110kV全預制艙變電站的研制

常州博瑞電力自動化設(shè)備有限公司 劉廣州 陸朝陽 宋 戈 吳俊輝 袁孟佼 南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司 王 凱

當前，國內(nèi)對于用電的需求量越來越大，同時出于電力系統(tǒng)可靠性考慮，對于部分一、二級用戶要求有2個電源供電。因此，變電站的數(shù)量呈幾何數(shù)量級增長[1]。另外，對于高鐵供電、景區(qū)供電、應急供電等情況，要求變電站的建設(shè)周期短，智能化、精細化的要求越來越高。常規(guī)變電站建設(shè)，土建施工完成后，設(shè)備安裝、施工接線、調(diào)試等工作量較大，周期較長，全預制艙變電站能夠有效解決上述問題。全預制艙變電站是指變電站內(nèi)除主變采用戶外式，其他一、二次設(shè)備均安裝在預制艙內(nèi)的變電站。一次設(shè)備包括110kV組合電器、10kV/35kV開關(guān)柜設(shè)備、10kV/35kV消弧線圈（就地變）等；二次設(shè)備主要包含主變、線路控制保護及一體化電源等設(shè)備。

1 工作原理及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

本文研制的全預制艙變電站由110kV GIS設(shè)備艙、10kV/35kV開關(guān)柜設(shè)備艙、10kV/35kV消弧線圈艙、二次設(shè)備艙、辦公生活艙等功能模塊組合而成。由現(xiàn)場施工完成土建基礎(chǔ)，各個設(shè)備艙運輸至工程現(xiàn)場，吊裝就位拼接后和基礎(chǔ)預埋件焊接固定。本項目整站布置如圖1所示。

圖1 整站布置圖

1.1 選型

本文就四川某110kV全預制艙智能變電站工程進行相關(guān)研究。主要針對110kV GIS設(shè)備、10kV/35kV開關(guān)柜設(shè)備、10kV/35kV消弧線圈設(shè)備、控制保護二次設(shè)備、辦公生活設(shè)備等模塊優(yōu)化組合設(shè)計，將上述設(shè)備整合安裝于對應的預制艙內(nèi)。

1.2 預制艙方案設(shè)計

1.2.1 艙體整體設(shè)計

由于運輸限制，車輛及艙體整體高度不超過5m，寬度不超過3.5m。艙體長度寬度依據(jù)艙內(nèi)設(shè)備不同布置，最終將艙體分為不同尺寸的單艙。GIS本期7個間隔，優(yōu)化布置，將2個間隔放置在一個艙內(nèi)，分艙運輸至現(xiàn)場，現(xiàn)場僅需連接分艙間的導體，減少現(xiàn)場工作量40%。

1.2.2 艙體底部吊裝設(shè)計

預制艙底座的結(jié)構(gòu)強度對艙體的吊裝有重要影響[2]。由于一次相關(guān)設(shè)備整體較重，出于整體布置考慮，為吊裝可靠，艙體采用底部八點起吊，八點起吊后保證起吊更加平穩(wěn)可靠。吊裝驗證艙體各零部件無松動、損壞、移位，吊點無變形、開焊、脫落等現(xiàn)象[3]。八點吊裝方案如圖2所示。

圖2 艙體吊裝圖

1.3 艙內(nèi)智能輔助系統(tǒng)設(shè)計

預制艙內(nèi)設(shè)置相應的智能輔助系統(tǒng)及火災報警裝置：一是艙內(nèi)智能輔助系統(tǒng)主要包含溫濕度傳感器、監(jiān)控攝像頭等附件；二是火災報警裝置包括感溫感煙探頭、手動報警器、聲光報警器、應急照明、事故照明、疏散指示牌、滅火器等。三是艙內(nèi)設(shè)置兩臺制冷量5kW的工業(yè)空調(diào)，該工業(yè)空調(diào)具備自動控制及溫濕度信號上傳功能。同時，工業(yè)空調(diào)具備斷電后來電自啟動功能，能夠有效保障艙內(nèi)設(shè)備運行環(huán)境。

因此，合理布點所有的智能輔助系統(tǒng)及火災報警裝置，實現(xiàn)有效監(jiān)控艙內(nèi)環(huán)境亦是非常重要。通過對艙體結(jié)構(gòu)、運行環(huán)境控制和艙體內(nèi)部設(shè)計進行優(yōu)化[4]，使得艙內(nèi)整體環(huán)境有效控制在要求的參數(shù)范圍內(nèi)。艙內(nèi)所有智能輔助系統(tǒng)及消防系統(tǒng)均采用暗敷埋管形式，同時與艙內(nèi)的照明通風等線路隔離，有效確保監(jiān)測設(shè)備的可靠運行。

2 艙體方案設(shè)計

常規(guī)預制艙主要放置二次設(shè)備或者只放置一次開關(guān)柜，而本次研制的全預制艙變電站預制艙艙內(nèi)設(shè)置的設(shè)備包括GIS組合電器、消弧線圈接地變等設(shè)備。為了確保設(shè)備安裝運維檢修便捷，對于艙體進行相關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。預制艙底部設(shè)置電纜夾層，使得預制艙在出廠前都已經(jīng)完成了艙內(nèi)設(shè)備的安裝接線[5]。

2.1 二次設(shè)備艙設(shè)計

由于工程項目處于地震多發(fā)帶，在進行艙體結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計完成后，對艙體結(jié)構(gòu)進行了抗震仿真計算確保設(shè)備滿足相關(guān)抗震要求，并且能夠在可能產(chǎn)生地震時保障設(shè)備的可靠運行。

