預制艙式變壓器室結構設計研究與應用

廣東電網有限責任公司中山供電局 肖 星 王振剛 王曉強 侯 偉 劉文平 張晴晴

隨著城市電力負荷需求的不斷增大，新建變電站規模與數量迅速增長。為解決傳統變電站占地面積廣、基建周期長等問題，預制艙式變電站逐漸興起[1-2]。所謂的預制艙是將變電站的各類設備預先在工廠進行集約化定制和組裝，然后將各類設備配置在形似集裝箱的艙室中，待變電站完成基礎土建作業后，即可進場裝配，大大縮短了變電站的建設周期，同時其集約化的設計也將變電站的占地面積大幅縮減，具有顯著的經濟效益。

變壓器是變電站中的核心電氣設備。傳統變電站中，變壓器由于體積較大，普遍處于敞開式環境中，易受到外力破壞，如有飄浮物等飄落在變壓器的導電部位，極有可能造成單相接地或相間短路故障，引發變壓器內部繞組線圈變形甚至燒損，同時變壓器開關跳閘導致所供電母線停電等事故，造成嚴重的經濟損失。也有部分變電站采用戶內封閉式變壓器室，一方面變壓器室的建設周期長，且混凝土墻體不便于更換主變和零部件吊裝檢修；另一方面，室內變壓器無雨水沖刷，易積塵、造成污閃，影響其安全穩定運行。

在變壓器的油池隔離方面，目前普遍采用鵝卵石作為油池填充物，具有如下缺陷：其一，當下雨或者有油淋在鵝卵石上，會增加鵝卵石濕滑造成的人身傷害風險；其二，鵝卵石的存在也給檢修作業帶來了不便，如儀器及設備的放置、搬運，以及更換冷卻風扇等主變相關作業；其三，大量鵝卵石的堆積對油水混合物流向事故油池形成一定的阻礙。

目前，對于變壓器預制艙的研究與設計較少，大多數預制艙式變電站設計中仍采用傳統的戶外敞開式變壓器布置方式[3]。文獻[4]設計了一種預制艙式變壓器模塊，該變壓器預制艙主要為圍欄結構，采用自然通風散熱，由雙層鋼制箱體替代傳統防火墻，但該結構未考慮變壓器運行的安全性。

為保障變壓器安全可靠運行，本文綜合考慮了變電站變壓器的運行特點和運維需求，結合預制艙技術，提出一種預制艙式變壓器室，包含半封閉式變壓器預制艙和變壓器油池隔離裝置，該變壓器室采用模塊化設計，預制化生產，現場建設安裝，運行過程中可實現變壓器防火、防外力破壞，且兼具消防、散熱功能。例如，某地110kV某預制艙式變電站的試運行結果表明，該預制艙結構可為變壓器提供良好的運行環境，保障電力系統的安全穩定。

1 預制艙式變壓器室結構

1.1 半封閉式變壓器預制艙

針對敞開式變壓器易受到空中飄浮物、小動物等外力破壞，以及室內變壓器難清潔、散熱的問題，本文研究并設計了半封閉式的變壓器預制艙室，如圖1所示，該預制艙室集成了模塊化拼接防火墻、可視化格柵門框和易拆裝網格式頂蓋，具體結構與功能如下。

圖1 半封閉式的主變壓器預制艙室艙體設計圖

模塊化拼接防火墻。該墻位于變壓器左右兩側及后側，采用模塊化復合預制板拼接而成，起防火隔離作用。預制板采用雙層夾心結構，內部填充物采用建設部許可聚氨酯防火保溫材料，確保整個預制艙的防火性能，耐火時限≥2h。由于預制艙式變電站均為緊湊型平面布置，變壓器與高壓室、主控制室的距離較近，故在傳統雙側防火墻的基礎上，增設后側防火墻，防止變壓器火災影響旁側變壓器的同時，進一步防止火災蔓延至周邊預制艙，造成事故范圍的擴大。

