預制艙式模塊化變電站關鍵技術及展望

郭紅斌 馬 馳 文正其

預制艙式模塊化變電站關鍵技術及展望

郭紅斌1馬 馳1文正其2

（1. 中廣核風電有限公司，北京 100070；2. 國網(wǎng)電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，武漢 430074）

本文從預制艙技術、集成技術及智能運維技術三個方面綜述預制艙式模塊化變電站（簡稱預制艙式變電站）的關鍵技術現(xiàn)狀，主要包括：①探討預制艙主體結(jié)構(gòu)荷載分析技術，研究艙體各部件材料選擇方法，討論目前艙體的防腐技術和保溫隔熱技術；②綜述預制艙式變電站電氣設備預裝范圍和方法、現(xiàn)場基礎技術及艙體現(xiàn)場拼接技術；③分析當前變電站智能運維技術在預制艙式變電站中的應用，提出預制艙式變電站智能運維構(gòu)想。最后，展望新技術、新材料在預制艙式變電站中的應用，如建筑信息模型（BIM）和數(shù)字孿生技術在整站全生命周期中的應用，以及“太空衣”等新材料在預制艙保溫隔熱中的應用等。

預制艙；模塊化；變電站；荷載分析；一體化監(jiān)控

0 引言

隨著我國社會經(jīng)濟發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模進一步擴大，電網(wǎng)建設與城市建設之間的矛盾日益突出，主要表現(xiàn)在土地資源稀缺和用電量激增、用戶對提高供電可靠性和對縮短建設工期的迫切需要，例如城市中心地區(qū)負荷快速增長對變電站建設緊急需求、工業(yè)園區(qū)新引入的工業(yè)用電大戶急需110kV電源點支撐、應對配電出線回路不足等情況的老舊變電站增容改造、因政治經(jīng)濟文化活動區(qū)域的需要臨時提高供電可靠性等情況。傳統(tǒng)的建站速度和建站模式難以滿足要求，采用模塊化、靈活快速、可靠先進的新型變電站建站模式非常契合以上需要。目前，國內(nèi)外開展了預制艙式模塊化變電站（簡稱預制艙式變電站）建設，如國家電網(wǎng)公司在2013年提出標準配送式變電站的概念，實現(xiàn)變電站“標準化設計、工廠化生產(chǎn)、裝配式建設”的目的；國外ABB、西門子、施耐德等大型電氣設備廠商研制了E-house、Power House等模塊化鋼結(jié)構(gòu)戶外箱式變電站或開關站[1-3]。除在電力系統(tǒng)內(nèi)，在石油和化工、礦山和冶煉、新能源、海上風電升壓站、數(shù)據(jù)中心等領域，預制艙式變電站因其建站速度快、占地面積小、現(xiàn)場施工量低等特點，也得到了很好的推廣應用[4-6]。

本文從預制艙式變電站應用現(xiàn)狀出發(fā)，探討預制艙技術、集成技術及運維技術，分析國內(nèi)外最新研究成果和進展，并結(jié)合目前國內(nèi)變電站建設和運維技術發(fā)展方向，展望預制艙式變電站技術發(fā)展趨勢，為以后更好地開展預制艙式變電站研究、制造和運維等工作提供參考。

1 預制艙式變電站概述

預制艙式變電站是將主變、高壓配電裝置布置在戶外或預制艙內(nèi)，中壓配電裝置、二次設備等預制在艙內(nèi)，在工廠完成設計、組裝、配線、調(diào)試等工作，在現(xiàn)場進行模塊化快速拼接安裝而成的變電站。與常規(guī)建站模式相比，具有施工時間短、占地少、外觀與環(huán)境協(xié)調(diào)、可深入負荷中心等特點[7-10]。另外，預制艙式變電站通過在工廠預制和成套供貨，還能有效降低項目采購成本、項目工程管理資源需求及接口設計風險等。但是，其在后期使用過程中也存在一些不足，如艙體防腐不足導致艙體銹蝕降低使用壽命、艙體保溫隔熱不良導致產(chǎn)生凝露和空調(diào)設備用電量增加、緊湊化設計導致檢修空間有限等。常規(guī)變電站和預制艙式變電站對比見表1。

