智能景觀型地埋式箱變在城市地下綜合管廊的應(yīng)用

／中交第二公路勘察設(shè)計院交通工程有限公司 吳文豐／

智能景觀型地埋式箱變在城市地下綜合管廊的應(yīng)用

／中交第二公路勘察設(shè)計院交通工程有限公司 吳文豐／

隨著城市規(guī)模的快速發(fā)展和綜合國力的不斷提高，城市建設(shè)發(fā)展在城市新區(qū)、各類園區(qū)、成片開發(fā)區(qū)域，老城區(qū)結(jié)合舊城拆遷、道路拓寬、河道治理、地下空間開發(fā)、建筑物立面翻新和城網(wǎng)改造后，又實(shí)施了城市綠地、架空入地供電和亮化工程。城市綜合管廊建設(shè)試點(diǎn)工作的開展、電力等管線納入管廊是城市管線建設(shè)發(fā)展方式的重大轉(zhuǎn)變，有利于提高電力等管線運(yùn)行的可靠性、安全性和使用壽命；保障城市管線集約化、科學(xué)化和綜合化的先進(jìn)敷設(shè)方式，對節(jié)約利用城市地面土地和地下空間，提高城市綜合承載能力起到關(guān)鍵性作用，對促進(jìn)管廊建設(shè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。文章主要介紹景觀型地埋式箱變在城市綜合管廊的應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀及設(shè)計方案、在城市地下綜合管廊應(yīng)用中的可行性方案。

綜合地下管廊；地埋式箱變；景觀型

0 引言

為貫徹落實(shí)中央城市工作會議精神和《國務(wù)院辦公廳關(guān)于加強(qiáng)城市地下管線建設(shè)管理的指導(dǎo)意見》、《財政部 住房城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于開展中央財政支持地下綜合管廊試點(diǎn)工作的通知》，以規(guī)范城市地下綜合管線建設(shè)行為，保障城市地下管線運(yùn)行安全，提升城市綜合承載能力。

城市地下綜合管廊適合建設(shè)在交通運(yùn)輸繁忙、地下管線較多的城市主干道、地下道路、城市地下綜合體等建設(shè)工程地段；城市核心區(qū)、中央商務(wù)區(qū)、地下空間高強(qiáng)度成片集中開發(fā)區(qū)、重要廣場、主要道路的交叉口、道路與鐵路或河流的交叉處、過江隧道等；道路寬度難以滿足直埋敷設(shè)多種管線的路段；重要的公共空間；不宜開挖路面的路段。然而在這些路段的電力、通訊、自來水、燃?xì)狻崃Φ裙芫€安全要求也極為重要，尤其是作為一切動力能源基礎(chǔ)的電力管線，國務(wù)院做出部署要求2015年起電力管線集中入廊。

2016年住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、國家能源局發(fā)文《關(guān)于推進(jìn)電力管線納入城市地下綜合管廊的意見》，要求部署各地住房城鄉(xiāng)建設(shè)、能源主管部門和各電網(wǎng)企業(yè)，按照確保安全、節(jié)約利用空間資源的原則，結(jié)合各地實(shí)際情況實(shí)施，加強(qiáng)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、協(xié)商合作，認(rèn)真做好電力管線入廊等相關(guān)工作，積極穩(wěn)妥推進(jìn)管廊建設(shè)，指出電力管線入廊是打造經(jīng)濟(jì)發(fā)展新動力的一項(xiàng)重大民生工程，也是解決“馬路拉鏈”、“電纜蜘蛛網(wǎng)”問題的有效途徑。電網(wǎng)企業(yè)要合理確定管廊布局、建設(shè)時序、斷面選型等，保證電網(wǎng)改造的合理性、電網(wǎng)運(yùn)行的安全和經(jīng)濟(jì)性，以提高電網(wǎng)供電質(zhì)量為目標(biāo)，滿足電力供應(yīng)的節(jié)能、環(huán)保、高效、可靠、穩(wěn)定及可持續(xù)發(fā)展的要求。

1 目前電力輸配電的主要形式及存在的問題

1.1 架空“蜘蛛網(wǎng)”線路

雙桿式配變臺區(qū)的10kV線路、低壓線路都是架空的，首先，由于電源必須供入每戶居民多布點(diǎn)的原則，其架空線路多而雜，臺區(qū)占用道路地面綠地。形成“黑色蜘蛛網(wǎng)”影響城市市政環(huán)境的建設(shè)（見圖1），其次，變壓器是裸露在外面的，電磁污染、噪聲、輻射和電磁干擾會對周邊居民的身心健康造成嚴(yán)重的危害。最后，客戶供電容量不確定，容易受外界環(huán)境和人為的影響，使電網(wǎng)容量擴(kuò)展性能差、供電可靠性低。

