預制艙式變電站在高海拔環境下的應用

華電（那曲）新能源有限公司 郭海東 中國華電科工集團有限公司 王 波

1 引言

高海拔惡劣環境對變電站有著較高的要求和標準，在高海拔環境下傳統的變電站不僅建設較為困難，而且其電力設備的使用損耗也較為嚴重，檢修復雜，需要浪費大量的人力、財力資源。預制艙式變電站則是根據高海拔環境特點研發而成的一種便攜式變電站，其不僅能夠在平原地區進行安裝，而且還具有較強的抗風沙、保溫功能，能夠在惡劣的運行環境中為用戶提供充足的電力能源，將其安裝至高海拔環境中將有效的解決傳統變電站應用難題，以此來實現對高海拔地區供電的目的。

2 高海拔環境下的變電站運行挑戰與影響

2.1 高海拔環境特點和對電力設備的影響

高原具有較惡劣的自然氣候條件，其特征為空氣壓力或空氣密度較低、空氣溫度較低、溫度變化較大、空氣絕對濕度較小、太陽輻射照度較高、降水量較少、年大風日多、土壤溫度較低，且凍結期長[1]。惡劣的條件環境對變電站的運行所造成的影響也是極其嚴重的，電氣設備的運行會在惡劣條件下受到嚴重的磨損，而且維修難度大。

2.2 傳統變電站在高海拔環境中的限制和問題

高海拔地區土壤溫度低，凍土期長，對現場施工尤其是傳統的現場“濕法”施工不利，影響工期，而且變電站中大量的電氣設備運輸起來也較為困難，施工周期較長，且施工難度較高，所需要支出大量的施工成本。同時傳統變電站的防護能力比較弱，其在高海拔環境中會受到嚴重的磨損，電氣設備的使用壽命大幅度縮減。在高海拔環境中，施工條件也較為惡劣，對施工工人的正常生活也容易造成較大的影響和危害。

3 預制艙式變電站的適應性和優勢

3.1 預制艙式變電站的概述和特點

預制艙式變電站指的是由預制艙體和二次電氣設備組成的便攜式變電站，預制艙式變電站具有組裝簡便、抗風沙、保溫等特點，其能夠在工廠內完成對整體結構的生產、組裝工作，而后將其整體運輸到高海拔地區進行安裝，既能夠保證預制艙式變電站的功能作用全面發揮，又能夠減少預制艙式變電站安裝所需要消耗的時間，而且其抗風沙、保溫等特點也有利于提升其運行的安全性和穩定性，降低外界因素造成的影響，有利于促進高海拔地區電力系統的穩定運行。

3.2 預制艙式變電站在高海拔環境中的優勢分析

預制艙式變電站在高海拔地區應用的關鍵是其保溫防護能力和防風沙能力。艙體保溫主要由底座保溫、框架保溫、門板保溫、頂蓋保溫四大部分組成。底座保溫：底座夾層內填充聚氨酯發泡料，對于有出線、檢修的位置，需要架設擋邊防止泡料浸入，發泡厚度根據使用環境確定，不小于50mm，泡料容量不宜低于60kg/m3，聚氨酯泡料需添加防火劑，保溫層成型后需達到難燃級別。框架保溫：框架各立柱形成的空腔內需填充聚氨酯發泡料，發泡料應添加阻燃劑，保溫層成型后達到難燃級別，同時內外兩層金屬板設置有效的熱斷橋措施，避免外層熱量透過金屬層傳遞到內部。門板保溫：門板由內、外板、加強筋構成的空腔內需填充聚氨酯發泡材料發泡料應添加阻燃劑，保溫層成型后達到難燃級別，同時內外兩層金屬板設置有效的熱斷橋措施，避免外層熱量透過金屬層傳遞到內部[2]。頂蓋保溫：當其使用地點輻射照度在350W/m2[300kCal/(m2×h)]及以上時，頂板涂層采用抗太陽輻射能力強、高耐候性面漆，同時鋼板與骨架形成的腔體應填充保溫材料，保溫材料的厚度根據使用環境而定，最低不低于50mm。