表1 常規(guī)變電站和預制艙式變電站對比

（續(xù)表1）

2 預制艙式變電站預制艙技術

2.1 預制艙主體結(jié)構(gòu)及材料選擇

基于電氣設備的重要性及其使用環(huán)境的要求，尤其是戶內(nèi)使用的電氣設備，如二次柜、開關柜、交直流系統(tǒng)等，需保證預制艙內(nèi)溫度、濕度、消防、密封、防腐等性能或功能滿足設備正常運行要求，同時預制艙整體結(jié)構(gòu)強度也應能承受吊裝、積雪、大風、地震等荷載，艙體設計使用壽命也應匹配變電站設計壽命[11]。為滿足以上要求，預制艙結(jié)構(gòu)設計和材料的選擇非常重要。

目前，預制艙底座一般采用高強度H型鋼、槽鋼、型鋼和槽鋼全焊接組合方式。墻體通常用型鋼一體式框架全焊接結(jié)構(gòu)或全栓接結(jié)構(gòu)[12-13]。預制艙底座和墻體框架如圖1所示[13]。

圖1 預制艙底座和墻體框架

高運動等學者針對全焊接結(jié)構(gòu)型式的預制艙的吊裝、積雪、地震等荷載，進行有限元結(jié)構(gòu)力學分析，應力和變形均滿足國標GB 50009等規(guī)范要求，不會發(fā)生永久變形、開裂或覆蓋件脫落等[14]。

預制艙墻體圍護采用“兩層夾芯”結(jié)構(gòu)，即外墻層、內(nèi)墻層、中間保溫層。本文依據(jù)收集的國內(nèi)預制艙墻體各層使用的材料，針對質(zhì)量、價格、強度、防火、施工難度等評判指標采用層次分析法（analytic hierarchy process, AHP）進行決策分析，建議選取綜合性能優(yōu)的部件材料。艙體外墻、夾層、內(nèi)墻常用材料見表2[15-16]。

2.2 預制艙防腐技術

預制艙外露于大氣環(huán)境下，會與大氣中CO2、SO2、水分等發(fā)生電化學反應，引發(fā)大氣腐蝕，如當空氣濕度較高、水薄膜在金屬表面形成連續(xù)電解液時，腐蝕速率快速增加，而當水膜厚度進一步增加時，氧氣的流動受到限制，腐蝕速率放緩。另外，大氣中CO2和SO2溶入金屬表面水薄膜，形成酸性物質(zhì)，促進金屬腐蝕，在表面形成腐蝕坑，并發(fā)展成為應力腐蝕，導致鋼結(jié)構(gòu)抗冷脆性能等不斷下降，加大脆性斷裂風險，降低鋼結(jié)構(gòu)承載能力和抗地震能力，危及人和設備安全[17-18]。圖2為某站預制艙底架銹蝕情況，該預制艙底架經(jīng)過噴砂、熱浸鋅處理后，采用瀝青漆進行重度防腐處理，但底座下方的電纜溝通風條件差且常年積水，造成濕度大而使底架發(fā)生腐蝕。

圖2 預制艙底架銹蝕情況

因此，在艙體設計時應根據(jù)具體條件采取防大氣腐蝕設計。文獻[19]規(guī)定，二次設備預制艙經(jīng)過防腐處理的部件，在中性鹽霧試驗最少196h后應無金屬基體腐蝕現(xiàn)象。目前，框架、門及頂蓋一般采用優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板或耐候鋼經(jīng)噴砂、熱噴鋅防腐處理工藝，再通過涂層法處理[20-21]。涂層法處理方法：依照ISO 12944系列標準，根據(jù)艙體所處的腐蝕環(huán)境類型、耐久性要求、鋼結(jié)構(gòu)表面類型等，選擇最合適的防腐涂層體系，涂層體系的干膜總厚度一般要求達到240mm以上。目前，國內(nèi)預制艙涂層體系主要為：底漆采用環(huán)氧富鋅底漆或無機富鋅底漆，厚度在40～80mm間進行調(diào)整。中間漆采用環(huán)氧（云鐵）中間漆，厚度在50～200mm間進行調(diào)整。面漆可以采用丙烯酸聚氨酯面漆，厚度在50～80mm之間[22-23]。為實現(xiàn)預制艙式變電站在C4大氣環(huán)境腐蝕作用下25年使用年限的目標，文獻[24]提出一種“高耐候防腐技術”，即采用六道防腐工藝，分別是噴砂、吹塵、電弧熱噴鋅、噴環(huán)氧富鋅底漆、噴涂環(huán)氧中間漆、噴涂丙烯酸聚氨酯面漆。

