基于風險管理的廣州市中心地區變電站選址優化設計

周 森，黃劍慧，郝桂芹，陳秀珍，嚴 韋，梁春慧

(廣州市電力工程設計院有限公司，廣東 廣州 510335)

0 引言

“十四五”期間，廣州電網將新增變電站302座(含市中心地區變電站192座)，市中心地區變電站建設比例達63.5%[1]。然而城市建設用地資源稀缺，變電站用地與土地供給的矛盾越發突出。以廣州市越秀區為例，越秀區是廣州市的政治、金融和文化中心，經濟密度排名全市第一，占地面積僅33 km2，是廣州市占地面積最小的中心城區，受建設用地緊缺等因素的影響，越秀區電網總體供電能力增長緩慢，局部地區供電能力滯后于負荷增長的情況還較突出，難以滿足經濟增長對用電負荷的需求。

廣州市中心地區變電站選址面臨高層建筑、市政設施(含城市道路、軌道交通、水務管涵、燃氣管道等)、歷史文物等復雜環境，變電站選址面臨多重風險因素，常規變電站的設計思路已不適應市中心地區變電站建設模式。運用風險管理工具，確定影響市中心地區變電站選址落地的控制性風險因素，并結合工程案例提出風險應對策略，提高市中心地區變電站選址成功率。

1 風險識別及風險可接受性評定

筆者對影響廣州市中心地區變電站選址落地的風險因素展開調查研究，將變電站選址所面臨的風險因素分為技術風險和非技術風險兩大類別，運用5M1E(人、機、料、法、測、環)對風險因素進行系統歸類，識別出15項末端因素并定義為典型風險事件。文獻[2]對典型風險事件的風險等級指數與風險后果評分進行賦值，建立風險重要性和風險可接受性評定指標，篩選出6項影響變電站選址成功的控制性風險事件，控制性風險因素占比約40%。當控制性風險因素未能有效解決，則意味著變電站選址失敗，選址成功率僅約60%。風險識別清單及風險可接受性評定見表1所列。

表1 風險識別清單及風險可接受性評定

2 典型案例分析

2.1 站址及周邊環境

選取廣州市越秀區110 kV錦漢變電站(以下簡稱“變電站”)為典型案例進行分析。變電站北側緊鄰市政蘭圃路，西側鄰近建筑物，西北側與清真先賢古墓相望，東側及南側為合建地塊行車道路，東南側為廣州越秀國際會議中心。市政蘭圃路路面標高8.60～9.00 m，變電站±0.00 m相對絕對標高9.50 m，場地設計標高9.20 m。

變電站下方為運營中的廣州地鐵2號線和駟馬涌暗渠。其中：2號線為雙線盾構隧道，隧道寬度6 m，兩邊各3 m內為隧道保護線范圍，隧道頂埋深約15 m，與變電站呈西北—東南向斜交；駟馬涌暗渠寬度8 m，渠箱底標高5.15 m，頂標高7.25 m，兩側為1.80 m高毛石擋墻，暗渠與變電站呈東北—西南向斜交。變電站平面布置如圖1所示[3]。

圖1 變電站總平面布置圖

2.2 控制性風險事件

1)站址面積超規劃批復

站址批復用地面積為1 793 m2，根據《中國南方電網公司標準設計和典型造價 V2.1-CSG-110B-G2a》48.4 m×20.6 m 緊湊型布置模塊，標準設計擬征地紅線面積為69.4 m(長 )×41.6 m(寬 )≈ 2 887 m2。當按標準設計時，站址面積＞規劃批復面積，不滿足規劃批復條件。

2)間距退縮未達到要求

配電裝置樓屬丙類一級多層廠房，東南側會議中心為66 m高的一類高層建筑，西側建筑物為二類多層建筑，高度均高于變電站。根據文獻[4]的相關規定，配電裝置樓距越秀國際會議中心防火間距應≥20 m，配電裝置樓距西側民居防火間距應≥10 m。但受站址建設條件制約，變電站東南側外墻距離越秀國際會議中心外墻18.45～19.42 m，不足20 m；變電站西側距離現狀民居外墻7.94 m，不足10 m。現狀防火間距不滿足要求。

3)方案未考慮地鐵避讓

經調查征詢，地鐵保護部門明確意見[5]：①基礎避讓：在平面布置上，基礎樁外邊線與地鐵隧道結構外邊線之間的最小水平投影距離≥3 m；②基礎樁深：地鐵隧道結構外邊線20 m范圍內基礎樁應設計為端承樁，且樁底高程需低于地鐵結構底≥3 m；③保護措施：需采取必要的措施避免對地鐵結構的影響。如按常規變電站基礎布置方式，難以滿足地鐵避讓要求。

