解决方案︱模块化预制仓式变电站在110kV配网中的应用
中国电工技术学会定于2016年9月26~27日在安徽省合肥市举办“2016第五届新能源发电系统技术创新大会”（原“分布式发电与微电网技术大会”），主题为“能源互联网关键技术、储能电站与微电网建设”。
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青岛特锐德电气股份有限公司的研究人员由恒远、屈东明、孙福鹏，在2016年第5期《电气技术》杂志上撰文指出，城市110kV配网系统一直存在变电站落地难的问题，而随着经济发展，变电站的建设面临了越来越多的考验。
本文提出采用一种模块化预制仓式变电站，通过紧凑性的全密封方案，解决电磁、噪声干扰的疑难问题，解决了占地面积大的问题，解决了施工周期长的问题，从而有效的解决了城市配网变电站落地难的问题。
随着城市用电负荷快速增长，根据经济和系统安全的考虑，需要在城市中心区大量新建变电站, 而变电站建在城市中心区域,需重点考虑市区人口密集,城市规划及建筑风格,建成的变电站应占地省,电磁、噪声干扰符合城市环境条件[1-2]。
而国家电网自2011年开始推行的预制仓结构，仅仅是把二次自动化设备进行了预制，变电站的占地依然较大和现场的工作量依然较大。
种种条件因素，城市中心变电站一直存在落地难的问题，如果采用地下变电站模式，因开挖退界要求和设备运输通道要求,实际占地比地上布置无明显优势[3]。
因此变电站地上紧凑布置,建筑外貌容易适应城市环境成为一种必然选择。下面本文对模块化预制仓式变电站在城市中心的应用，进行分析阐述。
1模块化预制仓式变电站的总体要求
城市中心变电站的的安全可靠、美观、经济性等目标为本方案的主要核心，因此对变电站的设计提出了以下总体要求。
1）户外运行，要求抗冲击能力强，防盗、防破坏能力强；2）防腐能力强，保证40年不生锈；3）防辐射，辐射标准远低于国家标准；4）噪声低，适用于城市中心；5）外形美观、大方、协调；6）密封舱体，防尘、防潮、防凝露；7）体积小巧，结构紧凑；8）一体化安装，施工周期短。
2技术方案
2.1整体结构方案
模块化预制仓式变电站的设计一般包括110kVGIS预制仓、35kV和10kV预制仓、二次自动化预制仓、变压器预制仓、无功补偿预制仓、消弧线圈预制仓等，见图1模块化预制仓式变电站的小型站效果图。
图1 模块化预制仓式变电站小型站效果图
预制舱舱体骨架为焊装一体式结构，应有足够的机械强度和刚度，主要钢材材质应选用优质碳素结构钢，屈服强度不小于235MPa。在起吊、运输和安装时不会变形或损伤。舱体内开关柜不会因起吊运输造成的变形影响开关、隔离等设备的操作、运行[4]。
预制舱防护等级达到IP33D，舱体接缝处防护等级不低于IP54，舱体内部采用钢板及阻燃绝缘隔板严格分成各个隔室,各个隔室之间的防护等级为IP2X。
舱体的底架部件由型钢焊接而成，主要钢材材质应选用优质碳素结构钢，屈服强度不小于235MPa。框架、门板及顶盖均采用优质冷轧钢板经喷砂、热喷锌防腐处理工艺或采用不锈钢材质，框架钢板厚度不得小于2.5mm；门和顶盖钢板厚度不得小于2mm；底板厚度不得小于3mm；不允许使用彩钢板、镀锌板等金属材料拼装式舱体或GRC、金邦板等非金属舱体。内部填充物采用建设部许可聚氨酯防火保温材料，确保整个预制舱的保温和防火性能。
舱体所有锁盒采用户外铝合金锁盒并配置工程塑料电力专用锁。舱体金属构件应进行在40年内不锈蚀的防腐处理，舱体外壳采用冷轧钢板经热喷锌防腐或采用不锈钢板制作，金属材料喷涂前必须经过喷砂处理，以增强防腐层的附着力，并均匀一致。
