变电站预制舱式高压室结构研究与应用.pdf

56电工电气 (2023 No.7)作者简介：孟晨旭(1986)，男，高级工程师，学士，从事变电设备运行、检修管理及研究工作；陈伟明(1988)，男，高级工程师，学士，从事变电设备检修管理及研究工作。孟晨旭，陈伟明，罗其锋，刘文平，陈伟雄(南方电网广东中山供电局，广东 中山 528400)摘 要：建成后的传统变电站高压室结构单一，缺少防尘保温、运行环境控制、设备监视等功能。提出一种新型的变电站预制舱式高压室结构，该结构的设备舱体与电气设备在设备厂完成安装调试后到达现场快速拼装，实现节约建设成本，提高建设效率的目的，通过在密闭的舱体内增加通风系统与空调系统，舱体采用保温隔热材料，并在开关柜前后设置巡视机器人及其运行轨道，实现预制舱防尘保温、运行环境控制、设备监视等功能，为电力设备提供良好的运行环境，也为检修维护工作提供便利。经110 kV 同福站的实际应用，验证了该结构的实用性和有效性。关键词：变电站；预制舱式高压室；双层结构；多功能中图分类号：TM63 文献标识码：B 文章编号：1007-3175(2023)07-0056-05 Abstract:The traditional substation has the single-structured high-voltage chamber which lacks functions like dust prevention,heat pres-ervation,operation environment control,equipment monitoring and so on.The paper proposes a new prefabricated-cabin type high-voltage chamber structure for the substation.The cabin and electrical equipments of this structure first can be installed and debugged in the equip-ment factory,and then be assembled rapidly when arriving at the site,which realizing the goal of saving construction costs and improving construction efficiency.Through adding ventilation system and air conditioning system in the closed cabin,using the thermal insulation ma-terial to produce the cabin,setting patrol robots and their running tracks in front of and behind the switch cabinet,this high-voltage chamber can have functions like dust prevention,heat preservation,operation environment control,equipment monitoring and so on.It provides not only great operation environment for power equipments,but also convenience for repair and maintenance.The application in 110 kV Tongfu station verifies the practical effectiveness of this structure.Key words:substation;prefabricated-cabin type high-voltage chamber;double-layer structure;multifunctionMENG Chen-xu,CHEN Wei-ming,LUO Qi-feng,LIU Wen-ping,CHEN Wei-xiong（Zhongshan Power Supply Bureau of China Southern Power Grid in Guangdong,Zhongshan 528400,China）Research and Application of a Prefabricated-Cabin Type High-Voltage Chamber Structure for the Substation变电站预制舱式高压室结构研究与应用0 引言随着经济的发展，对变电站建设的效率提出了新的需求。