預制艙變電站在山地軌道交通項目主所中的應用

由恒遠 邢挺 黨景濤

（1．青島特銳德電氣股份有限公司 2．四川山地軌道交通技術研究院3．中國鐵路青藏集團有限公司）

0 引言

山地軌道交通作為綜合立體交通網的延伸和補充，可以有效構建與其他交通方式的“零距離”換乘融合、運營互通，打造與其他交通方式的“一站式”體驗融合，與火車站、機場、大巴車站和游客服務中心實現空間位置的融合，為旅客提供“零距離”的換乘服務。四川省結合自身省情編制了《四川省山地軌道交通規劃》，規劃里程數約1770km，覆蓋全省山地區域范圍內大部分的世界級和國家級旅游資源。在山地尤其高海拔地區建設軌道交通必然有其特殊性，比如某項目區位于橫斷山脈東緣，由高程600~700m的四川盆地成都平原向高程3000~5600m的青藏高原東部邊緣構造強烈復合之高山峽谷帶過渡區行進。地區整體海拔高度由南向北遞增，隨山地海拔高度變化，形成了亞熱帶、山地暖溫帶、山地中溫帶、高山亞寒帶、高山寒帶的垂直變化，因此項目在建設過程中面臨海拔高、氣候條件惡劣、建設場地地表起伏不平、施工難度大等困難，并且項目地處自然保護區，環境保護難度大。而常規土建變電站自然作業建設難度大，周期長，對自然環境的破壞大，因此變電站的落地較難。而預制艙變電站在建設工期、項目質量、項目管理、環境影響等方面均有明顯的優勢，因此，此項目選用了預制艙式變電站建設方案。本文通過對預制艙式變電站在某主所的應用方案介紹，概況地闡述了總體方案優勢，并在四個方面進一步分析了預制艙變電站的技術優勢，證明在惡劣自然條件下選用預制艙變電站是更優方案。

1 總體方案說明

本文以山地軌道交通沿線某主所為例，總體介紹項目的建設方案。

變電站的建設規模如下。

110kV部分：2回線路變壓器組接線。主變部分：2臺16MVA有載調壓變壓器。35kV部分：單母線分段接線，4回饋出線路。無功補償部分：采用35kV 并聯電抗器補償裝置，補償容量2×8Mvar；采用35kV動態無功補償裝置，補償容量2×5Mvar。接地部分：35kV側配置2套經接地變小電阻裝置。站用變：配置2臺400kVA干式站用變壓器。

預制艙變電站建設方案，如圖1所示，變電站整站占地范圍：4550m2；站內設計環形回車道路；站內設計820m2作為綠植景觀區域；整站采用全預制艙設計，考慮艙體頂部防雷，整站不設置獨立避雷針；設置站內監控中心，集中監控管理；整站設備抬高地面約1.5m，預制艙外圍設置巡視通道。

如圖1預制艙變電站方案和圖2土建站方案，預制艙變電站整體方案較傳統土建方案預裝站優化綠化占地820m2以上，減少站內投資概算百萬左右，減少建設工期120天以上。

圖1 預制艙式變電站全站布置方案

圖2 土建式變電站全站布置方案

如圖3預制艙變電站設計圍欄外觀彩繪，與周圍環境協調統一，更加符合自然保護區的環境要求。

圖3 預制艙整站建站效果圖

總之，選用預制艙建站方案，有效解決了土建站的固有難題，實現建設過程的節能、節材、節水、節地和省時高效；降低了土建施工中廢水廢物排放及揚塵、噪聲污染，符合快速、環保施工建設需求[2-3]。

2 預制艙變電站的關鍵技術優勢

相較傳統土建站，除了占地空間和建站周期上等總體優勢外，預制艙變電站根據山地軌道交通建設的特殊環境要求，進行針對性設計，主要關鍵技術優勢有以下幾點。

2.1 防腐設計超過60年

預制艙是金屬結構，因此其防腐問題一直被大家所擔心，因此本項目按現場的自然環境條件，根據ISO12944.2—2017色漆和清漆－防護涂料體系對鋼結構的防腐蝕保護－第2部分：環境分類[4]，預制艙的使用環境一般為C3或C4級。即，C3級：城市和工業大氣，中度二氧化硫污染，低鹽度的沿海地區；本方案選擇了高于環境條件的C4標準，涂層體系考慮全壽命周期60年以上，達到土建站的設計壽命。本項目涂料體系的設計，既考慮短期效益，又兼顧長期效益，以達到合理、經濟、耐久的目的。涂裝設計重點解決功能需求為基礎，以“經濟合理、長效耐久、施工可行、符合環保”為原則進行涂料體系方案的設計。作者根據多年的實踐經驗提出如下的涂料體系方案。

