模塊化變電站的建設模式及其經濟性能比較

王少暉 李紹星 柳國良

（北京科銳配電自動化股份有限公司，北京 100085）

模塊化變電站是一種全新的變電站建設方式，優(yōu)于常規(guī)變電站建設方式，常規(guī)變電站選用體積較大的常規(guī)設備，且需將設備運抵現(xiàn)場后，進行拼裝調試，安裝周期長，占地面積大。模塊化變電站按功能進行模塊化設計，工廠化生產，將各個功能模塊分別預裝在金邦板箱體內，運抵現(xiàn)場，現(xiàn)場進行簡單的接線和聯(lián)調即可。具有占地面積小，安裝周期短、設備運行不受外界環(huán)境影響、整站無裸露帶電部分，美觀整潔等特點。

設備選用具有優(yōu)異電氣性能、免維護、可靠性高的小型化永磁機構真空斷路器高壓開關柜。開關柜具有體積小，機械壽命長等性能。采用此型開關柜，與常規(guī)變電站的設備相比較，可節(jié)省至少30%的占地面積。尤其適用于污穢地區(qū)、高原地區(qū)及某些不易選擇變電站建設地點的場合。

1 傳統(tǒng)變電站建設方式

1.1 戶外型變電站

該建站方式高壓開關設備采用戶外中型或半高型等布置形式，變壓器放置在戶外，10kV設備采用戶內開關柜布置在開關室中，各電氣設備采用敞開式（AIS）連接方式，即各電氣設備之間采用裸露導線或母排，利用戶外架構的支撐進行連接。此種變電站由于高壓絕緣對空間的需要，使電力設備的體積和設備間距比較大，因此占用土地較多。且由于高壓設備及其連接直接暴露在戶外，對環(huán)境及絕緣配合要求較高。另外按此方式建設的變電站通常時構架高聳，高壓線如網，與周邊環(huán)境很不協(xié)調，經常遇到選擇變電站建設地點的困難。但由于此種方式在我國有多年的建設經驗，設備供應廠家眾多，故建設成本較低。

1.2 戶內型變電站

為解決戶外型變電站占用土地多，環(huán)境不協(xié)調等造成選擇變電站建設地點困難的問題，出現(xiàn)了戶內型變電站，其電氣設備全部或部分安裝在戶內。為有效地節(jié)約空間，其高壓開關設備多選用氣體絕緣封閉式開關設備（GIS），各電氣設備之間的連接多采用電纜方式。但此種方式需要現(xiàn)場建房，且安裝、調試工作量較大，施工周期長，導致建設成本較高。總體造價約比戶外變電站高出一倍多，此模式適用于城市中心區(qū)變電站的建設，可較大程度的節(jié)約土地資源。

1.3 地下或半地下型變電站

此模式與戶內型變電站較為相似，其是將各電氣設備全部或部分安裝在地面以下，更為有效的節(jié)省了土地占用面積，但此類型變電站建設及運行費用更高，只適用于土地資源極為緊張的城市中心地區(qū)。

以上變電站建設模式各有優(yōu)缺點，適用于不同的場所，但這些模式均采取分散將各種電器設備運抵現(xiàn)場后，再分別進行安裝調試的建設方式，安裝周期長。

如果把變電站設計為模塊化結構，工廠化生產，相關設備都在工廠安裝在模塊內，并完成內部連線和調試，把模塊運到現(xiàn)場后，外部連接、整體聯(lián)調即可。這樣可以較好地解決以上各種問題，同時降低綜合造價，使不同場合變電站的建設多一些選擇方案，也減少各地工程建設隊伍專業(yè)水平差異對工程質量的影響。

2 模塊化變電站發(fā)展歷程

2.1 第一階段——10kV箱式變電站階段

1997年，國內開始將10kV開關設備及二次裝置在工廠安裝在預制的箱體內，35kV設備仍按常規(guī)布置，中壓開關設備多選用常規(guī)中置式開關柜，該類型柜體體積較大，造成整個箱體運輸和吊裝不便，運行中的維護工作量大，同時具有箱體內的操作走廊小，維護不便，安全性較低等一些缺點。

特別是我國戶外設備大部分采用普通鋼板、熱鍍鋅鋼板、敷鋁合金板及夾層彩色鋼板材料，外層用0.8～1.0mm的彩鋼板，或者用鍍鋅鋼板，或用鋼板在金屬底層經過熱噴鋅及表層噴塑處理，中間夾層采用聚胺脂材料。這種方式存在抗曝曬、抗陽光幅射性差，隔熱保溫、防潮性能差，且容易產生凝露的缺陷，成為開關設備不能長期穩(wěn)定可靠運行的隱患。