4)方案未考慮水務避讓

經調查征詢，水務部門明確意見[6]：①基礎避讓：在平面布置上，建筑物樁柱不得進入渠箱過水斷面；②擴寬斷面：站址騎壓渠箱順水流方向的長度范圍內的渠箱凈寬需擴寬至15 m(現狀約8 m)；③抬高凈高：站址橫跨駟馬涌渠箱的結構底板距離渠箱面板的高度不少于1.8 m。如按常規變電站布置方式，難以滿足水務避讓要求。

5)方案未考慮建筑限高

變電站西北側與清真先賢古墓鄰近，變電站左側約30～33 m進入文物保護紫線。經調查征詢，文物部門明確意見如下[7]：當擬建變電站落入全國重點文物保護單位清真先賢古墓的建設控制地帶時，建筑高度需控制在18 m以內。當考慮水務抬高凈高1.8 m時，建筑高度突破限高要求。選址方案與文物限高線主斷面關系如圖2所示。

圖2 選址方案與文物限高線主斷面關系示意圖

6)線路管廊未統籌協調

變電站按終期3臺主變(3×63 MVA)，新建110 kV線路2回(終期3回)、10 kV出線32回(終期48回)。進出線路管廊主要涉及如下風險因素：①110 kV線路為電纜進線，進站段設置埋地式電纜溝，電纜溝底板頂埋深1.6 m，而電纜層面標高高出室外地面2.1 m，電纜層面與室外電纜溝底板頂高差3.7 m，電纜進線接口存在銜接難題；②線路路徑多位于城市主干道，電纜多敷設于車行道，若采用電纜溝或電纜槽盒方式敷設，二次開挖敷設電纜將帶來較大的交通疏解壓力，項目協調難度及成本增加；③沿現狀道路敷設電纜，沿線管線眾多，線路路徑存在交叉跨越或線路與各類管線安全距離不足的風險。

2.3 風險應對策略

2.3.1 優化站址平面布置

當按標準設計時，站址面積＞規劃批復面積，因此變電站采用非標準設計。為盡可能節省占地，變電站不單獨設圍墻，充分利用現狀地形合理優化站址布置。站址北側緊鄰蘭圃路，為便于主變壓器安裝及維護，此面為全開敞式；站址西側利用現狀建筑物外墻形成自然圍蔽；站址東側、南側局部為開敞式，與地塊共用消防及運輸通道；站址南側局部為公共綠化。

配電裝置樓尺寸按非標準設計，在滿足電氣布置的情況下，橫向尺寸壓縮至17.3 m，縱向尺寸拉伸至58.6 m，東南側根據場地現狀設置局部切角及轉換梁局部外露地面，配電裝置樓基底面積為1 147.88 m2，小于規劃批復面積，節約土地率約達36%。配電裝置樓兩側各設1處出入口，與市政路順接，站址共用道路與市政路形成“U”形，滿足消防及設備運輸要求。設置東、西電纜出線井，電纜通道沿道路敷設。主變朝向市政道路側，消防水池布置在配電裝置樓內。站址平面優化布置如圖1所示。

2.3.2 加強建筑防火設計

根據文獻[4]有關規定，加強建筑防火設計措施：①配電裝置樓與周邊建筑相鄰面設置為防火墻，墻體采用240 mm厚A5、B07蒸壓加氣混凝土砌塊，既減輕了建筑物自重，又具備良好的防火性能。

表3 加氣混凝土砌塊墻非木結構構件的燃燒性能和耐火極限

根據表2、3所示，建筑墻體的耐火極限可達8 h以上，遠高于耐火等級為一級廠房的防火墻防火性能要求。②防火墻立面布置：變電站西側端部建筑布置為樓梯間、走廊及10 kV配電室，該面防火墻上不開門、窗、洞口；變電站東側端部建筑布置為電容器室、接地變室，考慮到吊裝設備需要，故該面防火墻上設置帶聯動功能的甲級單扇或雙扇防火鋼板門。