涂料體系包括鋅層、底漆、中間漆和面漆。鋼件采用熱噴鋅或熱噴鋁工藝進行第一步打底，這是涂層裸露后最后的抗金屬氧化保護膜，是未來減少全面更換涂層的重要基礎，干膜厚度不低于60μm，（也可在60~100μm間進行調整）。底漆可采用環氧富鋅底漆或無機富鋅底漆，干膜厚度為60μm（也可以在40~80μm間進行調整，主要根據富鋅底漆的含鋅比例調整）；采用無機富鋅底漆時，要求進行噴霧、全噴，避免涂層出現針孔和氣泡。中間漆可以采用環氧（云鐵）中間漆，具有良好的屏蔽性能，與底面漆有良好的配套性，厚度在50~200μm。面漆氟碳金屬漆面漆，干膜厚度在50~80μm。總干膜厚度≥260μm。

涂層設計完后，要對涂層耐久性進行測試。依據是ISO12944.6—2018色漆和清漆－防護涂料體系對鋼結構的防腐蝕保護第6部分：實驗室性能測試方法[5]，其5.6測試程序和持續時間中規定：C4環境中，達到很高（VH）＞25年的指標要求，相應的測試方法是性鹽霧1440h或循環老化試驗1680h。

通過涂料體系設計，預制艙變電站涂層第一次維修時間就達到了25年以后，為下一步維修延續涂層壽命提供了很好的基礎。

以防腐涂層耐久壽命25年為基礎，使用壽命60年規劃涂層的維修周期。每次重涂后耐久壽命為15年計算，預計在預制艙變電站設計服務壽命到達時需重涂3次，即在預制艙使用60年限內，分別為25年、40年和50年時各維修一次。

總之，預制艙的防腐問題得到了有效解決，預制艙變電站的定位就是“永久性建筑”。

2.2 抗震烈度滿足9度

本項目地處地震較為活躍的龍山斷裂帶附近，而預制艙固有的特點是結構強、彈性好，因此，本項目按抗震9級烈度考慮設計并進行如下驗證。抗震計算過程比較復雜，且預制艙設計過程中做過多次仿真分析，現將其中設計的簡化版進行過程描述和結論匯報。相似的設計見文獻[6]。

為了驗證預制艙的抗震性能，對預制艙的結構進行仿真分析。如圖4簡化預制艙的框架結構有限元模型的網格。以抗震能力相對較弱的變壓器艙進行仿真。

圖4 變壓器隔室的有限元網格化圖

本計算采用動力時程分析法對預制艙框架結構進行抗震計算，按照中華人民共和國國家標準GB50260—2013[7]《電力設施抗震設計規范》的要求，首先確定設防烈度地震作用（0.25g）下水平向地震動輸入時程。由于預制艙框架結構的水平向基本自振頻率為76Hz，相應的，抗震計算分析需要輸入的地震動時程也須由5個頻率為76Hz的正弦共振調幅波串組成，如圖5所示。

圖5 正弦共振調幅波串

地震輸入加速度時程按下列規定確定：

當t≥5t時，a=0

當0≤t﹤5t時，a=aSsinωt×sin（ωt/10）

式中，a為各時程的水平加速度，g；T為體系自振周期，s；aS為時程分析地面運動最大水平加速度，0.25g；ω為體系自振圓頻率。

實際計算采用的地震動輸入正弦共振調幅波時程如圖6所示。

圖6 地震動輸入正弦共振調幅波時程

經過仿真分析，預制艙框架結構進行設防烈度（0.25g）和罕遇烈度（0.5g）兩級地震作用下的抗震計算，經計算分析，獲得以下結論：

1）在相當于設防烈度的地震動作用（0.25g）下，預制艙框架結構處于安全狀態，不會發生損壞，可繼續使用。

2）在相當于罕遇烈度的地震動作用（0.5g）下，預制艙框架結構仍處于安全狀態，不會發生損壞，可繼續使用。

汶川地震后，金屬結構箱式變電站幾乎沒有受到破壞，也從另一個角度驗證了預制艙結構的抗震性能。抗震在全金屬結構的預制艙設計中，只要在設計中注意結構的薄弱點進行加強，基本可以保證“大震可修”，預制艙在強度優勢上遠超土建站。

