基于預制艙的配送式智能變電站設計

孫建龍，魯東海

(1.江蘇省電力公司經濟技術研究院，江蘇 南京 210008；2.江蘇省電力設計院，江蘇南京 211102)

我國變電站建設模式經過幾十年的摸索已經形成較為成熟的模式，在提高建設水平促進電網發展的同時也暴露出越來越多的問題，如：電網建設的投資力度和建設規模持續增加，電網項目建設難度加大、周期加長，作為電網最主要環節的變電站其建設周期不斷壓縮，現場施工效率與建設質量的矛盾愈加突出；電網建設要求與國民經濟及社會發展相適應，要節約用地、保護生態環境，對變電站建設工地的環保措施要求愈來愈嚴格[1]；隨著智能變電站發展，變電站設備智能化程度不斷提高，現有建設人員不能很快適應，無法滿足建設進度要求；變電站設備精細化程度不斷提高，接口愈加繁雜，并伴隨大量光纜使用，而光纜較電纜更為容易受損，對現場設備接線的要求越來越高；現場調試工作量大，調試環境惡劣，且必須等到施工結束才能進行，造成大量時間浪費，降低建設效率等[2，3]。為解決上述問題，電力行業的工作者們一直在尋求一種新的變電站建設模式以替代傳統變電站建設模式。隨著裝配式變電站的發展，一大批基于預制建筑物[4]、圍墻、電纜溝、防火墻、構支架的全預制裝配式變電站迅速崛起[5，6]，在解決以往變電站建設模式固有缺陷，實現“標準化設計、工廠化加工、配送式建設”的設計建設新方法方面初顯成效。

目前，裝配式變電站建設模式方興未艾，國家電網公司又提出基于全新技術架構的配送式智能變電站概念，預制艙的概念伴隨著配送式變電站應運而生。文中提出一種基于預制艙的配送式智能變電站建設方案，并詳細闡述了其具體實施方案。

1 基于預制艙的配送式智能變電站框架

1.1 總體框架

基于預制艙的配送式智能變電站是一種全新概念的智能變電站[7]，它將變電站分為兩部分，智能一次設備和集成二次設備的預制艙：智能一次設備是變電站的身體，集成二次設備的預制艙是變電站的大腦，其中智能一次設備由一次設備本體、傳感器、智能組件和標準接口構成[8]，集成二次設備的預制艙由各種保護、測控裝置及為這些裝置提供保護和標準接口的預制艙構成[9]，智能一次設備和預制艙之間通過預制光纜[10，11]、電纜連接。基于預制艙的配送式智能變電站框架如圖1所示。

圖1 基于預制艙的配送式智能變電站框架

1.2 主要特點

基于預制艙配送式智能變電站具有如下主要特點：

（1）大規模采用預制式二次設備。預制式二次設備即將二次設備集中布置在預制艙內，由設備廠家統一集成安裝后，整體運輸到現場，就地布置在配電裝置區，艙內設備之間的連接與調試在集成商廠家完成，對外配置標準的預制光纜、電纜接口。

（2）即插即用的光纜、電纜連接方案。通過對變電站各設備之間信息交互內容與模式的充分分析與歸納，總結出典型間隔（如出線、母聯、主變、母線）的連接光纜、電纜的數量及規格，進而將其接口標準化，分別在智能一次設備端和預制艙端預制標準接口，現場采用預制光纜、電纜連接，實現即插即用。

（3）現場施工與工廠化預制同步。變電站現場進行土建施工及電氣一次設備安裝調試的同時，預制艙內二次設備在集成商廠家同步進行接線及調試，無需等到前一步工序結束再進行，大幅縮短建設周期。