圖1 架空“蜘蛛網(wǎng)”線路

1.2 歐式箱變

歐式箱變是將變壓器、高壓開關(guān)柜和低壓開關(guān)柜等電器設(shè)備布置于同一個金屬外殼箱體中，箱體內(nèi)有三個隔室，有獨(dú)立的高壓室，變壓器室和低壓室，所以又稱為“組合式變電站”（見圖2）。變壓器在運(yùn)行過程中溫度很高，外面再添加一個金屬外殼箱體從而引起變壓器散熱困難，散熱不及時就很有可能會燒壞變壓器，給供電用戶造成損失，并給周邊居民帶來危害；另一方面在箱體中采用普通的高壓負(fù)荷開關(guān)和熔斷器、低壓開關(guān)柜，所以箱變體積較大，占地面積大，不利于安裝，還需要定期維護(hù)。

圖2 歐式箱變

1.3 美式箱變

美式箱變在結(jié)構(gòu)上將變壓器器身、高壓負(fù)荷開關(guān)、環(huán)網(wǎng)開關(guān)、熔斷器等元件一同放在變壓器油箱內(nèi)，構(gòu)成一體式設(shè)備（見圖3）。因此元器件體積得到最大限度縮小、結(jié)構(gòu)更為緊湊、占地面積相對歐式箱變減少了，美式箱變采用變壓器油作為帶電部分相間及對地的絕緣介質(zhì)，由于負(fù)荷開關(guān)是放在變壓器油箱中，其關(guān)合位置只能根據(jù)外部操作面板的指示來判斷，而且其操作要通過專用的絕緣操作桿來進(jìn)行。所以其操作較為復(fù)雜，供電可靠性、安全性得不到保障。美式箱變無油溫保護(hù)，只有一個溫度計來顯示油溫，當(dāng)油溫太高時，依靠插入式熔斷器來進(jìn)行保護(hù)，還有一個壓力釋放閥，用來釋放油箱內(nèi)太大的壓力。因此要經(jīng)常檢查在這兩種情況下熔斷器是否正常運(yùn)行及外殼是否發(fā)生滲漏油現(xiàn)象。

綜上所述，將架空線路及柱上變等電力設(shè)備實(shí)現(xiàn)落地入廊，然而傳統(tǒng)的歐式、美式箱變又不能滿足當(dāng)下城市建設(shè)發(fā)展的需求，使得電力管線入廊在地面以上的電力設(shè)備難以選址，甚至很多箱體外殼成為了小廣告的載體，與周邊景致格格不入，部分地區(qū)“城市病”問題日益嚴(yán)峻。為打造綠色、生態(tài)、低碳、管理高效、環(huán)境適宜的健康城市，河北哥倫普勒電氣設(shè)備有限公司研發(fā)了一種智能景觀型地埋式箱變。

圖3 美式箱變

2 智能景觀型地埋式箱變的總體設(shè)計方案構(gòu)建

為滿足電力管線入廊的需求，智能景觀型地埋式箱變不僅可以作為干線綜合管廊內(nèi)的供電系統(tǒng)設(shè)備，還可以作為纜線型綜合管廊內(nèi)架空的電力、道路照明的輸配電設(shè)備。 這是一種采用先進(jìn)、可靠、集成、低碳、環(huán)保的設(shè)備組合而成，以供配電設(shè)施的安全性能強(qiáng)、自動化程度高為基本要求，能高效地完成信息采集、測量、控制、保護(hù)、計量和監(jiān)測等基本功能，還具備與環(huán)境適應(yīng)、與周邊設(shè)施和諧共存、可持續(xù)發(fā)展的綠色智慧城市的電力設(shè)備。

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

景觀型地埋式箱變由戶外高低壓開關(guān)柜和景觀型外殼組成“地上部分”， 由地埋式變壓器和預(yù)裝式地坑箱組成“地下部分”（見圖4）。相比傳統(tǒng)的箱變，在安裝設(shè)計上進(jìn)行了革新和創(chuàng)造，采用上下式結(jié)構(gòu)，“地上部分”用來城市的配電、采集數(shù)據(jù)、監(jiān)控線路傳輸運(yùn)行的情況。具有體積小、占地面積小的特點(diǎn)，在外觀上進(jìn)行了美化設(shè)計， 使其具有一定的觀賞性，從而解決了在人口稠密，建筑密集的商業(yè)、經(jīng)濟(jì)、文化中心以及城市道路中出現(xiàn)的“城市毀容”問題，滿足了城市規(guī)劃部門對市容和整體環(huán)境的要求。