为了进一步缩短变电站建设周期，预制舱式变电站技术得到应用。所谓预制舱变电站，就是整个变电站各设备室由一个个的预制舱单元拼接而成，所有一次设备、二次设备均放置在预制舱单元内。该变电站采用模块化设计，设备接线与调试在设备厂内完成，然后连同舱体在工厂完成安装预制，电气设备与舱体按预制舱单元整体运输，到达现场后只需进行积木式拼装即可完成安装。以10 kV 预制舱式高压室为例，开关柜间隔设备及舱体在设备厂完成安装，到达现场只需将开关柜母线及舱体同步组装即可完成安装工作，主变进线通过高压室舱体穿墙套管与主变 10 kV 主变母排连接，线路出线采用高压电缆从预制舱下方的电缆层出线。预制舱变电站实现了电气设备与预制舱体的有机结合，减少现场施工量，满足快速建站的要求，此建站模式省去以往的建筑施工环节，在时间成本和建筑成本上具有明显优势。相比于预制舱式高压室，传统变电站高压室为钢筋混凝土建筑，土建施工周期长，作为变电站主体部分的高压室混凝土浇筑必须分层实施，也就是说必变电站预制舱式高压室结构研究与应用57 电工电气 (2023 No.7)须等待前一层混凝土完全凝固后，才能继续浇筑后一层混凝土，由此，传统变电站从土建施工至交付安装一般需要6个月左右，这已经无法满足城市经济发展对电网建设速度的要求。且高压室建筑的土建材料及人力成本较高，提高了变电站的整体造价1。此外，传统变电站高压室简单的钢筋混凝土建筑结构较为单一，缺乏防尘保温、运行环境控制、设备监视等功能2。恶劣的高压室运行环境，将对运行设备带来以下问题：(1)夏季高温天气时，由于高压室内设备温度较高，热量无法及时有效地排出时，绝缘材料在高温下会加速老化并且绝缘性能降低，设备在高危状态下运行，存在较大的安全隐患。(2)开关柜内部装设有电气设备和电子元件，当绝缘件表面结露和受潮时，表面电阻率和体积电阻率降低，绝缘程度下降，随着分解效应与污化效应的累积，绝缘表面会形成黑色、白色粉末印痕彻底破坏绝缘性能，严重情况下还会发生电气击穿现象3。本文针对传统变电站高压室的不足，提出一种变电站预制舱式高压室结构，该结构可在设备厂完成舱体与电气设备的预安装调试，运输至现场后实现快速拼装，提高建站效率并使预制舱高压室具备环境控制和设备监视功能，具有较高的实用性。1 变电站预制舱式高压室结构组成针对传统变电站高压室存在的不足，本文提出的变电站预制舱式高压室结构，进一步优化了高压室结构，增加防尘保温、运行环境控制、设备监视等功能，提升空间利用率，提高内部结构合理性，为电力设备检修维护提供便利。本文提出的预制舱式高压室由高压柜预制舱单元、带电缆竖井预制舱单元、带门预制舱单元、带通信测控屏预制舱单元、防小动物挡板、温湿度控制模块、巡视机器人模块、二次电缆竖井、照明模块、进出风口及环形接地母线组成，如图 1 所示。各结构模块主要技术原理、功能如下：(1)预制舱单元为预制舱式高压室拼装的最小单元，生产预制舱式高压室设备时，开关柜、通信测控屏等设备在预制舱单元内完成安装调试、接线后进行预安装，调试合格后拆分为各个独立预制舱单元进行单独运输。预制舱单元尺寸与拖挂车车厢相当，满足公路运输要求，预制舱单元运输到达现场后，在带有地下电缆层的预制舱式高压室土建基础上进行现场组装，组装过程包括高压柜柜间的拼接、柜内一次导电母排的拼接及以柜顶交流工作电源小母线、直流工作电源小母线、PT 切换电压小母线拼接，和预制舱单元舱体间的拼接，最终形成完整的预制舱式高压室。(2)高压柜预制舱单元可左右两排安装共 6 台开关柜设备，两排开关柜中间预留空间作为运维通道。带电缆竖井预制舱单元将高压柜预制舱单元中间开关柜位置改为用于敷设二次电缆的竖井。二次电缆竖井连通预制舱式高压室底部与顶部，二次电缆在预制舱式高压室底部电缆层汇集后，经过二次电缆竖井穿至预制舱式高压室上层的预制舱式主控室，用于控制站内设备，竖井盖板将经过预制舱式高压室内的二次电缆封装起来，起到一体美观效果。图1 一种变电站预制舱式高压室俯视图空调主机空调主机防小动物挡板接地母线应急照明立式支柱开关柜进风口排风口二次电缆竖井封闭母线通道照明空调管道预制舱拼接空调出风口巡视机器人机器人轨道通信测控屏温湿度控制装置温湿度控制装置变电站预制舱式高压室结构研究与应用58电工电气 (2023 No.7)二次电缆竖井与高压开关柜正面并排陈列，二次电缆沟后部位置用于布置开关柜母排，母排使用封柜将其封装起来成为封闭母线。(3)带通信测控屏预制舱单元将高压柜预制舱单元中间开关柜位置改为安装通信测控屏，通信测控屏汇集预制舱式高压室一次设备测控数据经过二次电缆竖井上送至上层主控室现实通信测控功能。