可視化格柵門框。該門框位于變壓器前側，由方鋼管焊接為格柵狀，在底部左右兩側預留用于人員和設備出入的門。該格柵門框便于運維人員觀察變壓器運行狀況，同時避免了變壓器室四壁封閉，有利于變壓器的通風散熱和消防。實際應用時，應設計將此格柵門框側布置在站內通道旁，一方面便于運維人員的巡視和消防工作；另一方面，站內通道加大了格柵門框側與其他設備艙室的距離，避免了火災范圍擴大。

易拆裝網格式頂蓋。該頂蓋采用模塊化設計，由橫梁、主體框架和網格板組成。若干橫梁搭建在墻面上部，并設計支撐架使其與墻面的連接更加穩固。兩個橫梁之間固定一主體框架，網格板搭建在主體框架上方，并用螺栓連接。格柵式的頂蓋可有效防止漂浮物落在變壓器導電部位，且有利于消防、散熱和變壓器的清潔。設備吊裝、檢修時，只須拆除少量網格板即可進行作業。

此外，半封閉式變壓器預制艙艙體底架由型鋼焊接而成，艙體骨架為焊裝一體式結構，主要鋼材材質選用碳素結構鋼，屈服強度不小于235MPa，并有足夠的機械強度和剛度，在起吊、運輸和安裝時不會產生變形。預制艙所用鋼材均進行防腐處理，采用多道防腐工藝，包括前處理、鋅層、中間層、面層等多重處理工藝，前處理須保證鋼板表面足夠的粗糙度，對于采用熱鍍鋅防腐的艙體構件，熱鍍鋅涂層厚度應滿足運行環境要求。預制艙艙體外殼具備鹽霧條件或濕熱條件下良好的防腐性能，滿足戶外設備的運行條件。

預制艙的箱體底架外側設不少于4個專用接地端子，均勻分布，各接地端子與艙體內的環形接地母線可靠連接，艙體安裝就位后還應將此端子與變電站主接地網可靠相連。預制艙艙體的所有金屬部分采用專用導體做等電位連接，各艙內的金屬設備支架及構件均應有符合規范的接地端子，并與專用接地導體可靠地連接在一起。

1.2 油池隔離裝置

為避免傳統鵝卵石油池隔離存在的人身安全風險，本文研究并設計了一種油池隔離裝置，以提供平整的變壓器油池隔離面，便于人員行走和檢修作業時的儀器放置、搬運工作，有效防范了因鵝卵石濕滑導致的人身安全事故。如圖2所示，設計的油池隔離裝置集成了一體式支撐鋼架和模塊化網格蓋板，代替鵝卵石實現變壓器滲漏油隔離功能。該裝置采用螺紋防滑設計、易拆裝模塊化定制網格板設計，具體結構及功能如下。

圖2 油池隔離裝置支撐鋼架設計圖

一體式支撐鋼架。材料為鍍鋅方鋼管，由縱向立柱和水平框架焊接組成，位于泄油池內，作為網格蓋板的基礎支撐。縱向立柱沿變壓器的混凝土基礎及油池邊緣布置，可依據油池面積適當增加其數量，水平框架為方形，鏤空面積略小于網格蓋板，用于搭放網格蓋板。水平框架上設計有淺凹槽，對網格蓋板起到固定作用。

模塊化網格蓋板。為鋼質材料、模塊化設計，若干網格板搭接鋪設于支撐鋼架上方，并沿水平方向設計螺紋防滑結構。網格狀的設計在有效隔離泄漏油的同時，可通過觀察池底鵝卵石直觀掌握變壓器油的泄漏情況和油池狀態，及時發現泄油口堵塞等狀況。多數網格板大小一致，基礎邊框銜接部位、下穿立柱處的網格板可進行局部邊角定制加工，適應性強，易推廣應用至其他同類場景。模塊化的網格板無需螺栓連接，可實現工廠化生產，現場鋪設安裝，便于拆卸檢修；鵝卵石：少量鵝卵石鋪設在泄油池底部，起到冷卻變壓器泄漏油的作用。