2.2 景觀型外殼的設(shè)計

景觀型外殼在選材上采用不銹鋼板制成，金屬構(gòu)件均進(jìn)行了防銹處理和噴涂防護(hù)層。 防止箱變外殼受碰撞、偷盜的破壞，設(shè)置了自動報警系統(tǒng)，且設(shè)備上的鎖采用防水暗鎖設(shè)計。景觀型外殼的兩邊側(cè)門采用的是雙支撐結(jié)構(gòu)，由壓縮氣缸助力往上開，再由定位機(jī)械撐桿固定，這樣方便了操作人員獨(dú)立操作，并保證高、低壓配電柜有足夠的操作、維護(hù)高度空間。 在景觀型外殼的下方設(shè)有通風(fēng)口，使底部和頂部形成對流通風(fēng)窗口。景觀型外殼設(shè)置了LED廣告?zhèn)髅矫姘妫粌H給商家提供了商業(yè)運(yùn)營平臺，而且遏制小廣告貼的模式，美化了城市。

圖4 景觀型地埋式箱變

2.3 地埋式變壓器地坑設(shè)計

地埋式變壓器地坑基礎(chǔ)全部為不銹鋼結(jié)構(gòu)，其表面進(jìn)行熱鍍鋅處理，再噴涂防腐蝕面漆，進(jìn)行防銹處理，預(yù)裝基礎(chǔ)與頂蓋之間采用橡膠結(jié)構(gòu)密封。上蓋板表面鋪貼廣場瓷磚，設(shè)置檢修孔，打開后有氣缸結(jié)構(gòu)元件支撐定位，通過檢修孔可觀察地埋式變壓器的狀況或進(jìn)入地坑進(jìn)行電纜安裝連接。

2.4 地埋式變壓器設(shè)計

（1）防水設(shè)計

地埋式變壓器選用304不銹鋼板，結(jié)構(gòu)為全絕緣、全密封式，防護(hù)等級達(dá)到IP68，能夠承受70kPa壓力，確保在運(yùn)輸、安裝過程中變壓器無損傷以及不得出現(xiàn)永久變形等問題，還有效地防止氧氣、水份的進(jìn)入而導(dǎo)致變壓器絕緣性能的下降。地埋式變壓器高、低壓連接器的連接部位使用雙密封倉裝置機(jī)械保護(hù)，其第一層為硅膠可分離插拔頭連接器與變壓器密封連接，第二層由連接器外部澆注比重大于水的液態(tài)絕緣材料和密封式的不銹鋼密封艙做二次保護(hù)，確保即使地埋式變壓器整體浸在水中也能夠運(yùn)行。

（2）自動排水設(shè)計

地坑內(nèi)設(shè)置潛水泵、自動排水系統(tǒng)。自動排水系統(tǒng)由不銹鋼潛水泵、高低水位傳感器和控制系統(tǒng)組成，當(dāng)有暴雨、洪澇等意外情況而引起的地坑內(nèi)部進(jìn)水，積水超過一定高度時，由高水位傳感器觸發(fā)潛水泵啟動，積水經(jīng)排水管排出地坑外部，直至水位高度降至與地坑底面平齊時，低水位傳感器觸發(fā)潛水泵自動關(guān)閉。另外還在低壓柜面板上設(shè)置潛水泵手動轉(zhuǎn)換開關(guān)，可以強(qiáng)制啟動潛水泵抽水。潛水泵的排水量為2800L/h，排空整個地坑的水所需時間約為2.5h。

（3）通風(fēng)散熱方式

地埋式變壓器采用優(yōu)質(zhì)的環(huán)烷基礦物油，這種油不僅低溫性能好，粘度特性優(yōu)異，當(dāng)變壓器運(yùn)行溫度升高時，變壓器內(nèi)環(huán)烷基礦物油的粘度會顯著降低，流動速度加快，從而使得變壓器的散熱能力增強(qiáng)。 環(huán)烷基變壓器油還具有良好的抗氧化和安定性，絕緣強(qiáng)度高，熄弧能力強(qiáng)，能確保變壓器正常運(yùn)行條件下，可20年免維護(hù)運(yùn)行。

景觀型箱體外殼下方采用的是航天工業(yè)技術(shù)中熱控百葉窗的設(shè)計理念，在額定負(fù)載下運(yùn)行過程中調(diào)節(jié)百葉窗的角度，通過地坑變壓器檢測基板的溫度，判斷啟動到最大的垂直位置，并自動啟動安裝在外殼下方的進(jìn)出風(fēng)機(jī)，達(dá)到有效排散熱量；當(dāng)溫度降到某個設(shè)計溫度時，自動關(guān)閉進(jìn)出口風(fēng)機(jī)，葉片自動關(guān)閉到設(shè)定的位置，通過調(diào)整能在較大的熱量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)溫度控制。有力地解決了地下式變壓器在運(yùn)行過程中的散熱問題，從而保證變壓器安全可靠地運(yùn)行。