为确保舱体的高低压、自动化、变压器等设备的可靠运行，并实现、防尘、防潮、防凝露，预制舱舱体均需要密封。采用硅橡胶或三元乙丙材料制作的密封条，是长寿命（保证10年以上的使用寿命）、高弹性产品，高压和低压的进出线电缆孔采用方便于密封的敲落孔，为确保现场电缆连接后的有效密封，预制舱厂家应随设备配置电缆多径密封件。
预制舱外壳形状应不易积尘、积水，舱体顶盖应有明显散水坡度，不应小于5°，顶盖边沿应设有滴水沿，防止雨水回流进入舱体。舱体制作尽可能少用外露紧固件，以免螺钉穿通外壳使水导入壳内；对穿通外壳的孔，均应采取相应的密封措施，若实在无法避免使用外露紧固件，则必须选用不锈钢紧固件，防止紧固件生锈。
外壳的门板和框架若采用铰链联结，应将铰链设计在外壳的内侧，制成暗铰链。门板安装铰链和门轴等活动部件必须采用不锈钢材料制作，保证在舱体的使用年限内，活动处不生锈。
舱体具备良好的隔热性能，保证产品在一般周围空气温度下运行时所有电器设备的温度不高于其允许的最高温度，不低于其允许的最低温度。
舱体外观色彩大方、协调、无光污染，内部色彩要与舱体内部安装的电器设备颜色相协调。
所有门应向外开，开启角度大于90°，并设置定位装置。门装有把手和暗锁，门的设计尺寸与所装设备的尺寸相配合。检修走廊的门应采用内外可方便开启的安全门锁，并具备防止内部有人时，门锁锁死的功能，通道门设门控自动开闭＋手动开闭的照明设施。
在预制舱的每台舱体内部各安装自动烟感系统，烟感传感器安装在舱体的顶部，烟感信号同变电站自动化系统相连，并通过保护装置将舱体内的烟感信号传入主站，可及早发现火情，防止事故的扩大。
2.2立体建站模式
依据变电站选址以及占地面积要求，预制舱变电站可采用落地平铺方式，也可选择立体建站模式，舱体可在基础一层的舱体上置顶安装，仓体设计必须处理好一层舱体承重以及舱体间防震减震问题[5]；如图2立体变电站的现场图片。
隔震系统要求：上层与下层舱体连接界面之间设置隔振装置，对于噪音、震动均进行消除；隔振效率不小于72%。
底层舱体承重要求：上层结构总重不超过100T，底层舱体框架所承受的平均最大应力为100MPa；所承受的应力集中最大值为193MPa，最小安全系数为1.2。
图2 模块化预制仓式变电站现场图片
3关键技术要求
3.1舱体防辐射设计
预制仓的防辐射设计主要是工频辐射防护，而常规10kV和110kV预制仓的防护比较简单，而主要问题在于进出线接头处，变压器预制仓，因此防护方案主要有：
(1)选取恰当合理的系统接入方式和线路路径。尽量采用地下电缆的方式；
(2)在变电站的设计中，尽量减少分相设备的使用，而多采用三相设备。这样可以充分利用三相电的特性，将其各相产生的电磁场相抵消。例如电容器组的串联电抗器选用三相一体式，若要采用分相设备，在设计时尽量缩短相间距离，即尽量紧凑化设计，最大限度地抵消各相设备产生的电磁场。
(3)采用合理手段屏蔽电磁场，对于工频电磁辐射来讲，屏蔽的作用是相当显著的[6]。高压设备以及站内的分立式输电设备，如消弧线圈、电容器等，会在运行中产生电磁场。高压设备应选用GIS成套装置。采用被动屏蔽方式充分利用建筑设施本身的金属结构来形成金属屏蔽网[7]。
在进行变电站防雷接地设计的同时，可考虑适当增加建筑中连接金属网的钢筋数量，选用截面较大的主筋进行连接；同时，辅以增加接地极的数量，增加接地金属网的截面等，以增强电磁场屏蔽效果。尤其是变压器采用箱式预制仓结构，采用屏蔽和除噪声措施，满足[8]《500kV高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术规范》(HJ／T24—1998)评价标准，且低于城市电磁辐射环境背景值。
3.2变电站隔音设计
变电站的噪音是周围居民非常重视的一个因素，因此在降噪方面主要做了如下方案。
1）选用低噪声轴流风机及消声百页, 力求从根本上减少噪声源污染。
2）变电站设计成体形规整且由密封、隔音性好的双层密封防腐结构箱体，而成的立方体。