2 預制艙式變壓器室特點

變壓器預制艙輔助設施設計：配電箱。在預制艙式變壓器室內設置戶外配電箱，為艙內照明設施、告警設施以及檢修工作提供電源；照明設施。在三側墻面安裝照明燈具，并加裝防雨蓋。在頂蓋上預留檢修照明電源插座，并加裝防雨蓋；消防設施。除變壓器四周噴淋設施外，在預制艙式變壓器室內設置消防報警器和火災探測器，并在靠近出入口的角落放置消防器材；視頻監控。在預制艙式變壓器室內左右兩側墻面上各加裝一“高清可見光+紅外熱成像雙目攝像頭”，并接入變電站視頻監控系統和測溫系統。

縮短變壓器室的建設周期：該預制艙式變壓器室的防火墻、頂蓋、油池隔離裝置等部件均采用模塊化設計，可在預制艙式變電站完成設計后，在工廠進行模塊化部件的加工制作，待現場土建施工完畢后，即可進場快速組裝，相比混凝土變壓器室，極大地縮短了建設工期，提高了建站效率；保障變壓器運行安全：網格式的頂蓋和鏤空的門框能有效防止空中飄浮物造成的變壓器短路或接地等電氣事故，鏤空門框便于運維人員巡視，及時發現變壓器的運行異常。網格式的頂蓋也利于雨水沖刷清潔變壓器，防止積塵和污閃，保障變壓器安全穩定運行。

利于控制變壓器火災及消防：該預制艙式變壓器室相比傳統戶外敞開式變壓器增設了后側防火墻，可以防止預制艙式變電站中變壓器火災對集約化布置的鄰近設備艙室造成損傷。該預制艙式變壓器室鏤空的門板和網格式的頂蓋相比封閉式的變壓器室增加了通風量，有利于變壓器的散熱，也便于在變壓器發生火災時進行遠距離消防操作；便于主變吊裝檢修：拆除頂蓋的部分網格板，即可進行主變的零部件吊裝、檢修工作，夜間檢修時，可將檢修光源布置在頂蓋橫梁上，便于檢修人員操作。拆除部分網格蓋板，即可對變壓器泄油池進行查看、檢修。

保證運維檢修人身安全：油池隔離裝置提供了平整的變壓器油池隔離面，且具有螺紋防滑結構，解決了鵝卵石填充路面凹凸不平不利于行走的問題，避免了工作人員的摔傷和崴腳風險，避免了下雨或滲漏油導致鵝卵石濕滑存在的人身傷害風險。平整的網格面便于檢修作業中儀器的放置、搬運，以及更換冷卻風扇等主變相關作業的開展。該油池隔離裝置有效降低了變壓器相關工作的人身風險，有助于提升工作效率和作業質量。

3 結語

本文研究設計的預制艙式變壓器室已于2021年8月試點應用在某地110kV某預制艙式變電站，并建設了2座63MVA主變壓器預制艙室。工程初期，進行全站設備艙室混凝土基礎、電纜溝、基礎管線建設，同時工廠生產電氣設備及設備艙室預制件，待基礎建設完工后，設備及預制件進場，進行吊裝、搭建與拼接。工程后期，進行電氣設備二次線纜連接，經專業技術人員試驗、驗收合格后即可投入運行。該主變壓器室投運至今，運行良好，未發現重大缺陷，充分驗證了技術有效性。

為解決傳統變壓器室通風散熱不良、不便檢修維護，以及戶外變壓器易受外力破壞、鵝卵石地面存在人身安全風險的問題，本文綜合考慮了變電站變壓器的運行特點和運維需求，結合預制艙技術，提出一種預制艙式變壓器室，包含半封閉式變壓器預制艙和變壓器油池隔離裝置。該變壓器室采用模塊化設計，預制化生產，現場建設安裝，運行過程中可實現變壓器防火、防外力破壞，且兼具消防、散熱功能。該預制艙式變壓器室結構的應用，有效縮短了變壓器室的建設周期，保障了運維人員的人身安全以及變壓器的安全穩定運行，為預制艙式變電站中變壓器室的設計和布置提供了范例。