2000年推出了YKJ緊湊型一體化站，將35kV變電站的所有 10kV設備和包括綜合自動化在內的二次系統(tǒng)，設計安裝在一個預制的箱體內，簡化了35kV變電站的建設，10kV中壓開關設備采用永磁操動機構的真空開關柜，該設備具有操作壽命長、體積小、免維護等顯著特點，在同等額定電流和開斷容量前提下，使得箱體內的操作空間大大增加，安裝維護更加方便，

特別是箱體采用了金邦板這種非金屬材質，該箱體具有保溫、隔熱、防潮，不生銹，解決了環(huán)境溫差大的地區(qū)易造成凝露的現(xiàn)象，提高了設備的可靠運行。

目前在全國十多個省份得到了廣泛應用，受到了用戶的一致好評。

2.2 第二階段——35kV變電站的兩側箱式

2000年后，把35kV、10kV的開關設備都分別在工廠安裝在預制箱體內，實現(xiàn)了局部模塊化，但仍選用常規(guī)開關柜，體積大，運輸和吊裝不便、操作走廊小，維護不便等問題仍然存在，變電站依然構架林立、存在高壓裸線，易受到外界環(huán)境的影響。

2.3 第三階段——66～110kV模塊化變電站

2006年提出全封閉、全絕緣的模塊化變電站思路；它按電壓等級劃分可分為 35kV模塊化變電站和 66kV及以上模塊化變電站兩種?；舅悸肥菍⒆冸娬景垂δ軇澐譃楦邏洪_關、主變壓器、中壓開關、綜合自動化、中壓配套設備等功能模塊，高壓開關選用封閉式組合電器，進出線用拔插式電纜接頭連接，中壓（10kV）采用緊湊型一體化變電站；綜自系統(tǒng)安裝在非金屬箱體內，工廠內調試完畢，現(xiàn)場整體調試即可完成變電站的建設。采用此種模式可以減小現(xiàn)場的施工及調試的工作量，縮短變電站的施工周期；變電站整體全絕緣、全密封，提高運行的可靠性，并與周圍環(huán)境協(xié)調，容易選擇建設地點；節(jié)省變電站的占地面積；降低變電站的整體造價。使得變電站中不再構架高聳、高壓線如網，與環(huán)境協(xié)調，符合國網公司提出的“兩型一化”的要求。

2008年國內首例“營口浴場變模塊化站”成功投運，該工程已作為遼寧省 66kV變電站建設的樣本工程，并通過了省局的鑒定驗收。2011年 1月 11日國內第一座“110kV貴陽市小河區(qū)四方變模塊化站”，正式投運，運行可靠，得到用戶的一致認可。

2.4 第四階段——35kV箱式模塊化變電站

35kV模塊化變電站，是將35kV變電站劃分為進線模塊、變壓器模塊、中壓開關模塊、綜自模塊及補償模塊，各功能模塊箱式化。進線模塊采用35kV氣體封閉式開關柜（C-GIS），即單元站模式；變壓器模塊、自動化模塊可以在公司內生產、補償模塊外購；中壓開關模塊采用 24kV氣體封閉式開關柜。各模塊在設計中可以進行整合，如將進線模塊中的單元站與變壓器整合成進線變壓器模塊，中壓開關模塊與綜合模塊整合成中壓控制模塊等。自動化裝置分散布置在各模塊中，形成完整意義上的功能模塊。各模塊分別在工廠內預制完成，并通過相應的試驗，現(xiàn)場安裝時只需將一二次電纜簡單連接即可完成變電站建設。其采用的氣體絕緣封閉式組合電器使得變電站整體耐候性較強，實現(xiàn)根據地形靈活布置站內設備，真正意義上的全工況、全絕緣、全封閉、特別適應于多山、選站址困難、高海拔地區(qū)。

3 模塊化變電站設備特點及分析

3.1 進線模塊

各種封閉式組合電器可以作為進線模塊的基礎，如果進出線采用工廠預制的整體式電纜套管及可插拔式電纜插接頭將更能體現(xiàn)模塊化的特點，可更方便于安裝及運行中的維護。

目前，110kV以上電壓等級的封閉式組合電器國內已有不少產品可供選擇，但都無一例外的采用現(xiàn)場制作電纜連接套管，這樣會增加封閉電器現(xiàn)場工作量，同時工作質量難以達到工廠生產的水平，因此套管倉尺寸一般比較大，對運行也是有一定的質量風險。拔插式電纜附件的出現(xiàn)為解決以上問題提供了一個很好的選擇，現(xiàn)階段國內此類電纜附件主要采用的有德國、意大利、日本及臺灣的技術，產品質量比較穩(wěn)定。國內部分高壓開關廠家已經將此類電纜附件應用到封閉式組合電器中，但至今還沒有廠家實現(xiàn)進線模塊的工廠預制。

