適應于寒冷地區(qū)的戶外變電站預制艙艙體優(yōu)化設計

尹 星，董彬政，王 維，郭朝云

(河北省電力勘測設計研究院，石家莊 050031)

適應于寒冷地區(qū)的戶外變電站預制艙艙體優(yōu)化設計

尹 星，董彬政，王 維，郭朝云

(河北省電力勘測設計研究院，石家莊 050031)

針對寒冷地區(qū)的氣候特點，通過四個方面對預制艙艙體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計：首先，對預制艙外壁進行熱力學建模分析，通過對比選擇巖棉板作為預制艙保溫材料，并經(jīng)傅里葉熱傳導定律計算合理選擇保溫材料厚度；其次，考慮在極寒狀況下空調(diào)制熱模式啟動困難，選擇電加熱膜作為熱量補償器，保證極寒溫度下光纖熔接的正常施工；再次，優(yōu)化設計預制艙屋頂，采用電伴熱帶實現(xiàn)預制艙屋頂?shù)淖詣尤谘┕δ?；最后，推薦預制艙內(nèi)設置集中接線屏，底部進線方式，避免“冷橋”現(xiàn)象。

變電站；預制艙；寒冷地區(qū)；模塊化

1 概述

隨著資源節(jié)約型與環(huán)境友好型社會建設的逐步推進，智能變電站的設計技術逐步向模塊化發(fā)展。預制艙在變電站中的應用，加快了整站施工進度，提高了工程質(zhì)量，節(jié)約用地，降低成本，為變電站“標準化設計、工廠化加工、模塊化建設”提供了有力支撐，符合“資源節(jié)約型和環(huán)境友好型”變電站建設的要求。我國幅員遼闊，氣候差異大的特點，對預制艙的環(huán)境適應性提出了較高的要求。

“構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)，服務人類社會可持續(xù)發(fā)展”的理念被越來越多的國家認可。全球能源互聯(lián)網(wǎng)是以特高壓交流輸電網(wǎng)以及特高壓直流輸變電系統(tǒng)作為全球能源傳輸通道，特高壓直流輸變電系統(tǒng)的建設將會涉及全球各大洲，而特高壓直流換流站(或柔性直流換流站)接地極一般為無人值守模式，其中二次設備可布置于預制艙內(nèi)。預制艙戶外環(huán)境的復雜性不可預測。由此可知，無論在國內(nèi)還是在國際，預制艙的應用前景廣泛。由于其應用的環(huán)境復雜多變，因此對預制艙結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，以適應各種低溫環(huán)境具有重要的現(xiàn)實意義。

2 寒冷地區(qū)預制艙運行及施工溫度需求

預制艙通常是預制艙組合設備的簡稱，主要由預制艙體、電氣設備、艙體輔助設施等組成[1]。各預制艙組合設備作為功能獨立的配電裝置模塊，全工廠化預制安裝調(diào)試，現(xiàn)場即插即用，各不同模塊現(xiàn)場就位組成完整的變電站或換流站接地極。

國家電網(wǎng)公司《預制艙式二次組合設備技術規(guī)范》中要求預制艙環(huán)境溫度為(-25)～(+55) ℃，極端溫度(-40)～(+55) ℃。根據(jù)國家電網(wǎng)公司監(jiān)控系統(tǒng)招標技術規(guī)范書，監(jiān)控服務器正常工作溫度為(-5)～(+45) ℃。根據(jù)二次設備說明書，220 kV間隔層二次設備工作溫度為(-25)～(+55) ℃，儲存運輸溫度為(-40)～(+55) ℃[1]。

因此預制艙需保證在極端溫度-40 ℃時，預制艙內(nèi)設備在運行狀態(tài)下，艙內(nèi)溫度保持在-5 ℃以上。

而在施工過程中對于光纖熔接和尾纜連接，其環(huán)境溫度要求為(-20)～60 ℃。在低溫環(huán)境下光纖會變得脆弱，在施工過程中經(jīng)常發(fā)生光纖斷裂的情況。因此，在艙內(nèi)設備退出運行時，艙內(nèi)溫度需保持在-20 ℃以上。

3 預制艙外壁熱傳導建模

3.1 熱傳導原理

3.1.1 傅里葉定律

3.1.1.1 溫度場和等溫面

溫度場為某一時刻物體內(nèi)各點溫度分布的總和。物體的溫度分布是空間和時間的函數(shù)，可表述為下式。

t=f(x,y,z,θ)

(1)

