220 kV地下變電站電氣布置研究

王衛華，沈 婷

(中國電力工程顧問集團華東電力設計院有限公司，上海 200001)

0 引言

發達國家地下變電站建設起步早，日本東京電力公司1952年建造了第一座地下變電站。國內地下變電站建設起步雖晚，但發展需求較快。一般在城市電力負荷集中但根據地面規劃空間受限的地區建設全地下變電站，變電站可結合城市綠地或運動場、停車場等地面設施獨立建設，也可結合其他工業或民用建(構)筑物共同建設地下變電站，做到盡量不單獨占用或少占用城市用地，體現了可持續發展的思想。結合地面設施、地質條件、結構受力等情況，地下變電站可選擇圓形、方形或其他形狀。除了北京和上海等少數大城市，地下變電站都屬于新應用，可研究題目不少；且相對于常規地上變電站，考慮到地下結構的安全性和節省整體造價，變電站結構型式、設備選擇和電氣布置尤為重要。本文結合某城市220 kV地下變電站的實際情況，從提高可靠性和降低變電站投資角度分析給出了一種優化可行的電氣布置。

1 變電站概況和建設規模

某地區交通樞紐工程配合建設一個220 kV變電站，其為該地區首座地下220 kV變電站。變電站位于樞紐地面轉運站旁，地面擬建為公用綠地。變電站終期規模為主變壓器容量4×180 MVA，電壓等級220/35 kV，220 kV采用線路－變壓器組接線，電纜進線4回，2回來自白廟220 kV變電站，2回來自昆緯路220 kV變電站，35 kV采用兩個兩組單母線分段環形接線，出線40回。本期規模為主變壓器容量2×180 MVA，220 kV采用線路－變壓器組接線，一回電源來自白廟1，一回電源來自昆緯路1，35 kV采用兩組單母線分段環形接線，出線20回。系統單線圖如圖1所示。

圖1 ?電氣單線圖

2 結構形式的選擇

地下構筑物的結構形式大體可分為“圓筒形”與“方形”兩類，其安全可靠性、技術合理性、布置靈活性、可借鑒性及經濟性等方面的比較見表1所列。

表1 ?結構形式比較表

續表

綜上所述，對獨立建設的地下變電站，無論技術性和經濟性，較之“方形”結構，“圓筒形”結構均具備一定優勢。因此，本地下變電站采用圓筒形結構，地面部分將作為公用綠地。

3 總體平面布置[1]

本220?kV變電站為全地下布置：分三層布置，在內部總體布置上留有設備運輸及巡視通道。

電氣總體布置原則如下：

1) 地下變電站維護檢修條件相對較差，內部空間較小，布置上盡可能地避免單個室內布置多個設備，以免由于少量或個別設備出現問題而影響其它設備的運行，故在本設計中未采用大房間布置多個設備的方案。

2) 有動力電纜連接的設備布置在地下二層，下方為電纜處理層，如220?kV 氣體絕緣金屬封閉開關設備(gas insulated switchgear，GIS)、35?kV GIS 配電裝置 ；

3) 主變壓器等油浸式設備布置在地下二層；

4) 二次部分設備全部布置在地下一層。

3.1 主變壓器選擇及布置

220?kV主變壓器是變電站外形最大、最重要的設備，其結構及布置決定了整個變電站的布置情況。

本站采用220?kV雙繞組(帶平衡繞組)，油浸式，高壓側有載調壓變壓器。

主變壓器的冷卻方式可以選擇一級冷卻方式的強迫油循環風冷OFAF、強迫油循環自冷OFAN或二級冷卻方式的強迫油循環水冷OFWF、強迫油循環油冷OFOF。一級冷卻方式的變壓器結構簡單，整個冷卻系統為一個整體，但由于本站為地下變電站，其變壓器本體布置在地下，而冷卻裝置需要安裝在地面以上，二者的高差比較大，預計可能超過15?m，如果采用這種方案制造廠家必須采用高強度油箱結構，目前該技術和產品運行不夠成熟，可能出現滲漏油現象。

二級冷卻方式的優點是不增加變壓器自身制造難度，僅可能增加一定的設備投資和運行費用，目前的高落差的運行業績良好。考慮到地下變電站對設備安全可靠性的要求，因此本站采用二級冷卻方式。對于地面部分不外乎采用冷卻器或者散熱器二種結構，冷卻器冷卻效果好，設備投資低，但風扇噪聲大，運行維護費用高。散熱器本身占地面積大，一次投資高，但基本沒有噪聲，運行維護費用低。二次冷卻介質可考慮油或者水，水的冷卻效果好，而且無需考慮消防相關措施。因此，本站220?kV主變壓器采用了強迫油循環閉式水冷卻方式(OFWF)。

根據總體布置原則和變壓器型式，本站遠景4臺220?kV主變壓器兩兩對稱布置在地下二層主通道兩側，油水交換器靠近變壓器本體布置，冷卻器布置在地面，冷卻水通過水泵引到地面冷卻器進行冷卻。