35kV模塊化變電站的進線模塊主要采用拼裝式，即將戶內開關柜或氣體絕緣封閉式開關柜拼裝到一個預制的金邦板非金屬材料箱體內，箱體采用覆鋁鋅板等雙層金屬材料或金邦板等非金屬材料，中間填充隔熱材料，該箱體可以很好的解決采用雙層彩鋼板所帶來的防潮、隔熱、防凝露、銹蝕等問題。為箱體內的設備創(chuàng)造更好的運行環(huán)境溫度，需要附加空調、溫控和強迫通風裝置。

3.2 變壓器模塊

變壓器模塊需要對常規(guī)變壓器的進出線端子進行改進，一次側采用可拔插的電纜附件或油氣套管與進線模塊相連。二次側可以考慮電纜或架空兩種出線方式，但需要考慮絕緣封閉的要求。

3.3 出線模塊

出線模塊有兩種模式，一種是拼裝式，最初是采用常規(guī)的中置式、手車式或固定式戶內開關柜，由于常規(guī)開關柜體積大而造成整體模塊的體積龐大，運輸、吊裝困難，箱體內的維護通道也比較狹窄，廠家和用戶都感到不便；近幾年來，出線模塊開始采用以永磁機構真空開關為基礎的緊湊型開關柜，由于體積小、重量輕、維護少、吊裝和運輸方便等優(yōu)點，提高了這種模式的可行性，已大量應用在 35kV變電站；隨著永磁開關參數的提升，這種模塊已擴大應用到66kV和110kV變電站。另一種模式是戶外共箱式，將開關設備裝在充氣箱體內，電纜接頭作為進出線連接，并兼隔離斷口功能，外邊再加防護殼體。這種模式專為戶外電力設備設計，結構緊湊，體積小，維護少，布局簡捷，使變電站的建設和運行更加簡化，工廠化特點更加突出。其實現(xiàn)的技術關鍵點有兩個，一是開關設備免維護，二是大電流參數的電纜接頭。美國十多年前已開始采用這種模式，以此為基礎的全絕緣、全密閉型變電站，設計方案靈活，占地非常少；國家電網公司已將共箱式開關設備，及箱式小型化農村變電站作為今后5～10年重點推廣的新技術產品，預計這種模式將有更多應用。

3.4 綜合自動化模塊

綜合自動化模塊主要包括保護屏、交直流屏、電度表屏、通訊屏等后臺部分，都是常規(guī)變電站的標準設備，特別是國家最近提出的數字化變電站，采用開放的IEC61850開放式規(guī)約，目前各個保護廠家正在有條不紊的深入研發(fā)，需要在不斷的實踐中，逐步滿足數字化站的發(fā)展模式。

3.5 無功補償及消弧線圈模塊

無功補償和消弧線圈可以敞開式布置加頂罩，也可采用戶內設備安裝在箱體內，目前在貴陽市小河區(qū)110kV四方變工程得到了實用。

3.6 其余輔助設備

輔助設備中包括變電站消防系統(tǒng)、防雷及接地系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、采暖系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、保安室等，下面分別說明：①消防系統(tǒng)應由設計院進行設計，由用戶進行配置安裝，但在變電站整體排布中考慮了消防的要求，按DLT5056-1996《變電所總布置設計技術規(guī)程》進行設計，在不滿足防火間距的位置加防火墻；②變電站防雷及接地系統(tǒng)按GB50057-94《建筑物防雷設計規(guī)范》及DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》要求進行設計，由用戶進行配置，線路防雷由設備避雷器進行保護；③照明系統(tǒng)按 GB50034-92《工業(yè)企業(yè)照明設計標準》進行設計，由用戶在土建時進行安裝；④采暖系統(tǒng)、排水系統(tǒng)及保安室由設計院進行統(tǒng)一設計后，由用戶在土建時進行施工。

4 模塊化站經濟性能比較

4.1 110kV模塊化站經濟性能比較

1）建站規(guī)模

（1）110kV側：本期2回出線，最終3回出線，擴大內橋接線方式。

（2）10kV側：本期24回出線，最終36回出線，單母分段擴大內橋接線方式，每段12回出線；進線額定電流3150A，開斷容量40kA。出線額定電流1250A，開斷容量31.5kA。