2 預制艙結構及艙內設備布置方案

2.1 智能變電站預制艙結構

智能變電站預制艙要實現設備廠家統一集成安裝，整體運輸到現場，就地布置在配電裝置區，需要分別對預制艙的外形尺寸、艙體材料、整體結構進行統籌考慮。

（1）外形尺寸。目前預制艙尺寸基本參考集裝箱尺寸選擇[12]。電力控制柜標高為2260 mm，接入電/光纜分布在機柜頂部或底部，柜頂（底）上（下）方需要橋架及走線的空間，標準的集裝箱內部凈高度為2394 mm，因此需要增加集裝箱的高度，同時根據《超限運輸車輛行駛公路管理規定》，預制艙橫向尺寸不宜超過2500 mm，長度不宜超過13 000 mm，并盡量采用標準集裝箱尺寸。目前主要選擇的尺寸如表1 所示3 種。

表1 標準預制艙規格

（2）艙體材料。艙體一般采用不銹鋼材料，強度高、結構牢、焊接性和水密性好，通過采取超重防護體系噴漆處理提高抵抗腐蝕能力；封閉的金屬六面體保證了艙體的電磁屏蔽性能。由于艙體置于戶外，艙壁夾層應附著保溫材料（如巖棉等），材料的防火性能應不低于V2 級。艙內壁附保溫材料厚度約為45 mm，具有很好的隔熱保溫性能。

（3）整體結構。考慮風荷載及抗震要求，主體結構采用H 型鋼柱和H 型鋼梁，梁柱間采用焊接或螺栓連接。艙體底部可加設水平或縱向工字鋼或槽鋼，加強艙體整體性。預制艙一端設標準雙開門，作為設備輸入通道，另一端設檢修人員出入口即可。頂部增加斜頂，斜頂與箱頂保持15°角，預防積水，減少箱頂陽光照射。

2.2 智能變電站預制式二次設備布置方案

根據標準預制艙尺寸大小，有2 種布置方式：

（1）單列布置。屏柜布置于艙體中間，屏前預留1000 mm 距離作為操作維護通道，屏后750 mm 距離為檢修更換插件的空間（如圖2 所示）。以40 尺預制艙為例，可布置尺寸為2260×600×600 mm的屏柜16～17 面。

（2）雙列布置。屏柜雙列靠邊布置，采用前接線結構柜體，中間預留1150 mm 作為操作維護通道（如圖3所示）。以40 尺預制艙為例，可布置尺寸為2260×600×600 mm的屏柜32～34 面。

圖2 屏柜單列布置俯視圖

圖3 屏柜雙列布置俯視圖

3 預制艙內外接線設計

3.1 預制艙外部光/電纜接入

站內光/ 電纜通過電纜溝到達預制艙所在位置，進入預制艙主要有2 種形式：

（1）從預制艙底部接入。預制艙安裝的混凝土基礎與站內地面有一定高度差，電纜溝延伸到箱體下方，光/ 電纜通過箱體底板上設置的開口進入艙室內部，而后分散到各個屏柜。

（2）從預制艙側板接入。預制艙側板開設光/ 電纜口，用矩形管框架形式加強，如圖4 所示。電纜進入后可通過電纜橋架在艙室內部走線。

圖4 外部線纜從預制艙側板接入

3.2 預制艙內部光/電纜接線

（1）艙內布線一般有上部走線、底部走線、上下組合走線3 種種方式。

上部走線方式是在艙頂設置2 根橫梁，通過橫梁將電纜橋架吊裝，光/ 電纜通過橋架自機柜頂部進入機柜（如圖5 所示）。

底部走線方式是在艙體底部預留屏柜底座安裝槽，分兩側布置。艙體底部采用架空防靜電隔板，架空層內鋪設行線架（如圖6 所示）。

圖5 艙內上部走線方式

圖6 艙內底部走線方式

上下組合走線方式是將上述兩種走線方式組合起來的一種走線方式，一般在光/ 電纜較多，單純上（底）部走線不能滿足要求時采用（如圖7 所示）。

圖7 上下組合走線方式

（2）站內照明、通風、空調等電源電纜經阻燃線槽沿艙壁敷設。

（3）屏柜內、外光/ 電纜的連接：對于“前開門”類型的屏柜，可在機柜底（頂）部固定多芯預制插頭，并完成至屏柜內部的光/ 電纜連接的預制，外部預制電纜經由預制艙進入后，在屏柜底（頂）部實現與屏柜的快速對接；對于“后開門”類型的屏柜，可在機柜背部固定多芯預制插頭，并完成至屏柜內部的電纜連接的預制；外部預制光/ 電纜經由預制艙進入后，在屏柜背部實現與屏柜的快速對接。