表2 不同耐火等級廠房建筑防火墻的燃燒性能和耐火極限 h

2.3.3 設置大跨轉換結構

1)轉換梁平面布置

當按標準設計時，變電站基礎無法實現對地下設施的避讓及跨越。借鑒建筑行業的先進做法，配電裝置樓首層設置轉換梁。縱向設置四道大跨度轉換梁，橫向設置六道轉換梁，縱向轉換梁最大跨度約30.9 m，最大梁截面取2 200 mm×2 250 mm(寬×高)，并在靠近梁端支座位置處設置結構加腋措施，提高轉換結構的整體受力性能。橫向轉換梁截面 取1 200 mm×1 200 mm(寬 × 高)。 其余為常規框架梁，主變基礎處框架梁截面取400 mm×1 000 mm(寬×高)。梁間板厚取300 mm。轉換梁平面布置如圖3所示。

圖3 轉換梁平面布置圖

2)建筑首層平面圖

配電裝置樓首層主要布置電纜層、主變壓器室(含主變壓器基礎、油坑等)、消防水池、東西兩側電纜出線井等，配電裝置樓首層平面布置如圖4所示。轉換梁及轉換梁處承臺標高1.80 m(絕對標高11.30 m)，主變壓器(3×63 MVA)放置在第二道轉換梁上，消防水池跨越第一、二、三道轉換梁。西側電纜出線井底標高-2.0 m，東側電纜出線井底標高-3.0 m。主變壓器油坑設置有效深度為800 mm，因轉換梁將油坑阻隔，為保證事故漏油時油坑內液體流通，在梁中預埋DN 200 mm鑄鐵聯通管。

圖4 配電裝置樓首層平面布置圖

3)樁基礎優化布置

綜合考慮上部結構荷載、工程地質條件、周邊環境保護、施工難易程度等對基礎方案進行比選，選取旋挖成孔灌注樁作為基礎方案。樁徑分800 mm/1 600 mm/2 000 mm/2 400 mm共4種類型，以中風化巖為樁端持力層，樁基設計為嵌巖樁，樁凈長約20～35 m，所對應的單樁承載力特征值依次取3 700 kN/12 000 kN/21 000 kN/27 000 kN。根據 2.2節第 3)、4)項控制性風險事件，樁基布置既要避開地鐵保護線又不能落至擴寬后的河涌里，使得樁位布置的空間局限性很大且不規則。樁基優化布置如圖5所示，其中：#1、#2、#3和#4樁樁徑分別為1 600 mm、2 000 mm、2 400 mm和800 mm。#1、2#、3#樁為轉換梁處的基樁，#4樁為普通框架梁處的基樁，所有樁位均避開地鐵保護線及擴建后的河涌斷面。

圖5 樁基優化布置平面圖

4)轉換立面布置圖

現狀渠箱頂絕對標高7.25 m，位于駟馬涌暗渠正上方最大轉換梁跨度約30.9 m，設計截面高度為2 250 mm，為滿足轉換梁梁底距離渠箱面板凈高1.8 m要求，轉換梁頂面絕對標高至少應為11.30 m，轉換梁處樁承臺頂面標高與轉換梁頂面標高一致。駟馬涌由現狀8 m擴寬至15 m，擬新建鋼筋混凝土擋土墻岸壁，墻頂設1.30 m寬懸挑式檢修通道，并在臨水面側加裝安全護欄。在變電站北側檢修通道的端頭并靠近轉換梁側面處設置φ1 200 mm檢修井，用作從地面到檢修通道的出入口。轉換梁與改造河涌、盾構隧道斷面如圖6所示。

圖6 轉換梁與改造河涌、盾構隧道斷面示意圖

5)主變設隔振支座

較常規變電站不同的是，主變壓器及基礎放置在轉換梁上，而不是直接放置在大地上。考慮到主變壓器運行存在振動，為避免設備運行振動引起建筑結構諧振，并降低振動噪聲對周邊環境的影響，在主變壓器基礎與轉換梁頂間設置彈簧隔振支座。主變油坑側壁自轉換梁梁底懸吊，考慮到轉換梁將油坑分隔開，為保證事故漏油時油坑內保持聯通，在轉換梁中預埋聯通鑄鐵管，保證事故漏油時油液互通，并及時排至總的事故油池。隔振支座平立面布置(含懸吊式油坑)及案例安裝如圖7所示。

