基于模塊化設計的城市智能變電站整體優化研究

顏 艷 江永生

(中國電建集團河南省電力勘測設計院有限公司，河南 鄭州 450000)

1 智能變電站模塊化設計理念

依據無人值守智能變電站的工業定位和國家電網“兩型一化”的要求，城市智能變電站僅設置一棟單層建筑物，即綜合設備室。綜合設備室內主要設有220 kV及110 kV GIS配電裝置室、35 kV配電裝置室、二次設備室、主變室、電抗器室、資料室、備品備件間。

變電站模塊化設計主要體現在設備布置模塊化以及建筑物結構模塊化等方面。設備應盡量采用模塊化形式集成布置，建筑物推薦采用鋼結構的模塊化設計，將建筑物的跨度和柱距調整為標準模數，并基于BIM,BENTLY等軟件，采用三維技術，實現工廠化加工，現場直接裝配，有效提升施工進度。

2 模塊化設計的要點分析

城市智能變電站的整體設計以及優化方案均從“兩型三新一化”理念出發，全面地、動態地、綜合地衡量建設成本，做到綜合成本最低。站區布置充分利用模塊化技術，合理集成功能房間，提高場地空間利用率，突出工業化定位，要求站區整潔美觀，且電氣工藝合理、運行管理方便。

2.1 采用通用設備、模塊化設計

主變壓器、220 kV GIS,110 kV GIS,35 kV開關柜等均采用通用設備。主體功能房間(長、寬、高)均采用模塊化通用尺寸，施工維護便利，方案適用性廣。

2.1.1采用散熱器錯層布置

主變本體與散熱器分體錯層布置，電容器、電抗器布置在散熱器下方，見圖1。“主變壓器間+無功補償裝置室+散熱器”協調布置優化后，可以有效縮短房間的橫向尺寸，充分利用室內空間，提高空間的利用效率。

220 kV,110 kV GIS與主變均采用電纜連接，較GIL直連方案，可有效解決不均勻沉降、檢修維護困難等問題，同時，節省GIL長度；主變高中壓側套管采用油紙電容套管，通過軟導線與電纜頭連接，可以滿足運檢設備維護相關試驗需求。在35 kV 開關柜和主變套管連接處實現全絕緣和全封閉，全壽命周期內免維護。

2.1.2配電裝置整合集中布置

運用“集成車間”理念，將220 kV,110 kV GIS配電裝置室及35 kV配電裝置室優化整合，共用維護主通道或巡視通道。將220 kV GIS,110 kV GIS配電裝置及35 kV配電裝置同室布置在一層，可以降低整個變電站建筑層高，方便設備運輸、吊裝、安裝。通過優化，壓縮了GIS配電裝置室的尺寸及高度，可以有效減少建筑面積和建筑體積，節省投資，見圖2。

2.2 二次設備集約化集成布置

1)二次組合設備和智能控制柜采用模塊化設計方案，面向設備功能和面向電壓等級的原則，對二次設備進行模塊化設計，提高施工效率。采用“預制式二次組合設備+預制式智能控制柜”的模塊化設計方案，模塊之間采用預制光電纜連接，形成全站“預制光電纜、預制式二次組合設備及預制式智能控制柜”的模塊化、標準化、就地化，見圖3。

2)過程層、間隔層二次設備功能縱向集成，精簡二次設備數量。除主變間隔外，220 kV保護集成合并單元、智能終端功能，測控集成合并單元非關口計量功能，110 kV保護集成測控、計量、合并單元、智能終端功能，如圖4所示。

3)二次光電纜采用模塊式插接方式。

利用抽屜式免熔接光配，預制光電纜。工廠化一體加工后模塊運輸，實現光電纜芯數統一、接頭統一、材料統一、二次接口統一，見圖5。

2.3 基于BIM技術的變電站鋼結構模塊化設計

隨著國家電網公司持續推進變電站工程采用三維數字化設計的技術換代要求，基于BIM信息化工程管理技術，將鋼結構模型進行模塊化分解，針對變電站鋼結構模型，提出“分段拼裝，整體吊裝”的模塊化施工方法，提高現場調配速度，有效控制安裝偏差，實現全過程機械化施工，施工生產效率能夠提高約30%，見圖6，圖7。

按照“標準化設計、工廠化加工、模塊化建設、機械化施工”的智能變電站模式建設理念，并針對鋼結構現場拼裝快捷、可大幅縮短施工工期、提高施工質量的特點，推薦配電樓采用鋼框架結構體系，同時為方便工藝布置，不設柱間支撐。

散熱器設備建議布置在二樓、二次設備室及站用配電間布置在三樓，針對電氣設備體積大、重量重、變形要求高的特點，推薦采用鋼筋桁架樓承板組合樓板，符合裝配式結構的要求，大量減少現場支模的工作量。

樓、屋面H型鋼次梁采用組合結構設計，在鋼梁和混凝土翼緣板之間設置栓釘抗剪件，使之成為一個整體而共同工作。

鋼框架梁柱采用翼緣焊接，腹板采用10.9級高強螺栓連接，主次梁連接采用螺栓連接，減少現場施焊工作量。

借助BIM模型，結合下列幾點將深化設計圖紙轉化為模塊設計圖紙。運用BIM等空間分析程序、計算機模擬仿真技術對施工的每一工況進行模擬仿真，驗證模塊劃分的可行性，進一步優化模塊。

基于模塊化設計的鋼結構施工就是根據模塊化設計的鋼結構的具體形式，將鋼結構整體分解成若干個鋼結構基本模塊，在預制生產車間分別將鋼構件預制成鋼結構基本模塊，再將這些模塊運輸至安裝現場，像壘積木一樣將各鋼結構基本模塊使用吊裝機械起吊安裝，組合成鋼結構整體。

2.4 建筑立面設計

建筑外墻推薦采用水泥基保溫一體板，可以實現外墻模塊化設計、現場快速裝配，建筑整體造型與人居環境充分融合、相互輝映，建筑立面設計采用國家電網公司企業標準色彩，運用簡潔、明快的處理手法體現現代工業建筑氣息，見圖8。

3 結語

目前，城市智能變電站建設應基于模塊化設計理念，電氣一次設備采用模塊化集中式因地制宜布置，二次系統采用集約化集成布置，從而實現設備分區模塊化的整體設計，進而通過室內房間功能模塊化調整，充分提高室內空間利用率。同時，基于BIM技術鋼結構進行模塊化設計，合理優選建筑立面形式，實現建筑整體結構模塊化、施工可裝配化。綜上使變電站實現設備模塊化、信息數字化、功能集成化、結構裝配化等智能化運行和標準化建設水平，是對國家電網公司持續推進輸變電工程“兩型三新一化”建設理念的積極響應，在突出其工業化功能定位方面尤具意義。