（3）變壓器容量：50000kVA（有載調壓），本期2臺，終期3臺；電壓等級：110/10.5kV接線組別：Y，d11，戶外布置。

（4）4臺電容補償選用 4200kVar集中電容器裝置，終期6臺；接地變及消弧線圈在10kV側選用2臺630kVA干式變壓器，終期3臺。

（5）布置方式：110kV全封閉式組合電器（GIS）及變壓器戶外布置，10kV開關設備安裝在模塊化開關室內，為緊湊型一體化預裝式安裝方式。接地變及消弧線圈、無功補償布置在金邦板箱體內，綜自安裝在金榜板箱體主控室內?？紤]到運輸安裝方便性，將所有設備放置在槽鋼底托上。

2）經濟性能比較（見表1）

表1

（1）模塊化變電站占地面積分別比戶內站、戶外站減少395m2、2027m2，減少13.7%，46.1%，按照17萬元/畝計算，可減少征地費10萬元，51萬元。

（2）在模塊化變電站中，除了門衛(wèi)室，沒有其他任何永久性建筑，站內建筑面積比戶內變電站減少2258m2，建筑工程費少了578萬元，降低60%。

（3）模塊化變電站方案總體投資比戶內方案高29萬元，高出0.62%。模塊化變電站方案土建、現(xiàn)場安裝及試驗的工作量大幅減少，施工周期比戶內、戶外方案縮短4個月。

（4）按照可研報告的經濟評估，預計第一年增售電量收入為796萬元，平均每月增售電量收入為66.3萬元。模塊化變電站方案提前3個月投運，早日發(fā)揮效益，增售電量收入為 198.9萬元，實際要比戶內站減少169萬，綜合性價比很高。

從以上比較中可以看出，模塊化變電站占地面積小、安裝調試工作量少、造價介于戶外型與戶內型變電站之間、整體性能可以達到戶內站的標準、性價比較高。

4.2 35kV模塊化站經濟性能比較

1）建站規(guī)模

（1）35kV側：本期2回出線，主變進線2回，母線PT本期2回；分段、隔離各1回，接線方式，單母分段。額定電流1250A，開斷容量31.5kA。

（2）10 kV側：本期8回出線，單母分段，每段4回出線；10kV母線PT電壓互感器本期 2 回；站用變本期 2 回，額定電流 1250A，開斷容量31.5kA。

（3）變壓器容量： 10000 kVA（有載調壓），本期 2 臺，終期 2 臺；電壓等級：35/10.5kV接線組別：Y，d11，戶外布置。

（4）2臺電容補償選用 1500kVar集中電容器裝置，站用變壓器在10kV側選用2臺30kVA油浸式變壓器。

（5）布置方式：變電所35kV、10kV開關設備安裝在模塊化開關室內，均為緊湊型箱式安裝方式?？紤]到輸安裝方便性，將所有設備放置在槽鋼底托上。

2）經濟性能比較

（1）投資比較（見表2）

表2

（2）技術比較（見表3）

綜合（1）、（2）數據比較中可以看出，由于采用了小型化永磁操動機構開關柜，變電站占地面積小、安裝調試工作量少、造價介于戶外型與戶內型變電站之間、整體性能可以達到戶內站的標準、性價比較高。

4.3 緊湊型永磁固定柜與常規(guī)開關柜占地面積對比

以下箱體的尺寸，按照 1）項建站規(guī)模進行合理的方案設計后，進行比較（見表4）。

表3

表4

以上數據說明，模塊化變電站采用小型化永磁操動機構開關柜，不僅可提高設備的整體運行性能，同時能大量的節(jié)省占地面積，更加有利于解決采用常規(guī)開關柜受道路環(huán)境影響所帶來的運輸問題，縮短了施工周期，為工程盡早送電，創(chuàng)造了必要條件。

5 結論

1）模塊化變電站是一種變電站建設的新模式，是落實“兩型一化”變電站建設思想的具體措施。

2）變電站模塊化可以解決常規(guī)變電站建設土地占用量大、施工周期長、環(huán)境不協(xié)調及施工質量差等問題，具有較大的技術優(yōu)勢。

3）利用模塊化變電站進行變電站建設，較大提高了工作效率，其經濟效益和社會效益也是不容忽視的。

4）變電站建設的模塊化技術是當今世界眾多相關技術發(fā)展的結果，也是市場競爭環(huán)境中尋求電網投資效益的使然。特別是在國家大力提倡發(fā)展智能電網設備的新形勢下，基于永磁操動機構的開關柜，是實現(xiàn)智能化變電站的理想選擇方案之一，尤其對于110kV及以下電壓等級的變電站建設，將具有更大的實用價值。