綜上所述，在預制艙式變電站設計前，宜根據(jù)現(xiàn)場大氣腐蝕環(huán)境開展差異化防腐蝕設計和選材，以有效控制腐蝕速率，實現(xiàn)差異化防腐，避免防腐不足或過度防腐，從而達到經(jīng)濟和效益最佳的目的。

2.3 預制艙保溫隔熱技術

良好的保溫隔熱性能可使預制艙達到節(jié)能和抑制艙內(nèi)凝露的效果。若保溫隔熱性能差，則艙內(nèi)外熱對流強，導致空調(diào)能耗大，同時在保溫薄弱點易產(chǎn)生“冷橋”，導致凝露的發(fā)生，進而引起設備金屬結(jié)構(gòu)腐蝕和設備絕緣性能下降，降低設備運行的可靠性。

預制艙保溫隔熱設計主要涉及保溫隔熱結(jié)構(gòu)設計和空調(diào)系統(tǒng)設計兩方面。在保溫隔熱結(jié)構(gòu)設計方面，重點考慮墻體、艙頂、底座關鍵部位設計，防止“冷橋”、保溫隔熱性能差、密封不嚴等問題。在墻體和艙頂方面，采用“兩層夾芯”結(jié)構(gòu)，保溫層應用傳熱系數(shù)小的保溫材料[25]，根據(jù)表2可選擇巖棉和聚氨酯泡沫等保溫材料，前者耐火等級A屬不燃，采取成品掛裝工藝，艙內(nèi)照明等配電線路暗敷相對困難；后者耐火等級B屬難燃，采取車間噴涂工藝，連續(xù)性好，利于艙內(nèi)暗敷配電線路，施工相對簡單，保溫結(jié)構(gòu)如圖3所示。門板采用雙層金屬結(jié)構(gòu)，運用類似“冰箱”的保溫措施與工藝，中間運用發(fā)泡填充工藝，以實現(xiàn)保溫功效。底座保溫采用厚巖棉板或厚巖棉夾芯板，同時表面鋪設防靜電地板等，提高預制艙整體保溫效果[26]。

（a）巖棉保溫 （b）聚氨酯泡沫保溫

凝露現(xiàn)象與艙內(nèi)溫度及濕度相關，當物體表面溫度達到相應條件的露點溫度時，就會產(chǎn)生凝露。針對凝露控制，主要有溫度控制法、濕度控制法及溫濕度雙向控制法[27]。濕度控制需要考慮艙體結(jié)構(gòu)工藝和除濕兩方面。在結(jié)構(gòu)工藝方面，預制艙結(jié)構(gòu)需保證密封完好，防止外部水汽進入預制艙內(nèi)部，如預制艙內(nèi)設置集中接口柜，艙門采用迷宮式防水結(jié)構(gòu)、艙頂接縫處折彎后滿焊外加U形蓋板、采用底部進線方式并進行封堵等[28]，另外艙體還可采取微正壓措施。溫度控制也需從結(jié)構(gòu)工藝和提高溫度兩方面考慮。結(jié)構(gòu)工藝方面，預制艙結(jié)構(gòu)需保證艙體保溫性能良好，避免艙體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)“冷橋”缺陷，可采用防“冷橋”螺釘和防“冷橋”檁條等設計措施。提高溫度方面主要依靠空調(diào)系統(tǒng)。艙內(nèi)設置自動啟停空調(diào)系統(tǒng)和高濕排風裝置，空調(diào)系統(tǒng)的冷、熱負荷依據(jù)箱體內(nèi)結(jié)構(gòu)負荷、室內(nèi)各電器設備負荷進行計算，根據(jù)運行經(jīng)驗，宜增加20%左右的余量[29]。

2.4 預制艙荷載分析

為保證預制艙體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，預制艙需滿足艙體和電氣設備自重等永久荷載，積雪和覆冰、風荷載、吊裝荷載等可變荷載，以及地震等偶然荷載工況設計要求。文獻[30]提出對預制艙積雪和覆冰、風荷載的校核方法，根據(jù)項目地氣象情況，求取艙體雪荷載標準值和風荷載標準值，再利用有限元法分析在標準荷載下預制艙變形和應力分布情況，判斷是否滿足工程要求，但其主要是分析單獨荷載對預制艙的影響，并未分析不同荷載共同作用對預制艙的影響，其中雪荷載和覆冰荷載標準值與風荷載標準值均按文獻[31]中附錄E方法進行計算。文獻[32]根據(jù)使用過程中在被校驗結(jié)構(gòu)上可能同時出現(xiàn)的荷載，按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進行荷載組合，并取各自最不利的組合進行靜力分析，各荷載的具體計算方法參考建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，但規(guī)范中吊車荷載指安裝在被校驗結(jié)構(gòu)上的行吊等，在吊裝其他物體過程中傳遞的力，與吊裝預制艙結(jié)構(gòu)本身時的力對預制艙結(jié)構(gòu)的影響不一樣，因此該規(guī)范并不適用。