3）变电站周围绿化吸引效果更好的雪松等高大树木，美化的同时起到更好的隔音防辐射的作用。
站内主要工作场所噪声均符合[9]国家标准 GBJ87-85《工业企业噪声控制设计规范》的相关要求。
3.3舱体防腐设计
舱体应采用喷砂、热喷锌、喷锌加涂料、喷户外高档聚氨酯面漆防腐处理，不锈钢板采用喷砂、喷户外高档聚氨酯面漆防腐处理。金属材料经防腐处理后表面覆盖层应有牢固的附着力，并均匀一致，以保证舱体40年不锈蚀。
舱体底架槽钢必须经过喷砂、喷锌处理后，采用沥青漆重度防腐处理，保证底架40年不锈蚀。喷锌表面质量要求：锌层厚度不小于为55～65μm。涂层表面必须是均匀的，不允许起皮﹑鼓泡﹑大熔滴﹑裂纹﹑掉块及其它影响涂层使用的缺陷；舱体的面漆采用抗紫外线、抗老化、长寿命的聚胺脂类高档面漆，喷涂厚度不小于30～40μm，保证20年内不退色、不氧化、不粉化[10]。
3.4舱体保温与耐寒要求
预制舱舱体采用三层金属结构，运用“冰箱”保温措施与工艺：采用双层优质钢板（内部填充物采用建设部许可聚氨酯防火保温材料，确保整个预制舱的保温和防火性能）+环保金属装修层；门板厚度不低于50mm，保证达到“24墙”保温功效[11]；
舱体门板采用“断桥隔热”技术，内门板相对于外门板处于悬浮状态（点接触），最小间隙不小于3mm, 内门板和外门板之间填充阻燃发泡材料(聚氨酯)，密度37kg/m³,内门板和外门板的热传导率减少至2%；
舱体内设置自动温控系统，并加装工业型加热装置，具备长时间加热功能，不得采用民用电暖气或暖风机，以保证舱体内的运行环境的稳定性。
高低压舱体同时具有自动启停空调系统和高湿排风装置，在各个隔室温度高于50℃或低于0℃时自动启动空调，调节向内温度，当箱内相对湿度高于80%，自动启动进风风阀和排风轴流风机，确保各个隔室内设备，尤其是自动化设备可靠运行，温度、湿度控制器的返回门限为启动值-6；
空调：为保证设备可靠运行环境，舱体内装设微正压空调系统，保证箱体内部微正压满足50～100Pa的微正压条件，实现舱体内“无灰尘”。舱体内设驱潮装置，保证内部元件不发生凝露。
3.5舱体的密封与通风处理
舱体密封均需采用硅橡胶或三元乙丙材料制作的密封条，是长寿命（保证10年以上的使用寿命）、高弹性产品，高压和低压的进出线电缆孔采用方便于密封的敲落孔，并在舱体内随机配置敲落孔用密封胶圈。
舱体内设置SF6电气设备时，应设置SF6监测以及自动排风系统，控制舱体上设置的电动进风风阀和强制排风轴流风机的启停，电动风阀及轴流风机的总通风量需保证每2分钟将舱体内空气换气一次（约为150m3/min），进风风阀和轴流风机必须设置良好的除尘过滤装置，确保舱体防尘[12]。
仓体设计应该解决好舱体密封和自动排风的矛盾，排风要进行多道防尘处理，防尘网应方便拆装和清洗。
排风的风机采用进口、长寿命、免维护轴流式风机；风机的数量应满足排风和除湿的要求。
3.6舱体抗内燃弧措施
预制舱应设置抗内燃弧措施，舱内设置专用燃弧泄压通道。燃弧通道设置于单元柜上方，并与各功能隔室泄压通道有效连接，舱外设置泄压口，以确保电气故障情况下的人身安全。设置泄压通道时，开关柜顶部不应设置泄压板[4]。
4结束语
本项目在榆林、威海、临沂等地应用后，综合优化现场安装和调试时间，常规站20~30天，智能站30~50天。尤其是在榆林站属于矿区，周围环境恶劣，经受住了沙尘和大温差的影响；在威海就是建在海边的滩涂地上，经受住恶劣的腐蚀环境。
随着我国城市中心变配电的发展和建设，模块化预制仓式变电站以其工厂化生产、节约工期，隔音高屏蔽的特性，安全可靠性高以及降低建设运营成本等诸多优势将逐渐为建设方以及工程技术人员所认识，相信在未来的城市中心变电站、工业园用户变电站及新能源并网变电站的建设进程中模块化预制仓式全变电站必将得到更广泛的应用。