對模塊化預制艙模型進行簡化處理，運用分析軟件對簡化的模塊化預制艙模型進行仿真分析，最終簡化結(jié)果如圖3所示。

圖3 艙體模型簡化圖

圖5 預制艙整體應變響應圖

圖6 底梁應變響應圖

對預制艙采用反應譜法進行結(jié)構(gòu)抗震分析，譜曲線參考標準反應譜擬合的曲線，對模型進行加載。水平方向基本加速度為0.5g，豎直方向基本加速度為0.325g，艙體各部分應力云圖如圖4至圖7所示。

圖4 預制艙整體應力響應圖

圖7 底梁最大應力位置圖

經(jīng)靜力學仿真、模態(tài)分析、譜分析等過程，得出預制艙最大應力值見表1。

表1 預制艙應力響應

結(jié)構(gòu)材料的許用應力安全系數(shù)為：n=345MPa/130.155MPa=2.65＞1.67（安全系數(shù)）。通過靜力學分析、模態(tài)分析、譜分析等受力的仿真分析結(jié)果評定，在水平基本加速度0.5g，豎直基本加速度0.325g的震載荷作用下，各個部件安全系數(shù)均大于1.67，因此預制艙的結(jié)構(gòu)強度滿足該工況下的抗震要求。

2.2 GIS設(shè)備艙設(shè)計

110kV GIS設(shè)備艙本期設(shè)置7個間隔，包括2個主變間隔、2個線路間隔、2個母線間隔、1個分段間隔。遠期預留1個主變間隔、3個線路間隔。110kV組合電器采用電纜進出線形式。GIS設(shè)備艙內(nèi)本期間隔設(shè)置在中間位置，遠期擴建的3個間隔設(shè)置在兩端如圖8所示（標黃部分為遠期間隔）。

圖8 GIS設(shè)備艙艙內(nèi)布置圖

由于道路運輸限制，艙體總體高度不得超過3700mm，艙內(nèi)設(shè)備間隔由于需要安裝可拆卸導體，現(xiàn)場耐壓試驗需要安裝試驗套管等工作。對于GIS設(shè)備預制艙，因為其尺寸參數(shù)過大而不能夠滿足運輸條件，需要采用拼艙方案處理。出于多方面考慮，將艙體頂部局部設(shè)置出口，保證設(shè)備安全距離的前提下，實現(xiàn)設(shè)備運輸可行。并將該部分做成可拆式，局部限高可拆下后運輸。方案如圖9所示。

圖9 耐壓試驗口結(jié)構(gòu)圖

GIS設(shè)備預制艙由于本期不安裝設(shè)備且GIS設(shè)備運行中檢修可能需要涉及吊裝等作業(yè)，因此將GIS設(shè)備艙艙頂做成可拆卸形式，確保遠期增加設(shè)備及檢修的可操作性。為了保證整體的強度，在艙頂與艙壁連接處采用主型鋼加強，并采用M20的螺栓連接固定。艙頂拼接處采用結(jié)構(gòu)防雨加密封膠輔助防雨措施，徹底解決可能產(chǎn)生的漏雨問題。方案如圖10所示。

圖10 艙頂拼艙蓋板結(jié)構(gòu)圖

2.3 消弧線圈艙設(shè)計

本項目消弧線圈包括10kV消弧線圈及35kV消弧線圈兩部分分別設(shè)置在兩個預制艙內(nèi)。其中，35kV消弧線圈艙內(nèi)包含一臺隔離柜、一臺消弧柜。隔離柜內(nèi)包括1套隔離開關(guān)及一臺避雷器一臺互感器；消弧柜內(nèi)包含真空有載開關(guān)、并阻尼電阻、消弧線圈、霍爾電流傳感器等主設(shè)備及電纜銅排連接附件。艙內(nèi)布置方案如圖11所示。

圖11 35kV消弧線圈設(shè)備艙布置圖

10kV消弧線圈艙內(nèi)3套10kV消弧線圈，其中本期設(shè)置2套，遠期預留1套。單套消弧線圈包括接地變柜消弧線圈柜；接地變柜內(nèi)包含接地變壓器、避雷器、電壓互感器、單極隔離開關(guān)等主設(shè)備及其他連接附件。消弧線圈柜內(nèi)包含阻尼電阻器、消弧線圈、真空有載開關(guān)、隔離操作手柄等主設(shè)備及其他連接附件。布置方案如圖12所示。

圖12 10kV消弧線圈設(shè)備艙布置圖

2.4 工程應用

本次研制依托國家電網(wǎng)某工程應用，110kV全預制艙變電站已于2019年年底順利完成投運，一次帶電成功。預制艙式變電站建設(shè)周期在100～120天（含生產(chǎn)周期80天），相比常規(guī)式升壓站建設(shè)周期120～140天，節(jié)約20天。通過本工程的順利投運，有利的佐證該項目研制的可行性，能夠有效解決工程建設(shè)周期短、現(xiàn)場施工困難等問題。為后續(xù)相關(guān)產(chǎn)品推廣及實施提供了可靠支撐。工程現(xiàn)場實物如圖13至圖16所示。

圖13 110kV全預制艙整體圖

圖14 110kV GIS設(shè)備艙艙外圖

圖15 10kV/35kV開關(guān)柜艙圖

圖16 二次設(shè)備1#艙圖

3 結(jié)論

本文系統(tǒng)介紹了110kV全預制艙變電站相關(guān)技術(shù)要點，重點介紹了預制艙艙體方案優(yōu)化設(shè)計、預制艙結(jié)構(gòu)抗震仿真設(shè)計，并結(jié)合工程進行了詳細闡述。截至目前，公司承建的該工程110kV全預制艙變電站項目順利投運，現(xiàn)場僅需完成土建施工及艙間的線纜連接工作，縮短了現(xiàn)場施工周期。同時，整站的占地面積也比常規(guī)變電站減少30%以上，收到良好效果。