(4)带门预制舱单元位于预制舱式高压室两端，将整个预制舱式高压室密封起来，预制舱式高压室前后设置预制舱门，满足消防应急逃生要求，舱门采用双层密封结构，如图 2 所示，有效杜绝灰尘、沙粒进入舱内。舱门采用玻璃钢材质的聚氨酯夹芯板，不锈钢包边，质量轻、不易变形。(5)预制舱单元由框架、立式支柱、预制舱单元墙体组成。预制舱单元框架是由 H 型槽钢以坡口焊接方式焊接而成的网格状框架，框架承载预制舱单元自身重量及舱内设备重量。预制舱单元框架槽钢同时作为开关柜、通信测控屏安装的预埋基础，高压开关柜、通信测控屏放置于预制舱单元框架槽钢上，承载高压开关柜、通信测控屏整体重量。(6)立式支柱位于预制舱单元拼接边缘处，沿拼接面开关柜前后各布置四条共八条立式支柱，立式支柱为方形钢管，立于预制舱单元框架底部与顶部槽钢之间并焊接牢固，在立式支柱与顶部槽钢外侧增加斜撑以提高机械强度。立式支柱的作用除提高本预制舱式高压室的整体机械强度外，还为上层的预制舱式主控室提供可靠支撑。(7)预制舱单元墙体由内墙、外墙组成，内墙、外墙均由中间填充有保温隔热材料的卡扣式复合钢板拼接而成，内墙拼接方式为卡扣式复合钢板纵向上下扣接，拼接缝为横向，外墙拼接方式为卡扣式复合钢板横向左右扣接，拼接缝为纵向，如图 3、图 4 所示。卡扣式复合钢板拼接后在卡扣位置从内侧穿螺栓攻牙固定，实现可靠牢固安装。内墙、外墙端部与预制舱框架焊接一起，通过纵横交错方式提高墙体机械强度，拼接缝为纵向的外墙作为预制舱单元的外墙，使雨水可顺着竖缝下流，达到防积水效果。且内外墙采用上述拼接组合方式，提高了预制舱体的稳定性，有效防止舱体变形。(8)防小动物模块由防小动物挡板卡槽、粘鼠板定置点组成，防小动物挡板卡槽与预制舱门整体成型，卡槽上放置防小动物挡板，用于防止打开预制舱门时小动物爬进室内，粘鼠板定置点均匀分布于预制舱转角及靠墙位置，用于放置粘鼠板捕捉进入预制舱式高压室的小动物。(9)温湿度控制模块由自动温控系统、工业型加热装置、分散式空调系统组成，自动控温系统采集预制舱式高压室内温湿度，并根据温湿度数据控制加热装置与分散式空调系统运行。工业型加热装置具备长时间加热功能4。(10)分散式空调系统由空调主机、出风管道组成，空调主机为大功率工业型空调，空调主机连接出风管道，出风管道出风口均匀分布于预制舱式高压室上部各部位，空调冷空气从上部排出，并下沉至预制舱式高压室底部，实现冷热空气对流，使预制舱式高压室内各部位温度均匀，保证预制舱式高压室内设备运行环境5。(11)巡视机器人模块包括机器人轨道及巡视机器人，机器人轨道安装于立式支柱上，为一沿着高压柜前通道敷设的导轨，用作巡视机器人工作时滑行使用。巡视机器人挂于机器人轨道上，沿机器人图2 舱门双层密封结构预制舱门预制舱门密封垫密封条图3 卡扣式复合钢板侧视图、拼接图a)侧视图b)拼接图图4 预制舱墙体内墙正视图、外墙正视图a)内墙正视图b)外墙正视图变电站预制舱式高压室结构研究与应用59 电工电气 (2023 No.7)轨道滑行时对开关柜设备进行巡视监控。巡视机器人沿机器人轨道前后滑行，通过定位系统移动到指定的开关柜前，巡视机器人自带探测模块，具有上下收缩功能，通过对开关柜前上中下柜门的正面无死角对焦巡视，从而实现定点对开关柜的空气开关、压板、指示灯、把手、表计等设备元件进行人工智能图像识别、红外测温、局放信息采集等功能巡检。并实时传输至后台，后台主机对巡视机器人上传的信息进行存储、分析，智能诊断、预警设备隐患。(12)照明模块由通道照明灯、应急照明灯组成。预制舱式高压室内通道上设置正常的通道照明灯，保证足够的照度，方便舱体内部的检修和试验，灯具采用嵌入式 LED 灯，均匀布置在通道顶部。应急照明灯与通道照明灯交叉布置，外观上较通道照明灯多出警示标志，使用应急 UPS 电源供电。(13)进出风口安装至预制舱式高压室墙壁上，进风口位于墙壁上部，排风口位于墙壁底部，用于内部与外部空气流通。进出风口采用象鼻结构，如图 5所示，舱体外部进、出风口面均朝下，并采用防尘砂网进行风沙灰尘初步过滤，内部采用迷宫式设计的防尘风道有效降低风速，进行砂砾和灰尘的沉淀，最后通过高防护过滤器对灰尘进行最后一道过滤。(14)环形接地母线明敷设于预制舱式高压室内墙壁处，采用热镀锌扁钢材料。在预制舱式高压室内的一次设备接地、保护接地、检修接地均可接至此环形接地母线，环形接地母线上配置足量人工接地端子，满足五防要求，实现检修设备可靠接地以保护人身安全的功能。环形接地母线引出四处软铜线穿过预制舱底板与主地网形成可靠连接点。2 变电站预制舱式高压室关键技术预制舱式高压室可达到快速建站目的，同时可实现优化运行环境等功能，保障 10 kV 开关柜的安全可靠运行，其关键技术如下。2.1 合理的电缆层布置在土建施工阶段，只需建设高压室基础及电缆层，预制舱设备到站后直接在电缆层上方拼接安装。