目前，針對預制艙吊裝荷載校核主要有兩種方法：一種是采用有限元進行分析，利用Ansys Workbench等仿真設計軟件，分析不同吊點位置對預制艙底座彎曲剛度的影響，盡量使底座端部變形和中間部位變形接近，使整體最大變形量較小，底座整體彎曲剛度達到最大的最佳吊點位置[33]；另一種是簡易計算校核方法，文獻[34]采用簡易校核方法，通過計算底座鋼架撓度的大小來衡量底座受力后的變形量，判斷吊裝是否存在破壞性形變，吊裝時主要考慮重力、慣性力和點動沖擊力三種力的影響。預制艙吊裝力學分析如圖4所示，具體算法如下。

圖4 預制艙吊裝力學分析

1）計算重力。包括預制艙體自重和艙內(nèi)電氣設備重力。

2）計算起重時行車起吊速度所產(chǎn)生的慣性力。

式中：為吊車加速度；為重力加速度。

3）計算起重操作中“點動”形成的縱向沖擊 荷載。

式中：為吊裝速度；為吊索彈性模量；為吊索截面積；為吊索長。

5）當預制艙底架受到最大撓度時，其底架中點最大應力為

式中：max為最大彎矩；xs為槽鋼截面系數(shù)。

3 預制艙式變電站集成技術

3.1 預制艙內(nèi)設備預制技術

預制艙式變電站按照設備預制程度可分為全預制式和部分預制式。全預制式將包括變壓器在內(nèi)的所有電氣設備均預制在預制艙內(nèi)，現(xiàn)場只需做基礎、接地、模塊間及模塊和電網(wǎng)系統(tǒng)間接線等工作。部分預制式一般對變壓器或變壓器和高壓配電裝置等采取室外安裝方式，二次模塊和中壓配電模塊采用預制艙方式，預制艙式變電站主要模塊如圖5所示。

圖5 預制艙式變電站主要模塊

將110kV預制艙式變電站按照設備預制的可操作性、費用成本、時間成本、節(jié)地等方面進行評估分析，分為推薦預制、可預制和不推薦預制三個級別。主要設備預制范圍推薦見表3，表3中預制小件包括小型預制基礎（包括路燈、端子箱、氣體絕緣金屬封閉開關設備（gas insulated switchgear, GIS）母線過橋支墩、空調(diào)室外機等小型基礎）、預制式雨水口及集水井、預制式排水溝、預制壓頂及電纜溝蓋板、預制式巡視小道及操作地坪。

表3 主要設備預制范圍推薦

變壓器模塊預制方面，由于變壓器質(zhì)量重、體積大及散熱要求高等原因，一般不采用預制艙式。若采用預制艙式，主要有兩種方式：一種是變壓器本體預制在艙體內(nèi)，散熱器安裝在戶外并采用圍欄遮擋；另一種分為變壓器預制艙和散熱器預制艙兩部分，在散熱器預制艙合理設置散熱孔和風機等，以滿足熱工要求。變壓器進出線一般采取電纜方式，可省去變電架構(gòu)。

高壓配電裝置模塊預制方面，為便于預制和降低預制艙的尺寸，高壓配電裝置應選取緊湊型組合電器，艙內(nèi)設備整體布置根據(jù)間隔數(shù)量和項目現(xiàn)場地形進行設計，可選擇橫向分艙結(jié)構(gòu)或縱向分艙結(jié)構(gòu)，高壓配電裝置模塊分艙結(jié)構(gòu)如圖6所示。現(xiàn)場組裝時，相鄰的預制艙GIS模塊通過法蘭連接，并采用密封環(huán)進行密封。

中壓配電裝置模塊預制方面，宜選擇緊湊型、壽命長、免維護的開關柜，如充氣柜。設備和預制艙的固定方式采用螺栓或點焊固定。預制艙內(nèi)開關柜可采取單列或雙列布置，各種通道的最小寬度（凈距）滿足標準要求，預制艙設置泄壓通道。