（4）屏柜間光/ 電纜的連接：在屏柜側門開設過線孔，實現柜間光/ 電纜連接，也可以考慮取消屏間的側門。

4 預制艙內的運行環境設計

針對預制艙無人值守的運行要求，需對艙內的照明、消防、安防、逃生、通風及溫濕度控制系統等輔助設施的布局、實施方案進行設計，使預制艙內部環境系統具備“自維持”能力。詳細設計方案如下：

（1）照明系統分艙外照明與艙內照明，艙外照明可采用聲控方式控制開關。艙內照明光源安裝在艙體頂部。所有照明均采用冷光源，節能環保。

（2）消防系統在艙體頂部設置煙霧報警裝置，自動檢測艙內是否存在火災，同時設置人工火災報警按鈕，防止自動火災報警裝置失靈或不及時動作。艙體配備預制式七氟丙烷自動滅火柜，與火災報警設備相連，在發生火災險情時，可實現自動滅火，且對設備及人員不造成損害。

（3）安防系統在艙體大門相對側的內部上方位置安裝視頻攝像頭，保證攝像頭覆蓋艙內所有區域，后臺監控室實時監測艙內情況，且具備視頻保存功能。艙體配備門禁系統，由維護門進入艙內需經過身份確認。

（4）艙門上設有緊急逃生鎖，以防艙內人員被誤鎖在艙內，同時艙內有明顯的逃生標識。

（5）為艙體配備由排風扇和排氣口組成的通風系統，該系統配備一鍵式開關，當人員進入艙體前可開啟開關，對艙內空氣進行更新并進行自動檢測及報告，為維護人員提供適宜人類活動的操作環境。

（6）為使艙體內部維持恒溫恒濕，艙內配置冷暖空調2 臺，對內部溫濕度進行控制。2 臺空調形成冗余備份，工作狀態按一定的邏輯程序控制，保證艙體內始終有1 臺空調正常運行，當1 臺空調出現故障時，及時切換至另1 臺空調運行，同時發出故障警報，保障柜內環境的穩定。

5 基于預制艙的配送式智能變電站應用實例

江蘇某110 kV 智能變電站由預制艙和智能一次設備組成，全站配置了2個二次設備預制艙，并在預制艙端和智能一次設備端加裝了航空插頭、預制光纜組件等標準接口，實現了變電站建設的工廠化調試和配送式安裝，成為先進、可靠、集成、低碳、環保的新型智能變電站建設典范。該站投運后運行情況良好，由于變電站結構清晰、接口精簡，大大減少了運維工作量。該站為110 kV 戶外氣體絕緣開關設備（GIS，Gas Insulated Switchgear）變電站，具體設計方案及實施效果如下。

5.1 二次設備預制艙

全站設置2個二次預制艙，均為40 尺標準預制艙，采用單列布置方案，每個預制艙布置16 面屏，全站共計32 面屏，均采用尺寸2260×600×600 mm的屏柜。站控層設備、交直流電源、蓄電池及通信設備布置于預制艙1，110 kV 及主變保護、測控等間隔層設備布置于預制艙2。

