戶內變電站GIS 室土建先行方案研究

程擁軍，田效軍，李國堯，金 誠，安春秀

(1.國網浙江省電力有限公司衢州供電公司，浙江 衢州 324000；2.中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司，浙江 杭州 310012)

0 引言

為有效緩解城市空間資源與變電站用地日益緊張的矛盾，推動變電站建設與城市環境協調發展，許多城市均開展了變電站“入公建”建設。在此模式下，政府將變電站建設直接納入區塊規劃，引進投資主體對地塊進行同步開發、同步建設，待變電站建筑工程完工后移交給電網主體，再實施電氣工藝配套項目。

戶內變電站設備布置緊湊、工藝復雜，受電氣設備資料制約明顯。在以往工程中，需要待業主完成設備招標并確認設備資料后才開始土建設計。由于設備型號多、設備招標以及資料確認環節時間長，專業配合和圖紙設計周期長，嚴重影響了變電站建設周期，也制約了變電站“入公建”項目建設的推進。

馬曉元[1]對220 kV 變電站土建先行的必要性和可行性進行了論證和探討，建議一期施工時，220 kV 戶內氣體絕緣金屬封閉開關設備室(gas insulated metal-enclosed switchgear room，GIS室)先不布置框架梁，等設備確定后再根據工藝要求采用植筋的方式布置框架梁和樓板。夏泉[2]等提出GIS 房間預留大孔洞，土建先行時不對設備布置區的樓板進行設計，二期再對GIS樓板進行結構設計。趙平[3]等針對預埋件焊接方式的缺點，提出了采用化學錨栓錨固作為GIS間隔和基礎之間固定的新型固定方法，通過計算分析滿足強度要求。張博等[4]提出了一種戶內變電站GIS 設備基礎雙向可調控埋件，其原型為哈芬埋件。

以往研究對變電站土建先行提出了很多有益的思路，值得借鑒。但往往設備區域的結構梁板需在設備確定后再實施，后期工作量偏大；110 kV 及以上GIS 室預留大孔洞等思路，缺少廠家資料支撐和工程實施的具體建議。在設備資料完全未定的情況下，如何確定設備基礎、設備埋件、結構留孔、電氣埋管等，缺少成熟的土建先行模式。

戶內變GIS 室[5]由于布置方式不同、設備廠家眾多、安裝方式各異，給土建設計帶來的制約因素最多，一旦出現土建設計、施工與最終設備基礎要求不匹配的情況，現場修改非常困難。有必要積極開展戶內變GIS 室土建先行方案研究，具有廣泛的應用前景和管理效益。

1 戶內變GIS室土建接口研究

不同廠家的GIS 布置差異較大，制約土建設計。因此，首先有必要對GIS 廠家進行深度調研，確定設備與土建接口，減少設計前期對設備資料的依賴。

1.1 220 kV GIS電氣與土建接口

經過調研，220 kV GIS 斷路器主要分為臥式布置和立式布置兩種。以常規220 kV GIS 電纜間隔為例，220 kV GIS 斷路器布置如圖1 所示，臥式布置220 kV GIS 斷路器范圍統計見表1 所列，立式布置220 kV GIS斷路器范圍統計見表2所列。

表1 臥式布置220 kV GIS斷路器范圍統計 mm

表2 立式布置220 kV GIS斷路器范圍統計 mm

圖1 220 kV GIS斷路器布置圖

通過整理不同廠家的電氣設備要求，GIS室土建先行建設時，220 kV GIS 電纜筒中心至匯控柜中心總長定為7 700 mm 可以包絡不同廠家要求，這樣就保證了電纜開孔位置與二次電纜溝之間的位置，從而為后續的土建設計提供了依據。