二次系統(tǒng)模塊預制方面，自采用預制艙式二次組合設備以來，預制艙內(nèi)屏柜經(jīng)歷單列布置、機柜前后接線方式，到“前接線、前顯示”的雙列布置方式，以上方式都存在艙體及屏柜重復防護處理、屏柜內(nèi)空間利用率不高、艙體尺寸過大、屏間連線多、接線復雜等問題[35]，目前國內(nèi)二次廠商提出預制艙式二次組合機架式結(jié)構(gòu)方案，機架式結(jié)構(gòu)采用多層次標準化設計體系，將機架式結(jié)構(gòu)與預制艙本體結(jié)構(gòu)統(tǒng)一制造、安裝[36-37]，空間利用率高，接線也相對方便。二次走線采取“工廠預制敷設，光纜電纜隔開，對外集中進出線”的方式，二次預制艙線纜走線通道如圖7所示。

圖6 高壓配電裝置模塊分艙結(jié)構(gòu)

圖7 二次預制艙線纜走線通道

艙內(nèi)二次設備的連接采用預制光纜和預制電纜方式，如柜內(nèi)二次裝置間連接采用跳纖、艙內(nèi)不同屏柜間二次裝置連接宜采用尾纜、現(xiàn)場戶外柜與預制艙光纖連接采用雙端預制光纜，實現(xiàn)即插即用。

3.2 預制艙現(xiàn)場基礎技術

預制艙現(xiàn)場基礎主要有電纜溝式、鋼筋水泥墩式[38]和鋼支柱式[38]三種，預制艙現(xiàn)場基礎如圖8所示。采用電纜溝的方式，艙體密封性和保溫性能更好，整站外觀更為整潔，但在通風不良的情況下，因電纜溝濕度高，存在凝露、霉變等現(xiàn)象，加速預制艙底座的腐蝕。除基礎設計和施工時優(yōu)化通風排水情況下，有條件宜安裝排水、除濕和排氣等裝置，以降低電纜溝濕度，延長預制艙使用壽命。

圖8 預制艙現(xiàn)場基礎

文獻[39]預制艙式變電站基礎采用鋼筋水泥墩或者鋼支柱，通風性能遠強于電纜溝式，變電站基礎通常離地2m，電纜夾層附著底座之下，電纜安裝方便。水泥墩具備防銹、抗腐、不易變形和價格低等優(yōu)點。鋼支柱式基礎工廠生產(chǎn)預裝、現(xiàn)場快速拼裝，但防銹抗腐能力要求高，運維檢修時不如電纜溝式方便。

3.3 預制艙現(xiàn)場拼裝技術

預制艙主要分為Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型[40]，但實際工程項目中，由于設備較多，同時為了運維檢修方便，采用一個預制艙難以滿足要求，需要采用兩個或多個同型號的預制艙拼接成組合式預制艙。拼接主要有對艙體長度、寬度方向擴展兩種方式，預制艙現(xiàn)場拼裝示意見表4[41]，可根據(jù)艙內(nèi)設備布置方式和數(shù)量進行選擇。

艙體單元在吊裝、運輸和拼接過程中，安裝三角輔助支撐結(jié)構(gòu)，并在艙體拼接完成后拆除，以彌補由于缺少一面或兩面艙壁帶來的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題。預制艙底、艙頂、艙壁拼接一般采用螺栓連接，在拼縫處涂抹密封膠或貼密封膠條，并通過預留孔洞注入保溫材料，提高艙體保溫性能。但在艙頂屋面處理時，除以上處理方式外，還需在拼縫上方增加蓋板，防止拼縫開裂漏水等隱患[42-43]。

表4 預制艙現(xiàn)場拼裝示意

在建站土地面積受限的地方，可采取雙層預制艙建站模式，單、雙層預制艙變電站如圖9所示。雙層艙艙體骨架分上下兩層，每層骨架整體焊接，上下層骨架堆積需保證足夠的強度和剛度[44]。

4 預制艙式變電站智能運維技術

為實現(xiàn)預制艙式變電站無人值守，除采用傳統(tǒng)“四遙”外，變電站輔助監(jiān)控一體化綜合監(jiān)控平臺也是非常重要的一環(huán)，主要包括：一次設備在線監(jiān)測系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、環(huán)境信息子系統(tǒng)、智能控制子系統(tǒng)、安全警衛(wèi)子系統(tǒng)、門禁子系統(tǒng)、火災消防子系統(tǒng)。一次設備在線監(jiān)測系統(tǒng)配置建議見表5。預制艙式變電站可將以上系統(tǒng)進行工廠內(nèi)預制和調(diào)試，不僅降低了現(xiàn)場的工作量，也有利于提升監(jiān)測的可靠性，相比傳統(tǒng)站更具優(yōu)勢。智能輔助一體化綜合監(jiān)控平臺示意圖如圖10所示。