在地下室主体外增加专用楼梯，每个地下室两侧均设置有专用楼梯，步行走楼梯下电缆层，并在上面设置玻璃钢结构的防雨棚，专用楼梯底部设置排水窖井与室内集水井连同，强排到雨水系统。此做法不但能满足消防疏散的规范要求，也方便运行人员进出地下室电缆层。2.2 集约化的设计施工预制舱高压室设备在设备厂内根据电气设备数量要求配置预制舱单元数量并在厂内预组装，后各预制舱单元单独运输至现场，实现快速拼装预制舱式高压室的目的。该结构的设备安装过程在设备厂完成，可更好的在设备厂进行安装质量的控制，避免现场安装时复杂的环境和参差的人员素质造成设备安装质量问题，给设备安全运行留下隐患。该结构实现电气设备与预制舱设备的有机结合，实现舱柜一体化配送式运输，做到安全、规范建站，减少现场施工量，满足不同地形条件下变电站的灵活搭建需求，同时在时间成本及土建施工量上有明显优势2。2.3 高空间利用率的双层预制舱结构预制舱室高压室上方可建设预制舱式主控室，采用双层预制舱结构，在高压室内选取适当原开关柜位置改为二次电缆竖井，二次电缆经开关柜之间的二次电缆竖井穿至上层主控室，提高空间利用率，整齐美观，且有效减少二次电缆敷设长度，节约了建设成本。方形钢管结构的立式支柱，外侧增加斜撑，提高了高压室整体机械强度，为双层结构的预制舱提供有效支撑6。立式支柱还可为巡检机器人轨道提供安装点，提高空间利用率7。3 变电站预制舱式高压室技术优势3.1 多功能模块集成变电站预制舱式高压室由多个功能模块集成，各功能模块实现不同功能，共同形成电力设备载体应具备的结构，达到防尘保温、运行环境控制、设备监视的功能8。图5 进出风口结构图风机预制舱体防尘风道IP65过滤器防尘砂网变电站预制舱式高压室结构研究与应用60电工电气 (2023 No.7)3.2 优良的运行环境预制舱高压室具备温湿度自动控制系统、分布式空调出风口，使预制舱式高压室内环境温湿度保持恒定平稳，提高电力设备可靠性及运维人员作业环境舒适度，避免高压室内设备温度较高造成的设备绝缘性能下降，减少绝缘下降引发的短路故障隐患。4 应用实例根据南方电网公司2018 年公司依托基建工程开展新技术试点应用计划，广东电网公司中山供电局在 110 kV 同福变电站试点应用了装配式技术建设成为一座预制舱式变电站，实现了含土建、设备安装调试验收在内 6 个月顺利完成投产的快速建站目标，有效解决土建施工及电气设备安装工期长的问题。经计算，建筑工程材料费用减少了 25%，该变电站内 10 kV 高压室为制舱式高压室，结构可靠，内部开关柜及控制屏、二次电缆竖井布置合理，内部环境控制系统完善，电气设备与预制舱设备实现了有机结合，符合长期稳定运行要求9。建成后的预制舱高压室设备在施工期间留下的隐患大为减少，设备运行环境良好，提高电力设备运行可靠性，为运维人员开展设备运维工作提供便利，减少设备故障后的抢修成本，保障 10 kV 馈线负荷供电，具有较高的经济效益与社会效益10。5 结语传统钢筋混凝土结构的变电站高压室存在施工工期长，内部设备运行环境恶劣，缺乏智能运维设备等问题。有鉴于此，本文提出了一种变电站预制舱式高压室结构，该结构高压室的舱体与舱内设备在设备厂内完成安装调试，出厂验收后拆分成预制舱单元运输到现场，在带有地下电缆层的土建基础上进行积木式拼装，拼装过程简单高效。该结构预制舱高压室舱体为卡扣式拼接方式，舱体板内填充有保温隔热材料，有效控制高压室内温度；二次电缆经二次电缆竖井从地下电缆层经高压室敷设至二层控制室，达到一体美观、空间利用率高、节省二次电缆的效果；高压室舱体内集成空调系统、温湿度监控系统、通风系统等多种功能模块，优化10 kV 设备运行环境，提高设备生命周期，并且增加机器人巡检等智能运维手段。该结构预制舱式高压室建站效率高，结构合理，设备运行环境良好，可保证电力设备的安全可靠运行，为运维人员开展设备运维工作提供便利，具有较高的推广应用价值。参考文献1 邹平丽.传统土建新能源变电站与模块化预制舱变电站对比分析 J.机电信息，2020，27(15)：38-39.2 彭朝钊，程凌飞，刘邦海，等.智能变电站预制舱式二次组合设备舱体环境控制优化研究 J.电力系统保护与控制，2017，45(19)：143-147.3 韩煦.35 kV 高压室开关柜因潮湿引发的故障 J.电世界，2017，58(10)：15-16.4 余接永.变电站高压室的防潮除湿治理 J.电力安全技术，2011，13(6)：67.5 范强，戴宇，胡挜喆，等.高压配电室温度与湿度的智能调节系统研究 J.广东电力，2018，31(12)：147-152.6 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