制墻面與變壓器間保持適當距離,不影響變壓器的通風、散熱,方便運維人員巡視、維護、檢修。頂蓋采用模塊化網格板設計,由橫梁、框架和支撐架固定,相比戶外敞開式變壓器,頂蓋可有效防止漂浮物落在變壓器導電部位,相比封閉式的變壓器室,網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距離,可進一步安裝檢修電源、照明燈,以確保檢修工作快速實施。模塊化的頂蓋在設備吊裝、檢修時無需大規模拆裝,只需拆除少量必要的網格板和框架即可進行作業。圖3所示為主變預制艙外觀圖。

圖3 主變預制艙外觀圖

1.3.3 雙層預制艙方案

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

一層高壓設備艙已安裝47面開關柜,并預留了二期安裝位置,總共有16節模塊,分模塊運至現場拼接安裝;其通道寬度滿足GB 50060《3～110 kV高壓配電裝置設計規程》等相關標準規范的要求;一次設備艙配置6臺微正壓工業空調和2臺除濕機,艙內設置獨立空調通風專用風道;艙體靠近主變一側設置防火墻;設置專門的開關設備泄壓通道,確保壓力艙外泄放。

二層二次設備艙包括81面屏柜,包含2個電池艙,共計12節模塊,分模塊運至現場拼接安裝;設置有獨立一、二次線纜通道;二次艙配置4臺微正壓工業空調和2臺除濕機,并設置專用風道;蓄電池艙配置防爆空調。設置防護圍欄與登艙梯,確保作業人員安全。圖4所示為雙層預制艙外觀圖。

圖4 雙層預制艙外觀圖

1.3.4 電容器室預制艙方案

電容器室預制艙在工廠安裝完畢后整體發往現場,包括操作室和2個電容器設備室,操作室內有電容器操作機構、端子箱、消防控制箱和檢修電源箱,設備室內有電容器、溫濕度控制器、空調、除濕機、七氟丙烷氣體滅火系統。為方便設備運維檢修,電容器采用臥式布置方式;預制艙頂蓋采用活頂方便電容器安裝;靠墻一側艙壁采用防火墻模式;艙體設置集中排水,將雨水集中排到排水溝,保障排水通暢。圖5所示為電容器室預制艙外觀圖。

圖5 電容器室預制艙外觀圖

2 預制艙式變電站關鍵技術

2.1 預制艙隔熱技術

預制艙室的頂蓋及側面壁板采用三層結構,包括保溫玻璃纖維增強混凝土(glass fiber reinforced concrete,GRC)材料層、空氣間隔層和隔熱復合材料層,實現箱體與外界全面隔熱,如圖6所示。在穩定傳熱條件下,1 m厚度的復合材料,兩個表面的溫度為1 ℃,在規定時限內,通過1 m2面積傳導的熱能為0.028 W,相比傳統的磚頭和水泥材料具有更好的隔熱性能,如表3所示。預制艙室門框采用卡槽密封條及氣泡式密封條的雙重密封設計,可以有效提高密封性,提高預制艙隔熱性能。

表3 導熱系數對比Table 3 Comparison of thermal conductivity

圖6 箱體壁板三層結構圖

預制艙單元的拼接部位采用結構翻邊,用硅橡膠密封條封堵,里面加入阻燃泡沫,實現了防塵、密封、保溫的效果。

2.2 智能聯動控制技術

預制艙的室內環境控制設備包括控制器、空氣質量(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、專用通風管道、除濕機、空氣凈化器、風機、火災探測器,通過對傳感器監測的數據進行智能分析,基于歷史和當前艙內環境數據,通過智能算法預測設備故障,可及時發現設備故障,并迅速通知運維人員。通過智能聯動控制技術,控制設備的啟動與停機,確保艙內設備運行環境的最優化。微正壓空調使得室內的氣壓略大于室外的氣壓,可以保持室內空氣新鮮,空調通風管道吹風口設置在設備附近,風口大小可以根據檢測到的溫度值進行調節,實現設備室精準溫控、風口量化調節功能。