一體化綜合監(jiān)控平臺可通過變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合氣象、溫濕度、水位、有害氣體、煙霧等傳感技術，對采集數(shù)據(jù)進行綜合分析，實現(xiàn)變電設備運行環(huán)境狀態(tài)自我感知，及時推送設備安全運行風險預警。如根據(jù)溫度、水量傳感器及天氣預報信息，對大風、洪澇、雷電等自然災害進行預警；根據(jù)煙霧、視頻監(jiān)控，結(jié)合設備溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)預制艙內(nèi)火災隱患的監(jiān)測和感知，并與滅火裝置形成智能聯(lián)動，實現(xiàn)自動觸發(fā)、及時滅火；利用圖像自動識別技術，監(jiān)控變電站內(nèi)小動物活動情況及外來人員闖入等[45]。

注：■—應配置，￡—可配可不配，×—不配置，/—無此設備。

圖10 智能輔助一體化綜合監(jiān)控平臺示意圖

在火災方面，由于預制艙式變電站大部分設備預制在艙體內(nèi)，為避免損失或?qū)p失降至最小，提前預測火情發(fā)展趨勢并做出預警非常重要。傳統(tǒng)的煙霧探測設備難以在極早期發(fā)現(xiàn)火情隱患，往往在火情發(fā)展到一定階段后才能發(fā)出報警，導致錯過最佳處理時機。文獻[46]提出極早期火災預警系統(tǒng)，運用微粒子計數(shù)器技術將不可見的次微粒子以物理方式放大，使火災極早期的不可見次微粒子放大至肉眼可見，再以光電設備偵測其數(shù)量，當微粒子計數(shù)器達到報警值時，表示現(xiàn)場散布有高濃度的熱釋粒子，表明現(xiàn)場設備或材質(zhì)有過度加熱的情況發(fā)生，為預制艙式變電站火災預警提供了一種及時可靠的方案。

在巡檢方面，部分電力公司開展了變電站高清視頻與機器人聯(lián)合巡檢系統(tǒng)技術研究，通過滿足B接口協(xié)議、機器人系統(tǒng)協(xié)議一致性要求，實現(xiàn)高清視頻和機器人互聯(lián)互通，拓展視頻及機器人巡檢功能，采用圖像識別、紅外測溫、聲音檢測等手段，實現(xiàn)變電站安全管控、設備狀態(tài)智能識別分析和環(huán)境狀態(tài)感知，解決機器人存在巡視盲區(qū)和檢測數(shù)據(jù)準確度低、高清視頻機動靈活性不足和巡檢識別準確度受外部環(huán)境影響等問題。聯(lián)合巡檢系統(tǒng)架構(gòu)如圖11所示。

5 預制艙式變電站技術展望

1）開展三維建模和建筑信息模型技術在預制艙式變電站設計中的應用

目前，電網(wǎng)公司正在推進三維設計在變電站建設工程中的應用。國家電網(wǎng)基建技經(jīng)〔2019〕10號文要求，對未按文件要求開展設計招標、應用三維設計的工程，原則上不予安排初步設計評審。預制艙式變電站是工廠預制和現(xiàn)場搭積木式安裝相結(jié)合的建造方式，采用建筑信息模型（building infor- mation modeling, BIM）技術結(jié)合國網(wǎng)GIM（grid information modeling），聯(lián)合業(yè)主方、設計院、咨詢單位、施工單位、監(jiān)理單位、供應商等多方協(xié)同，實現(xiàn)虛擬建造，進行方案體驗、論證和優(yōu)化，解決專業(yè)間“錯、漏、碰、缺”問題，不僅能提高預制艙式變電站在設備招標、施工招標、施工組織（尤其是重要交叉跨越的空間距離校驗）、檔案移交等環(huán)節(jié)的質(zhì)量和效率，還能為后期運維技術數(shù)字化和可視化提供基礎模型和數(shù)據(jù)支撐。