5.2 預制艙內外接線

該站預制艙內外接線均采用底部走線方式，結合艙內屏柜單列布置方案，在屏柜底部前面設置1個光纜槽盒，后面設置1個電纜槽盒，槽盒規格為500×75 mm。艙內屏柜間的光/ 電纜分別通過這2個槽盒走線，由預制艙廠家在工廠內完成接線及調試；艙內設備與艙外智能一次設備間的光/ 電纜則分成兩部：在預制艙的一端設置光/ 電纜轉接屏，同時在智能一次設備和轉接屏預制標準接口，艙內與艙外需連接的光/電纜先接至轉接屏（第一部分，視為艙內接線并在工廠完成），再由轉接屏通過預制光纜、電纜連至智能一次設備（第二部分，現場插接即插即用）。預制艙與艙外電纜溝通過電纜隧道連通。

5.3 艙內環境

該站預制艙進行了必要的消防、通風、照明、防雨、防潮、防雷、防腐、防紫外線及防靜電設計，為艙內提供良好的人機環境。另外還進行了緊急逃生、視頻監控及溫濕度控制系統設計。

艙體內出口方向設自帶蓄電池的疏散及安全通道指示標志；在艙體長度方向兩端按照消防要求設置安全門，內部可無障礙開啟，以防艙內發生火災等緊急事故時工作人員方便逃生。

預制艙內2 條通道方向各設置1個攝像頭，達到對艙內情況的全天候監控，并將數據傳輸到遠方后臺供調用。

預制艙內溫濕度傳感器采集預制艙內溫度和濕度數據，并將數據上傳到后臺主機進行分析處理，當艙內溫度和濕度數據超出設定的上限和下限時，動力環境主機發出操作空調控制器開啟對空調溫度進行控制，使艙內溫度保持在設定范圍內。

5.4 技術經濟效益

（1）二次設備預制艙提高建設效率，改善設備建設環境。該站二次設備預制艙吊裝時間為1 d，普通變電站控制室內設備安裝受不同設備廠家供貨時間限制。即使在設備齊全的情況下，普通變電站控制室設備安裝通常也需5 d，節約工期4 d。二次設備預制艙通過工廠生產預制，整體運輸，現場吊裝，避免了常規變電站電土交叉作業帶來的二次污染。

（2）即插即用技術縮短建設周期，提升建設質量。預制式光/ 電纜工廠化加工，在施工中直接放置，即插即用，免除了現場熔接、接線，節省了施工時間，大大縮短了配送式變電站的建設周期。普通變電站光/ 電纜敷設和接線需要20 d，現在縮短至9 d，節約工期11 d。由于預制光/電纜集成度高，節約了光/電的數量，并且預制光纜光纖平均損耗較小，比現場制作可靠性高，在日后的運行和檢修中，即使有損壞也可以直接更換光纜，維護方便。

（3）基于預制艙的配送式智能變電站建設模式綜合經濟效益顯著。根據國家電網公司LCC 管理要求，結合江蘇省電力公司以往工程的LCC 統計數據和資料，分別對常規110 kV 變電站方案和配送式110 kV變電站方案在設計壽命周期內的LCC 成本費用進行測算，設備設計壽命周期按25 a，折現率按7%計，殘值率暫按5%考慮，常規變電站方案為258 萬元/a，基于預制艙的配送式變電站方案為245 萬元/a。

可見，該站全壽命周期成本凈年值（NPALCC）[13]較常規站方案減少約13 萬元/a。雖然就目前預制式構件尚未形成大規模工程化建設規模的前提下，預制構件成本較高，初期成本分析結果高于常規站方案，但標準配送式變電站在確保建設進度、大幅減縮建設周期、節約施工成本方面的效果則非常顯著，減少建設周期幅度高達48.79%，將產生較可觀的相對效益，從項目綜合價值效益角度分析，采用標準配送式變電站方案占優。

5 結束語

基于預制艙的配送式智能變電站總體來講是依托裝配式變電站的物理技術構架，融入二次設備預制艙、預制光/ 電纜及智能一次設備的綜合體，通過提高變電站設備工廠預制化程度及接口的標準化程度，實現智能變電站從“建造”模式提升到“制造”模式的目標。該方案可實現變電站建設效率的提升和建設質量的提高，為今后變電站的設計和建設提供了參考與借鑒。

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