（4）智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

智能景觀型地埋式箱變建立基于物聯(lián)網(wǎng)的“管、控、營”一體化的智能管控系統(tǒng)，從數(shù)據(jù)采集、通信網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)架構(gòu)、智能聯(lián)動和綜合數(shù)據(jù)服務(wù)等方面的設(shè)計，使箱變監(jiān)控與報警系統(tǒng)具有聯(lián)動控制和遠(yuǎn)程控制的作用，避免出現(xiàn)箱變系統(tǒng)內(nèi)部的信息孤島問題。

智能景觀型地埋式箱變設(shè)置有智能平臺，可以準(zhǔn)確、及時地探測管廊內(nèi)火情，監(jiān)測有害氣體、空氣含氧量、溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)，還有對溝內(nèi)的機(jī)械風(fēng)機(jī)、排水泵、供電設(shè)備、消防設(shè)施進(jìn)行監(jiān)測和控制。并能做到及時將信息傳遞至監(jiān)控中心。監(jiān)控中心根據(jù)電子地圖上顯示報警的位置，準(zhǔn)確、及時地做出相應(yīng)的判斷，實(shí)現(xiàn)遙測、遙控、遙信、遙調(diào)、遙試“五遙”的功能。

3 智能景觀型地埋式箱變在城市綜合管廊中的應(yīng)用的可行性分析

基于城市建設(shè)環(huán)境美化、人口稠密、建筑密集的視覺特性基礎(chǔ)上，為營造安全穩(wěn)定的供配電環(huán)境，打破傳統(tǒng)箱變在專業(yè)上的限制，不論從結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選用及配網(wǎng)功能等多方面改進(jìn)設(shè)計，還是靈活、安全、可靠的供配電技術(shù)（見圖5）。

在實(shí)現(xiàn)以上設(shè)計理念的同時，還要做到以下優(yōu)勢。

圖5

（1）占地面積小，安裝便捷

傳統(tǒng)箱變的體積過于龐大，占地面積大，而且在施工現(xiàn)場制作安裝，土建基礎(chǔ)的施工周期長，造價高，占地面積大。而地埋式變壓器地上部分設(shè)計的造型美觀，占地面積不到6m2，地面部分占不到3m2，在工廠里預(yù)先裝置完成，在施工現(xiàn)場只需挖好地坑做好地基處理，大大縮短了施工周期，降低了施工難度。

（2）外形美觀，效益創(chuàng)收

傳統(tǒng)箱變在城市環(huán)境中呈現(xiàn)給人們“臟、亂、差”的視覺特點(diǎn)，與現(xiàn)代城市建設(shè)環(huán)境整體不符，甚至還成為小廣告貼的載體，成為城市“毀容”的利器。相比之下，景觀型地埋式箱變的箱體外殼本身就設(shè)置了廣告燈箱板面，商家可以通過轉(zhuǎn)包或者租賃等形式經(jīng)營運(yùn)作，創(chuàng)造新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，從而也達(dá)到裝飾城市，美化環(huán)境的效果。

（3）節(jié)能環(huán)保

智能傳媒景觀型地埋式箱變占地表的空間比傳統(tǒng)箱變大為縮小，使之能靠近負(fù)荷中心而安裝，有效減少低壓電纜的長度，并為國家每年節(jié)約大量的低壓電能線損，達(dá)到既節(jié)材又節(jié)能的雙重效能。而傳統(tǒng)箱變受體積的限制，難以尋找合適的地點(diǎn)安裝，故往往使安裝地點(diǎn)與用地負(fù)荷距離較遠(yuǎn)，使低壓供電距離大，并增加損耗。

（4）減少輻射和噪聲

智能傳媒景觀型地埋式箱變，采用地埋式低損耗的S11-S15型變壓器，S11-S15型變壓器選用優(yōu)質(zhì)晶粒取向冷軋硅鋼片，全斜無孔綁扎結(jié)構(gòu)，有效減少了變壓器產(chǎn)生的空載損耗和負(fù)載損耗，變壓器放置在地面以下，減少夜間變壓器的空載噪聲，避免了對居民的噪聲滋擾，并且地坑也屏蔽了變壓器的電磁輻射和電磁干擾，優(yōu)化了箱變的性能。而傳統(tǒng)的箱變變壓器噪聲和電磁輻射可通過變壓器門的散熱口傳出，令人產(chǎn)生厭惡。

4 結(jié)束語

在城市地下綜合管廊運(yùn)行階段，發(fā)現(xiàn)電力供配電在城市建設(shè)中存在的問題上 ，針對城市出現(xiàn)的土地資源緊張，擠占綠地河道、交通擁擠、環(huán)境污染等“大城市病”和“毀容”現(xiàn)狀，景觀型地埋式箱變正步入旨在改善街景市貌，建設(shè)和諧、宜居、首善之區(qū)的城市“美容”階段城市環(huán)境的改善和美化，提高供電質(zhì)量。景觀型地埋式箱變成為了城市建設(shè)中必不可少的供電設(shè)備。

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