2）探索數(shù)字孿生技術在預制艙式變電站設計和生產(chǎn)中的應用

利用數(shù)字孿生技術的高保真建模與仿真、虛實映射、全生命周期數(shù)據(jù)有效管理等典型特征[47-48]，在設計生產(chǎn)階段，通過建立預制艙式變電站數(shù)字孿生體，除預制艙、艙內(nèi)電氣設備、輔助設施等具體設備外，還可采用無人機傾斜攝影的方式對地形地貌，以及勘測的水文地質(zhì)數(shù)據(jù)進行實景建模，實現(xiàn)現(xiàn)場環(huán)境孿生，再從力學、熱學、電磁學、空間布置等方面進行高精度仿真優(yōu)化，確定初步的設計、加工工藝和整站優(yōu)化布局方案，然后在虛擬工廠進行虛擬制造，從而對設備的可制造性、裝配的干涉問題及裝配順序問題進行仿真驗證。在原型設計階段可導出模型提供虛擬現(xiàn)實體驗，讓客戶提前體驗產(chǎn)品，實現(xiàn)所見即所得。

在運維階段，預制艙式變電站成套提供商在提供產(chǎn)品的同時提供產(chǎn)品的數(shù)字孿生體，用戶可以基于傳感器和無人機等多個信息采集來源實現(xiàn)數(shù)字孿生模型的持續(xù)更新，實現(xiàn)數(shù)字模型和實物無縫匹配，同時實時獲取設備監(jiān)控系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)故障預判和及時維修，支撐設備檢修計劃排程。

3）研究預制艙式變電站綜合節(jié)能技術

預制艙式變電站艙內(nèi)空間相對比較緊湊，且在日照和設備自身發(fā)熱的作用下，尤其夏季往往需要空調(diào)等設施進行調(diào)溫，以保證設備在正常環(huán)境下運行，因此研究預制艙節(jié)能技術是有意義的課題，也符合綠色建站理念。預制艙式變電站的節(jié)能應從系統(tǒng)角度考慮，不僅需考慮預制艙和電氣設備本身，還需考慮變電站選址布置、設備運行方式、無功補償配置等，如設計階段應結(jié)合項目現(xiàn)場地理、水文條件等選擇預制艙朝向位置，盡量避免東西向日曬和冬季主導風向等；預制艙結(jié)構(gòu)設計方面應選擇合理的保溫厚度和保溫材料，并合理設置艙體呼吸口，確保艙內(nèi)外可以換氣，但又不至于造成艙內(nèi)外環(huán)境溫度同化等[49]；設備選擇方面宜選用低損耗型先進裝備，如節(jié)能型變阻抗變壓器、自動啟停的智能節(jié)能空調(diào)、節(jié)能燈等，運行階段選擇變壓器經(jīng)濟運行方式，使變壓器損耗降到最低，配置合理的無功補償裝置并選擇經(jīng)濟運行方式，使功率因數(shù)處于最優(yōu)水平，以降低系統(tǒng)損耗[50]；建立預制艙式變電站能耗管理平臺，對變電站能耗進行監(jiān)測和分析，為后續(xù)節(jié)能優(yōu)化改造提供數(shù)據(jù)支撐。

4）基于物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等先進信息通信技術，實現(xiàn)預制艙式變電站運檢智能高效

利用預制艙式變電站工廠化集成調(diào)試的特點，將狀態(tài)監(jiān)測設備、數(shù)據(jù)存儲和計算設備、通信設備等在工廠內(nèi)完成安裝調(diào)試，降低現(xiàn)場后期安裝協(xié)調(diào)難度，提高智能設備的可靠性。在狀態(tài)監(jiān)測方面，采用智能化電氣設備，利用光纖、振動、超聲等傳感器和本體進行一體化設計，提高監(jiān)測的準確度和可靠性[51]；在巡檢方面，結(jié)合實物ID數(shù)據(jù)融合技術，采取聯(lián)合巡檢技術，充分發(fā)揮高清視頻、紅外、機器人等智能感知設備的優(yōu)勢，實現(xiàn)無盲點無人巡檢[52]；在數(shù)據(jù)存儲和分析方面，針對大量的監(jiān)測和巡檢數(shù)據(jù)，可采取邊緣計算技術，就地分析采集的數(shù)值數(shù)據(jù)和識別圖譜數(shù)據(jù)，對存在問題的設備，將信息推送至上層云平臺，再結(jié)合帶電檢測、不良工況、運行信息和停電試驗等多狀態(tài)量，以及設備缺陷、故障案例庫等數(shù)據(jù)，在平臺層面通過大數(shù)據(jù)、深度學習、語義識別等算法進行更準確的診斷和分析，并提出有效的檢修策略，實現(xiàn)設備狀態(tài)實時預警、設備缺陷自動分析、處理策略主動推送等，提高預制艙式變電站運維效率[53-54]。