預制艙內溫度小于等于低溫啟動閾值或大于等于高溫啟動閾值時,啟動微正壓空調進行溫度調節;艙內濕度大于等于啟動閾值時,啟動除濕機進行除濕;艙內氧氣含量小于等于啟動閾值時,啟動風機進行通風;艙內甲醛含量、TVOC含量、PM2.5含量大于等于啟動閾值時,啟動空氣凈化器進行空氣凈化;火災探測器監測到有火災時,啟動風機進行排煙,同時關閉空調、除濕機以及空氣凈化器。智能聯動控制邏輯圖如圖7所示。

圖7 智能聯動控制邏輯

2.3 預制艙防水密封技術

各預制艙單元拼接后會產生縫隙,包括預制艙底座縫隙、拼接處縫隙和艙體各進出線口縫隙,所以預制艙防水設計尤為重要。預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計,形狀為長方形,其右端與上端為楔形凹槽,左端與下端為與凹槽相對應的楔形凸臺,兩塊或多塊拼插板間可通過凹槽與凸臺進行拼接,并輔以鉚釘固定,這種迷宮式結構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設計,形成一道滴水線,順著艙頂下沿平面流動的雨水流到槽口處即跌落,并設計集中排水管道。

圖8 迷宮式防水結構

2.4 預制艙防腐技術

廣東地區的鹽霧可導致設備和建筑物銹蝕,預制艙艙體材料選用耐候鋼,增加稀有金屬材質,使其在保證鋼的機械性能優勢下,同時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產生一層保護層,可有效防止外部的腐蝕性介質腐蝕金屬表面,進而發揮優異的防腐蝕作用。

對預制艙結構進行優化，通過工廠化預制，盡量減少現場拼裝及焊接，可以避免焊接處被腐蝕，具體為一體化焊接結構。預制艙骨架采用高強度型材網狀焊接，提高結構穩固性；先在骨架上滿焊至整板，然后整體進行打磨、防水、防腐處理。

2.5 燃弧集中泄壓技術

由于變電站預制艙高壓室空間小且密閉,如高壓室開關柜防爆后產生的高溫氣體及熱熔物未泄壓至室外,會對人身和設備造成安全隱患。如圖9所示,將各開關柜的燃弧泄壓通道集中,通過通道內導向裝置將爆炸物泄壓導至室外地面。燃弧泄壓集中通道設計能夠確保一次設備燃弧故障時將壓力泄放至預制艙外部,確保人身安全。

圖9 燃弧泄壓集中通道設計

3 應用實例

110 kV同福變電站于2021年8月投運,通過各預制艙艙體精準拼接,實現了艙間線纜即插即用,比傳統變電站建設周期縮短了3～4個月。運維人員根據該站特點制定了預制艙(不含設備)運維策略,如表4所示,結合變電站日常巡視維護對站內預制艙(不含設備)進行維護。運行一年以來,該站發現故障如表5所示,運行人員通過日常巡視維護、防風防汛特巡、天氣驟冷特巡、防污特巡等工作,發現艙內通風設備運行正常,未見艙體滲水痕跡,變電站發生故障與預制艙艙體無關,均由設備原因造成,故障的數量與同期常規變電站相比減少了50%。

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

4 結 語

作為一種新型的變電站建設模式,預制艙式變電站相比傳統變電站具有占地面積小、建設周期短、投入成本低、使用壽命長等優勢,同時,預制艙式變電站良好的抗風防腐、隔熱防水、通風防塵等優點,大大提升了變電站的運維效率。隨著城鎮化的不斷推進,預制艙技術在新一代智能變電站中的成功運用給城市變電站建設提供了更優的解決方案,提高了變電站工程建設質量和建設效率,具有廣闊的應用前景。