1.2 110 kV GIS電氣與土建接口

經過調研，110 kV GIS 斷路器均為立式布置，以常規110 kV GIS 電纜出線間隔為例，110 kV GIS 斷路器布置見圖2 和表3。

表3 110 kV GIS斷路器范圍統計 mm

圖2 110 kV GIS斷路器布置圖

同理，通過整理不同廠家的電氣設備要求，GIS 室土建先行建設時，110 kV GIS 電纜筒中心至匯控柜中心總長定為6 200 mm 可以包絡不同廠家要求。

1.3 500 kV GIS電氣與土建接口

經調研，500 kV GIS 斷路器布置有Z 字型和一字型兩種型式。以常規500 kV GIS 串為例，500 kV GIS 斷路器布置范圍統計見表4 所列。

表4 500 kV GIS斷路器范圍統計 mm

同理，通過整理不同廠家的電氣設備要求，GIS 室土建先行建設時，500 kV GIS 斷路器至匯控柜中心總長定為8 200 mm 可以包絡不同廠家要求。

1.4 330 kV GIS電氣與土建接口

經調研，330 kV GIS 斷路器接線有雙母線和一臺半斷路器接線，以典型330 kV GIS 線路間隔為例，330 kV GIS斷路器布置范圍統計見表5所列。

表5 330 kV GIS斷路器范圍統計 mm

同理，通過整理不同廠家的電氣設備要求，GIS 室土建先行建設時，330 kV GIS 斷路器至匯控柜中心總長定為8 200 mm 可以包絡不同廠家要求。

2 戶內變GIS室結構留孔布置方案

對主流的220 kV GIS 設備、110 kV GIS 設備資料整理，戶內變GIS 室先行建設時結構留孔按包絡設計，根據研究，土建先行階段可以確定一次電纜開孔和主電纜溝定位，建議布置方案如下：

1) 220 kV GIS 設備的地面一次電纜開孔寬度1 500 mm，孔中心離出線方向墻體距離2 000 mm，一次開孔長度覆蓋相鄰電纜間隔。架空出線時外墻開長孔，孔中心離室內標高2 500 mm，孔高800 mm，孔上方預留過梁，長度覆蓋所有架空間隔。

2) 110 kV GIS 設備的地面一次電纜開孔寬度1 000 mm，孔中心離出線方向墻體距離2 400 mm，一次開孔長度覆蓋所有間隔。

3)所有一次電纜開孔范圍前期預留插筋和企口，后續根據設備資料二次現澆樓板。

以某220 kV 戶內變電站為例，220 kV 和110 kV GIS 室電氣留孔和電纜溝平面布置如圖3 和圖4 所示。220 kV GIS 室設備布置斷面如圖5 所示。

圖3 220 kV GIS室電氣留孔和電纜溝平面布置圖

圖4 110 kV GIS室電氣留孔和電纜溝平面布置圖

圖5 220 kV GIS室設備斷面布置圖

3 戶內變GIS室結構埋管布置方案

戶內變GIS 室先行建設時，本研究建議結構埋管布置方案如下。

110 kV 及220 kV GIS 室采用結構降板，在匯控柜前預留2 條600 mm×400 mm 的二次電纜溝。匯控柜柜底開孔與二次淺溝采用埋管形式連接，埋管分別埋設至兩條小電纜溝。溝壁采用素混凝土，電纜溝蓋板覆蓋。二次電纜通道詳圖如圖6 所示。

圖6 二次電纜通道詳圖

二次電纜溝采用淺埋式電纜溝方式，主要設備區域二次電纜不再進入電纜層，做到電纜層動力電纜和控制電纜敷設在不同區域的要求。

4 戶內變GIS室埋件布置方案

GIS 基礎及埋件數量眾多，不同廠家GIS基礎及埋件相差很大，目前尚無通用的可能。GIS 設備的埋件主要承擔向下的荷載，但在斷路器的位置可能承擔20～30 kN 的上拔荷載。戶內變GIS 先行建設時，很難確定埋件定位，本研究建議結構埋件布置方案如下：