5）探索氣凝膠等新材料在預制艙設計中的應用

相對于土建房來說，隔熱保溫是預制艙設計重要的關注點，隔熱保溫性能影響艙內(nèi)設備運行環(huán)境和節(jié)能效果。氣凝膠等新型材料具備低導熱系數(shù)和良好的防火性能，常用于太空衣夾層隔熱、返回艙熱涂層保溫隔熱等軍工航天領域，近來在儲油罐、住宅表面、核酸采樣艙等民用領域也得到大量應用。據(jù)分析，其僅需聚氨酯厚度的1/5～1/3，即可達到同等保溫效果[55-57]。賈恒杰提出將相變材料應用于變電站二次設備艙，經(jīng)分析表明采用相變材料后二次設備艙的散熱性能可提高25%[58]。因此，探索氣凝膠、相變材料[59]等新型材料在預制艙體中的應用，能提高艙體保溫性能，降低艙內(nèi)能耗。

金屬防腐是預制艙式變電站后期運維的另一重要關注點，進一步開展防腐涂層體系研究，開發(fā)應用涂層現(xiàn)場檢測或監(jiān)測技術。隨著防腐材料向綜合性能優(yōu)異、厚膜、環(huán)保、易施工等方向發(fā)展，探索純聚脲涂層、生物基涂料等新型材料在預制艙防腐涂層體系中的應用十分必要。

6 結(jié)論

1）預制艙式建站模式具備“設計理念新、設備技術新、建設模式新”的特點，實現(xiàn)了工廠化生產(chǎn)調(diào)試和現(xiàn)場積木式裝配，為變電站建設走向科技含量高、資源消耗低、建站效率高、項目管理精細化提供了一種有效途徑。

2）預制艙作為預制艙式變電站的重要部件。防腐方面，目前主要采用底漆、中間漆和面漆三層防腐涂層體系，涂層干膜厚度和涂層材料選擇宜依據(jù)大氣腐蝕環(huán)境開展差異化防腐設計；保溫隔熱方面，艙體圍擋填充巖棉或聚氨酯泡沫等保溫材料，設計時應考慮防冷熱橋設計，避免或減少凝露的產(chǎn)生；力學性能方面，艙體采用一體式框架全焊接結(jié)構(gòu)或全栓接結(jié)構(gòu)，應滿足雪壓、風載荷、地震、吊裝等受力場景。

3）預制艙式變電站目前可采取全預制或部分預制的方式，全預制技術工廠化集成程度更高、現(xiàn)場施工量更少，是預制艙式變電站未來研究的方向。

4）預制艙式變電站一、二次設備均實現(xiàn)工廠化安裝調(diào)試，由集成商成套供貨，有利于打破一、二次界限，實現(xiàn)在線監(jiān)測、智能巡檢設備等與變電站同時設計、安裝及調(diào)試，降低協(xié)調(diào)風險，提高可靠性。

5）先進設計技術、智能運維技術、新材料研發(fā)和應用及節(jié)能環(huán)保技術的研究等，將助推預制艙式變電站技術的發(fā)展。

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Key technologies and prospect of prefabricated cabin substation

GUO Hongbin1MA Chi1WEN Zhengqi2

(1. CGN Wind Energy Limited, Beijing 100070;2. Wuhan NARI Limited Company of State Grid Electric Power Research Institute, Wuhan 430074)

The key technical status of prefabricated cabin substations is summarized from three aspects: prefabricated cabin technology, integrated technology and comprehensive monitoring technology. Load analysis technology on the prefabricated cabin main structure is investigated, selection method of material for each part of the cabin is studied, and the anti-corrosion and thermal insulation technology of the cabin is reviewed. The preinstalled range and method of electrical equipment, foundation technology and cabin splicing technology on site is summarized. The application of substation auxiliary integrated monitoring platform etc. in prefabricated cabin substation is analyzed. Finally, the application of new technologies in prefabricated cabin substations is prospected, such as the application of building information modeling (BIM) and digital twin technology in the entire life cycle of the whole station, as well as the application of new materials such as “space suit” in the thermal insulation of prefabricated cabins.

prefabricated cabin; modularity; substation; load analysis; integrated monitoring

2023-05-22

2023-06-29

郭紅斌（1981—），男，高級工程師，主要從事新能源發(fā)電數(shù)字化智慧運維技術研究工作。

中廣核集團尖峰計劃項目（020-GN-B-2022-C45-P.0.99-01171）