4 項目概況

西藏華電那曲色尼區12萬kW 光伏發電電力保供項目位于西藏那曲市色尼區南側，場址區距那曲市直線距離約8km，地面海拔高程約4500～4600m。該項目采用“牧光互補”用地開發模式，項目擬建設條件地勢較為平坦，規劃總占地面約3.186km2，實際用地面積約1.5km2，場址區距西側G109國道約8km，場址區東側有村村通道路，交通較為便利。擬建場址區位于念青唐古拉山中段北麓，場址區三面環山，南側沿河谷延伸，地貌單元屬于高海拔丘陵山間洼地，地勢平坦開闊，起伏小，高程介于4450～4500m，總體地勢北高南低，坡度約0.5°～1°。地表發育高原草甸，局部有牧民人工圍欄。該工程項目為我國首例高海拔環境預制艙式變電站應用項目。

5 高海拔環境下預制艙式變電站的關鍵技術和措施

5.1 設計和選型考慮

當海拔升高時，氣壓隨之降低，空氣的絕緣強度減弱，使電器外絕緣能力降低而對內絕緣影響很小。因此在進行預制艙式變電站電氣設備設計與選型的時候便需要考慮其補償值的變化，例如西藏華電那曲色尼區12萬kW 光伏發電電力保供項目在選擇開關設備的時候，對于開關設備以其額定工頻耐壓值和額定脈沖耐壓值來鑒定絕緣能力，對于使用地點超過1000M時，應作適當的校正。空氣絕緣開關設備相間距較正常海拔有相應的增加，開關設備外形較正常海拔需相應增大，對于3000M 以上海拔，由于相間距增加值較大，開關設備外形增大程度較大，性價比和安全可靠性降低，故一般高海拔地區的高壓開關設備多采用氣體絕緣，避免了因海拔增加對空氣絕緣距離的影響。

5.2 絕緣材料和設備選用

由于高原地區交通極為不便，而且施工期短，因此，電氣設備的采購、運輸、安裝以及調試比平原地區有許多意想不到的困難[3]。所以，在電氣設備選用方面，要對設備的通用性、互換性、經濟適用性等各方面因素加以考慮。既需要保證電氣設備的性能能夠滿足高海拔地區的應用需求，又需要考慮其使用壽命等各方面因素，例如西藏華電那曲色尼區12萬kW 光伏發電電力保供項目在選用低壓電氣設備的時候，其動、靜觸頭和導電體以及線圈等部分的溫度隨海拔高度的增加而遞增。其溫升遞增率為海拔每升高100M，溫升增加0.1～0.5K，但大多數產品均小于0.4K。而高原地區氣溫隨海拔高度的增加而降低，其遞減率為海拔每升高100M，氣溫降低足夠補償由海拔升高對電氣溫升的影響。預制艙艙體密封如圖1所示。

圖1 預制艙艙體密封

5.3 冷卻系統設計和優化

預制艙式變電站冷卻系統是保障其功能作用穩定發揮的關鍵所在，在進行冷卻系統設計和優化的時候需要充分考慮預制艙式變電站所處高原惡劣環境造成的影響，高原地區晝夜溫差較大，預制艙式變電站冷卻系統則能夠對內部的溫度進行調節，確保滿足電氣設備的運行需求。預制艙式變電站冷卻系統主要由散熱器、中冷器和膨脹水箱組成，而在冷卻系統設計過程中也要做好其保溫與防沙功能，同時在冷卻系統運行過程中還需要對其進行實時監測，確保其一直處于可控范圍內，能夠最大化冷卻系統的應用效果。