考慮土建先行階段暫不實施埋件，利用GIS 室降板，為減少自重并滿足受力要求，結構板上澆筑高強度輕骨料混凝土層，強度等級為LC20～LC30。待GIS 招標確定之后，采用化學錨栓等后錨固方式固定。220 kV、110 kV GIS 室埋件多、布置分散，采用化學錨栓方式固定，可以靈活適應不同廠家要求，便于土建先行施工。

5 技術方案論證

在土建先行階段，戶內變GIS 室完成結構梁板和輕骨料混凝土層施工，布置一次電纜孔和二次電纜溝；根據設備全部上齊的原則，建筑電氣專業將動力照明、接地干線、火災報警等設施一次性上齊；暖通專業完成預估的通風量計算及風機設置。

在后續實施階段，根據最終電氣設備安裝需求，采用化學錨栓固定GIS 埋件，完成建筑面層施工，并完善匯控柜至二次電纜溝的埋管和空調冷凝水排水系統。

通過調研GIS 廠家資料包絡設計，本方案結構留孔、埋管等布置方案，可靈活適應不同廠家要求，無技術制約因素，可實施性強。

采用化學錨栓后錨固的研究相對較少，為進一步驗證技術方案的可行性，課題開展了化學錨栓在輕骨料混凝土基材中的受力性能試驗。通過試驗研究，通絲化學錨栓在輕骨料混凝土的破壞模式一般是拔出+混凝土椎體的混合型破壞，在試驗基礎上，通過對規范及相關文獻公式進行總結和數據擬合，得到混合型破壞抗拉承載力的計算公式為：

式中：NRd為混合型破壞受拉承載力設計值；NRk為混合型破壞受拉承載力標準值；γRp為混合型破壞受拉承載力分項系數，參考JGJ 145—2013《混凝土結構后錨固技術規程》按結構構件，γRp取為3.0；d為化學錨栓直徑；hef為錨固深度；τu為粘結強度，根據輕骨料混凝土強度的線性回歸τu= 0.297fc；α為破壞錐體角度，取35°；fc為輕骨料混凝土實測抗壓強度值；ft,k為混凝土抗拉強度標準值。

為方便工程應用，以16 mm 直徑化學錨栓為例，給出化學錨栓抗拉承載力的設計值，見表6 所列。輕骨料混凝土強度及粘接錨固性能滿足化學錨栓的要求，考慮預埋件的抗拔性能，建議輕骨料混凝土強度等級不低于LC20。

表6 8.8級16 mm直徑化學錨栓抗拉承載力設計值

與常規方案相比，本方案保證主體建筑結構不受設備資料制約，提高了專業配合效率，縮短了設計周期，并有效減少了后期土建工作量。但采用化學錨栓固定埋件，工程投資會略高于常規方案；預留孔洞也會多于常規方案，多余孔洞需在電氣安裝階段進行封堵。

6 結論

本文通過開展戶內變電站GIS 室土建先行方案研究，得到的主要結論如下：

1)通過整理不同廠家的電氣設備要求，GIS 室土建先行建設時，220 kV GIS 電纜筒中心至匯控柜中心定為7 700 mm，110 kV GIS 電纜筒中心至匯控柜中心定為6 200 mm，可以包絡不同廠家要求。

2)根據通用設備資料，GIS 室高壓電纜出線開孔及架空出線穿墻開孔，采用留長孔的形式，滿足不同廠家要求，且留孔覆蓋所有出線間隔。一次電纜開孔范圍前期預留插筋和企口，后續根據設備資料二次現澆樓板。

3) GIS 室結構降板，二次電纜溝采用淺埋式電纜溝方式，主要設備區域二次電纜不再進入電纜層，做到電纜層動力電纜和控制電纜敷設在不同區域的要求。

4) 試驗驗證表明，采用化學錨栓后錨固方式固定GIS 埋件，可以靈活適應不同廠家要求。