圖7 隔振支座案例安裝圖

2.3.4 優化建筑結構型式

根據2.2節第5)項控制性風險事件，當按水務要求抬高凈高1.8 m時，建筑高度突破文物限高要求。對建筑結構型式做如下優化：①取消屋面風機房，改變進風方式為主變室側向進風；②110 kV全封閉組合開關電器(gas insulated switchgear，GIS)室取消標準設計的混凝土結構屋面+磚砌筑外墻，改為戶外型GIS設備+可拆卸裝配鋼結構屋面及外墻形式；③取消GIS室上空吊裝天車，土建工程先預留鋼結構與混凝土面的連接件，待GIS設備吊裝完畢后再安裝鋼結構屋面及墻體。建筑布局優化立面示意如圖8所示。

圖8 建筑結構型式優化對比典型剖面

2.3.5 協調進出線路管廊

根據2.2節第6)項控制風險事件，對進出線路管廊采取如下協調措施：①設置沉箱式電纜出線井，實現電纜層頂與室外電纜溝板頂高差的過渡銜接。110 kV及10 kV站外段均為電纜出線，設置埋地式電纜溝，在配電裝置樓東、西側各設沉箱式電纜出線井，并滿足電纜進出線的轉彎半徑要求。東側電纜出線井上方為轉換梁，由轉換梁梁底設置懸吊沉箱側壁、暗柱及底板；西側電纜出線井在轉換梁以外，通過局部降低承臺頂標高，出線井側壁從承臺間連系梁上做起。②電纜線路在穿越道路、重要路障以及避讓道路上地下管線時，采用埋管的敷設型式，管底埋深通常取1.5 m。③電纜線路穿越不允許開挖的道路及路口時，采用頂管施工工藝，為避開地下管線，通常按頂管深度3.0～5.0 m考慮。

結合廣州地區線路管廊運行經驗，對新建110 kV及以上電纜走廊，當具備如下實施條件時，宜選用預制排管：①在道路新建、改(擴)建時同步建設的電力線路走廊；②開挖暴露時間受限跨越鐵路隧道、地鐵隧道等重要交叉跨越段；③電纜管溝建設條件受限的路段；④有機動車荷載且不具備長期占道施工條件的路段。此外，對于地下管線密集或存在大型管線的區段，預制排管交叉通過有困難時，可采用非預制排管或頂管進行過渡處理，預制排管與過渡段之間宜設置電纜工井銜接。預制排管與大型管線交叉處理措施示意如圖9所示。交叉管線需符合文獻[8]中關于電纜與電纜或管道、道路、構筑物等相互間容許最小距離的要求。

圖9 預制排管與大型管線交叉處理示意圖

3 效益評價

3.1 選址落地檢查

運用風險管理工具，確定影響變電站選址落地的控制性風險因素。選取典型案例，采取風險應對策略，通過綜合優化措施，選址方案已獲得規劃、地鐵、水務、文物、管線、運行等各單位審批通過，變電站方案已獲取可研及初設批復，施工圖設計及第三方審查已完成，待施工單位進場施工。選址成功率由優化設計前的60%提升至100%，達成項目前期目標及客戶關切。

3.2 經濟和社會效益

經濟效益：結合應用案例，優化調整后配電裝置樓的占地面積為1 147.88 m2，小于規劃批復面積1 793 m2，節約土地率達36%，按項目土地基準地價2 857元/m2計算，節省土地成本約184萬元。變電站未占用市政設施(地鐵隧道、河涌渠箱)的位置，形成了“變電站+地下構筑物”的立體建造模式，提高了土地的綜合利用價值。

社會效益：“十四五”期間，廣州電網中心地區變電站建設比例超過60%，研究成果將為廣州“十四五”中心地區變電站建設帶來參考和啟發，對促進區域經濟高質量發展和提高電網供電可靠性具有積極意義。

4 結語

隨著廣州市乃至其他一線城市城市快速融合發展對用電負荷需求的不斷增長，市中心變電站的建設需求迫切，同時市中心變電站建設面臨土地資源日益減少的困境。市中心變電站選址受高層建筑、市政設施(含城市道路、軌道交通、水務管涵、燃氣管道等)、歷史文物等風險制約因素多，常規變電站設計及建設思路已不適應市中心地區變電站建設模式。

運用風險管理工具，通過建立影響變電站選址落地風險識別清單及風險可接受性評定指標，確定影響變電站選址落地的控制性風險事件，是系統思維和項目化管理手段在變電站前期咨詢工作中的有益嘗試。

優化站址平面布置、加強建筑防火設計、設置大跨轉換結構、優化建筑結構型式、協調進出線路管廊等多項風險應對策略，對提高市中心地區變電站選址成功率帶來多維度的參考借鑒。