5.4 氣候適應性和防護措施

預制艙式變電站具有較強的保溫防護能力和防風沙能力，一般情況下預制艙式變電站所處運行環境都是較為惡劣的，外界溫度的變化以及風沙等特殊天氣環境因素都將會對預制艙式變電站的正常使用造成嚴重的影響。而預制艙式變電站較強的防護能力則能夠使得其適應多數惡劣天氣，并針對風沙等特殊天氣進行防護，確保預制艙式變電站處于安全穩定運行狀態。預制艙可采用一體化焊裝工藝，比較開關柜分體制作與艙體之間的螺栓連接方案，一體化焊接方式整個變電站渾然一體，強度好，耐受長距離運輸以及現場多次吊裝的要求，體現在抗風性能上，效果最佳[4]。預制艙式變電站的整體密閉性是比較好的，而且其內部還安裝有微整壓空調等設備，一方面通過空調系統能夠對預制艙式變電站內部的溫度進行控制，將其維持在滿足預制艙式變電站設備運行需求狀態，另一方面通過空調系統則能夠對預制艙式變電站內的壓力進行控制，避免灰塵從外界進入預制艙式變電站內部，從而來保證預制艙式變電站內部運行的安全性和穩定性。艙體開門處采用汽車用雙層密封膠條，保證密封效果，其余部件結合處采用三元乙丙橡膠密封材料，進出線處采用密封件或防火泥封堵，保證艙內的密封環境，配合微正壓技術，達到艙內防塵、防潮、防凝露的效果。

6 高海拔環境下預制艙式變電站的安全可靠運行

6.1 高海拔環境下的運行條件監測和評估

為了確保預制艙式變電站在高海拔環境中安全穩定的運行，工作人員需要及時做好高海拔環境下運行條件的監測和評估工作，現階段我國常用的高海拔運行條件監測系統為“非接觸式GIS 母線位移監測評價系統”，通過該監測系統不僅能夠對預制艙式變電站所處運行環境的溫度、濕度等各方面因素條件變化情況進行監測，而且還能夠實時監測預制艙式變電站電氣設備的運行狀態，工作人員根據監測系統所提供的監測數據對預制艙式變電站的運行參數進行調整，便能夠有效的提高其運行的安全性和穩定性。

6.2 預防和應對高海拔環境帶來的風險

預制艙式變電站在高海拔環境中也可能會出現較大的安全運行隱患問題，因此在進行預制艙式變電站設計安裝的時候便需要做好高海拔風險的預防和應對措施。高海拔地區惡劣的環境條件容易對預制艙式變電站內的設備造成嚴重的磨損，而在進行預制艙式變電站安裝的時候便需要做好其防護功能，在進行預制艙式變電站設備材料選擇的時候需要保證內部元器件按照高寒地區選型，確保低溫下的正常工作運行，艙體結構相關密封材料選用耐低溫型，保證-40℃環境下可正常使用[5]。同時在預制艙式變電站應用過程中也要定期做好維護保養工作，及時更換磨損嚴重的電氣設備，以此來保證預制艙式變電站的整體運行安全性。

6.3 維護和檢修策略

高海拔環境條件對預制艙式變電站的應用效果造成的影響是較為嚴重的，維修人員需要及時做好預制艙式變電站電氣設備的維護保養工作，一方面維修人員需要縮短電氣設備的維護保養頻率，按照日、周、月制定對應的維護保養計劃，確保及時發現預制艙式變電站存在的安全隱患問題；另一方面維修人員則需要及時掌握電氣設備的使用壽命情況，并根據預制艙式變電站的應用需求及時對存在問題的電氣設備進行更換，盡可能地避免電氣設備故障問題的發生，以此來通過嚴格的維護保養制度延長預制艙式變電站電氣設備的使用壽命。

7 結語

預制艙式變電站在高海拔地區有著極其重要的應用，其較為良好的防風沙和保溫等功能能夠保護電力設備在高海拔惡劣環境中安全穩定地運行，降低惡劣外界因素對預制艙式變電站造成的影響。在未來的發展過程中，也要不斷提高預制艙式變電站的信息化程度，能夠更好地提高預制艙式變電站運行的安全性和穩定性，推動高原地區電力事業的快速建設發展。