2.3 “集中分散”的消防設計

變電站地處環境優美的風景區，山區的防火更加關鍵。預制艙設計要求門板達到A級3h防火門標準，這是預制艙防火設計的前提。預裝式變電站的防火設計首先選擇“主動消防”方案，即方案滿足消防標準要求，保證變電站內難以發生火災。如果在主動消防無法滿足或者必須要有“被動消防”的時候選擇合適的滅火措施。預制艙在防火設計在主控室設置了“集中式”氣體滅火消防系統，另外對關鍵設備也進行了針對性“分散式”消防設計。

預裝式變電站防火設計首先滿足GB/T17467—2020[8]的要求，外殼的整體防火性能耐火等級要達到二級以上，變電站的主要構件和防護板防火等級至少需滿足A1級以上，雙層保溫彩鋼瓦防火等級僅為B2級，不允許采用。

預裝式變電站內部需采用無油化設計，防止火災蔓延造成損失擴大。預裝式變電站的隔室之間必須按GB 23864—2009[9]《防火封堵材料》相關要求設置防火封堵，因為預裝式變電站通常為無人值守站，推薦封堵材料耐火時間為3h。

預制艙內各種開關柜柜體防護等級一般超過IP4X，因此全淹沒滅火難以實現，因此，本文提出防火的設計方案是減少產生條件，隔絕火災危害和采用局部應用滅火方式，即“集中為主，局滅為輔”。

大型預裝式變電站防火設計推薦參考要求更高的GB50229—2019[10]《火力發電廠與變電站設計防火規范》相關要求。大型預裝式變電站各個功能隔室，根據標準要求設置自動滅火系統，關鍵隔室二次預制艙設置全淹沒滅火系統；個別易發生火災的單元柜，可增設小型自觸發氣體或氣溶膠滅火裝置；另外大型預制艙式預裝式變電站上下兩層布置時，金屬電纜井需做防火封堵或設置滅火措施。

消防方案的可靠性和免維護性決定了產品的應用難度。需要定期維護的方案很難在預制艙變電站內應用，常規的氣體滅火均需高壓貯存，需要定期檢查氣體壓力；水霧滅火需要維護水源；而小空間的超細干粉或氣溶膠滅火方式，存在誤噴后的清理難度大的問題。

關于局滅方案，本文提出最優的方式是選擇全氟己酮滅火裝置。首先，T/CECS 10171—2022[11]《預制式全氟己酮滅火裝置》正式發布，自2022年6月1日起實施。意味著全氟己酮的國產化快速替代已經開始，相應的價格會快速回歸。再次，全氟己酮滅火性能優異，并可常壓存儲，噴后無殘留。最后，常壓免維護全氟己酮滅火系統具有超過10年的維護周期，尤其符合無人值守站的要求。

預裝式變電站防火設計如電弧性短路，在獨立采用繼電保護無法滿足可靠性、靈敏性和選擇性時，有條件的情況下可將FAS系統（火災報警系統）、CCTV（視頻監控系統）和PSCADA系統（電力監控系統）信息聯動，在高級軟件中配置專家決策系統，通過軟件方式強化預裝式變電站的防火方案。

總之，預制艙的防火設計在傳統土建站設置二次設備間隔氣滅消防方案的基礎上，在長達3h以上的防火隔離措施的條件下，輔助滅火性能優異的全氟己酮滅火系統，形成了更有優勢的防火方案。

2.4 無避雷針的防雷設計

預制艙變電站外殼為全金屬結構，是一個典型的法拉第籠結構，對于變電站來說主要是采用兩種防直擊雷方案，一個是設置獨立避雷針防雷，一個是靠金屬外殼法拉第籠等電位屏蔽防雷。根據規范要求，設置獨立避雷針的集中接地極需要與變電站的接地網有一定的地中距離，顯然在空間受限的情況下，預制艙變電站采用法拉第籠等電位屏蔽防雷更為合理。