3.2 220 kV設備選擇及布置

考慮根據地下變電站設備選擇的高可靠性、小型化的原則，本220?kV變電站220?kV采用GIS設備。

考慮到本站220kV采用線路－變壓器組接線，GIS結構相對簡單，布置尺寸較小，因此，為了節省占地面積，220?kV GIS與主變壓器直聯緊靠布置。

3.3 35 kV設備選擇及布置

根據地下變電站設備選擇的高可靠性、小型化的原則，本220?kV變電站35?kV采用氣體絕緣開關柜(充氣柜)。

根據本變電站的規模和電氣主接線，本期35?kV設置4個主變進線間隔、4個母線設備間隔、2個分段間隔、2個分段隔離間隔、2個站用電間隔以及20個出線間隔，總共34個間隔，間隔寬度按0.6?m(進線和分段間隔為0.8?m)考慮。遠景35?kV充氣柜將比本期減少2個站用電回路間隔，為32面柜子。充氣柜采用雙列布置，本期和遠景對稱分布在兩個房間內。

主變低壓側與35?kV開關柜考慮采用絕緣母線連接，如圖2所示。

圖2 ?主變與35?kV充氣柜連接示意圖

3.4 吊物孔和通道

1)吊物孔

根據變電站規模和布置方案，為節約占地面積，主變壓器的吊裝和其它設備的吊裝考慮合用一個吊物孔，根據變壓器的大致外形尺寸，設置為5.5×10?m。主吊物孔供主變的吊裝，輔吊物孔嵌于其中，供其它設備的吊裝，吊物孔頂部作裝飾處理。

2)通道

根據變壓器的大致外形尺寸，主變壓器運輸通道按5.5?m考慮；除主變外的其它電氣設備外形均較小，其運輸通道應結合暖通專業的風管布置一并考慮，根據不同位置風管數量的不同其寬度也相應不同。

3.5 電纜層及電纜豎井

因主要電氣設備集中布置在地下二層，故在地下三層設置電纜夾層，以方便高壓動力電纜的敷設引接。

除設置電纜層以外，不可避免還需設置部分電纜豎井。根據城市電纜通道規劃，本站4回220?kV電纜分別由變電站西南、西北方向進入變電站，35?kV電纜分別由變電站東南、東北方向進入變電站，結合圓筒形結構特點，在圓四角設置主電纜豎井，通過接口井與城市電纜通道相連。另外，在圓四周設置多個專用的管道井和電纜豎井，做到專井專用，各類管線不互竄，在二次保護室附近設置二次專用豎井。

220?kV進線電纜和35?kV出線電纜在電纜夾層沿地面敷設至電纜豎井，然后分4個方向通過電纜豎井向上并出站進入城市規劃電纜通道。

低壓及控制電纜考慮采用電纜橋架結合電纜溝、電纜豎井敷設方式。

3.6 電氣平面布置圖

根據以上分析，本220?kV變電站主設備層電氣平面布置如圖3所示。

圖3 ?電氣平面布置圖

4 層高選取

層高由實際設備安裝、維護、試驗的要求來確定。

根據結構的初步計算，結構梁高約1.5～1.8?m。主變、220 kV GIS安裝后高度基本在5～6?m之間，設備吊裝、試驗最小空間高度一般要3.5～4?m，故主變壓器房間的層高基本要在11～12?m之間。考慮到暖通風管的布置，為滿足設備的運輸安裝，35?kV GIS開關柜室層高取6.2?m，保護室和電源室層高取5.2?m。電纜層層高的選擇主要考慮高低壓電纜敷設和暖通風管布置，綜合考慮安裝和運行人員的日常巡視，電纜層的層高取4.2?m。

因此，每層層高如下：地下一層：5.2?m，地下二層：6.2?m，地下三層4.2?m。主變壓器房間跨地下一、二層，層高為11.4?m。

變電站上部考慮2?m厚覆土和綠化，頂板標高按-2?m設計。

5 建筑指標和整體效果

本站為220?kV全地下變電站，采用圓筒形結構，結構外徑62?m，按地下三層考慮：保護室、蓄電池室、電源室和排風機房設在地下一層 (-7.2?m)，主變壓器、220?kV?GIS、35?kV 開關柜和35?kV接地電阻設在地下二層(-13.4?m)，地下三層(-17.6?m)為電纜層、事故油池、消防水泵房和排水泵房等。考慮到地面總體規劃協調，變電站地面層盡量減少，僅設置出入口、通風排煙口和主變冷卻器。

根據前面分析，本220?kV地下變電站外徑62?m，地下主體部分三層布置，地面設置出入口、通風排煙口和主變冷卻器，建筑指標如下：

地下建筑面積：8?345?m2；地上建筑面積：270?m2；地上建筑高度 ：5.18?m ；地下建筑深度：-17.6?m；整體效果如圖4所示。

圖4 ?變電站效果圖

6 結語

相對于常規變電站，地下變電站設計側重點有所不同結合工程位置和建設規模，應重點考慮其結構穩定性、防水性，考慮設備防火、引接方便和運行維護便利，考慮整體經濟性，文章從這些方面分析給出了某220?kV地下變電站推薦的結構型式、設備選擇和電氣布置。不同的地域環境和地址條件、不同的建設規模的地下變電站，其結構型式和電氣布置也會不同，后續可分類詳細研究，推動國內地下變電站的良性發展。