根據GB/T21714.4—2015《雷電保護》第4部分建筑物內電氣和電子系統中的保護[12]范圍引申到預制艙變電站的結構，見圖1。外部直雷擊在擊中預制艙外殼一點，LPZ1保護的是預制艙內部，LPZ2保護的是屏柜內部設備，各節點均設浪涌保護器。

如圖7所示，當直擊雷擊中箱體頂蓋一角，通常是這個位置，或者是箱變頂蓋的某個位置后，在預制艙內LPZ1中LPZ2外最強磁場位置為屏柜后上沿，如圖所示的圓點位置，磁場的磁場強度H1，根據標準：

圖7 預制艙變電站雷電防護區劃分

式中，dr為自動化屏柜距離屋頂最短的距離，m；dw為自動化屏柜距離預制艙門板最短的距離，m；I0為LPZ0（預制艙建筑等級）雷電流，A；kh為結構系數，典型值為0.01；wm為預制艙屏蔽網格的寬度，m。

為了效果更加明顯，根據比較緊湊的預制艙方案進行計算，dr取最短的距離按常規網絡機柜距離頂蓋下部約0.6m；dw取最短的距離按機柜距離預制艙后門0.1m；I0按二級防雷建筑取150000A；選用較為嚴苛的數據，wm取0.2m。計算所得H1=4243A/m。國內標準 GB 50174—2017《數據中心設計規范》[13]、YD/T 1821—2018《通信局（站）機房環境條件要求與監測方法》[14]中提出主機房內的磁場強度不應超過 800A/m。滿足800A/m的情況下，需要為0.53m。預制艙柜后檢修通道不低于800mm，顯然滿足。

預制艙無避雷針設計，選用的是共用接地系統，“是將各部分防雷裝置、建筑物金屬構件、低壓配電保護線(PE)、等電位聯結帶、設備保護地、屏蔽體接地、防靜電接地及接地裝置等連接在一起的接地系統[15]。”

預制艙的接地分為強電接地、弱電接地、保護接地。

強電接地系統，主要是系統接地和防雷接地。系統接地，主要是變壓器的中性點接地，防雷接地是避雷器接地端和預制倉外殼的接地。當預制艙變電站等電位非常完善時，高電位不會產生危害，但當等電位連接出現故障或不完善時高電位便轉化成了高電壓，對系統產生破壞。接地系統中通過大電流的主要是強電接地系統中的系統接地（短路電流和雷電流）和防雷接地（雷電流），因此，預制艙共用接地系統中采用的是共用接地網的多點接地，即強電的接地點與其他接地點在共用地網上的連接點應保持足夠的安全距離，留出雷電流泄放和高電位衰減的空間距離，使進入其他接地系統的電位在安全電位范圍內。

弱電接地主要是繼電保護類信息設備接地和通訊接口的接地。由于預制艙外殼是法拉第籠結構，對于法拉第籠結構，其中部的磁場強度是最低的，而基于局部等電位的設計思想，將預制艙內的弱電接地局部設置在預制艙的中部底部區域，并通過一個點連接到共用地網的接點。

保護接地主要是柜內各個裝置的等電位接地，預制艙箱體全金屬結構，就近接地效果最好。絕對不能分別引至強電接地點。

總之，在全金屬結構的條件下，預制艙變電站采用法拉第籠結構有效解決了直擊雷的影響，在沖擊接地電阻滿足的條件下，采用共用接地方案，較常規土建站防雷接地設計更簡潔、更方便，整站效果更美觀。

3 結束語

變電站安全可靠性關系國計民生和能源的安全，預制艙變電站符合我國綠色環保、經濟節能的政策，代表了變電站建設的發展方向。由于傳統土建站在山地環境尤其是自然保護區環境落地困難，以某項目為例，預制艙針對現場環境進行針對性設計，整體方案解決了落地難的問題，同時很多關鍵性能也超過土建站。相信隨著人們對預制艙變電站認知的提升，其必將得到更加廣泛的應用。