式中：t為溫度；x,y,z為空間坐標；θ為時間。

對于一維場的溫度分布表達式為t=f(x,θ)。3.1.1.2 溫度梯度

相鄰兩等溫面的溫度差Δt與兩面間的法向距離Δx之比的極限稱為溫度梯度，即溫度梯度是向量，規(guī)定其以溫度增加的方向為正，與熱量傳遞方向相反。對穩(wěn)定的一維溫度場，溫度梯度可表示為dt/dx。

3.1.1.3 傅立葉定律

傅里葉定律可表述為單位時間內(nèi)傳導的熱量與溫度梯度及垂直于熱流方向的截面積成正比。

(2)

式中：Q為單位時間傳導的熱量，簡稱傳熱速率，W；A為導熱面積，即垂直于熱流方向的表面積，m2；λ為比例系數(shù)，稱為物質(zhì)的導熱系數(shù)，W/(m2·K)(或W/(m2·℃)。

式(2)中的負號是指熱流方向和溫度梯度方向相反，即熱量從高溫向低溫傳遞。傅立葉定律是熱傳導的基本定律[3]。

3.1.2 平壁的穩(wěn)定熱傳導

假設平壁材質(zhì)均勻，λ導熱系數(shù)視為常量(或取平均溫度下的導熱系數(shù))， 溫度只沿著壁厚度方向變化，是一維熱傳導，等溫面為垂直于x軸的平行面。

所謂穩(wěn)定熱傳導，導熱量Q為常量，在x軸對傅里葉定律積分可得：

(3)

3.2 預制艙工程熱傳導模型

預制艙艙體外壁導熱系數(shù)為保溫板的30～40倍，且預制艙艙體外壁的厚度與保溫板相比，可以忽略。因此從熱傳導原理考慮，預制艙工程熱傳導可采用平壁熱傳導模型計算。

當預制艙投入運行后，短時間內(nèi)，外部環(huán)境溫度不會突變，可設為常量，根據(jù)傅里葉定律可得Q=f(t1)，艙內(nèi)溫度t1與Q為一一對應函數(shù)關系。當艙內(nèi)補償功率Q1應等于散熱量Q2時，艙內(nèi)溫度t1將會恒定，可用平壁穩(wěn)定熱傳導模型。

預制艙的穩(wěn)定熱傳導示意如圖1所示。

圖1 預制艙穩(wěn)定熱傳導示意

4 預制艙抗低溫結(jié)構(gòu)設計方案

4.1 保溫材料的選擇

4.1.1 防火要求

我國現(xiàn)行的GB 8624—2006《建筑材料及制品燃燒性能分級》將建筑材料分為A1、A2、B、C、D、E和F 7個等級。GB 8624—1997《建筑材料燃燒分級方法》中，將建筑材料分為A級不燃材料(勻質(zhì)材料)、A級不燃材料(復合材料)、B1難燃材料、B2可燃材料和B3級易燃材料5個等級。由于新舊版本對燃燒材料性能的分級劃分和評價體系有較大差異，2007年公安部消防局下發(fā)了《關于實施國家標準GB 8624-2012<建筑材料及制品燃燒性能分級>若干問題的通知》，規(guī)范了新舊標準中不同分級劃分的對應關系[2]。新舊標準對應表如下表1所示。

表1 新舊標準對比表

名稱級別GB8624—1997GB8624—2006不燃材料(勻質(zhì)材料)不燃材料(復合材料)難燃材料可燃材料易燃材料AB1B2B3A1A2BCDEF

預制艙一般布置于配電裝置區(qū)，對隔熱材料還要求有防火性能有較高的要求，需按照不燃材料進行設計。

4.1.2 常見保溫材料的種類及特點

二次設備預制艙應盡可能采用熱導系數(shù)小的高效保溫隔熱材料，以減少保溫層的厚度，提高室內(nèi)使用面積。目前主要的保溫材料有聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料、巖棉板、玻璃棉等。其材料性能對比見表2。

表2 保溫材料性能對比表

保溫材料導熱系數(shù)燃燒等級優(yōu)點缺點聚苯板0.038～0.041B1/B2保溫效果好,價格便宜燃燒等級低石墨聚苯板0.038～0.032B1保溫效果好燃燒等級較低擠塑聚苯板0.028～0.032B1/B2保溫效果好,強度高,耐超濕施工表面需處理,燃燒等級低聚氨酯泡沫塑料0.025～0.028B1/B2保溫效果好,強度高,耐超濕價格較貴,燃燒等級低酚醛泡沫板0.023～0.030B1保溫效果好,強度高,耐超濕施工表面需處理,燃燒等級較低巖棉板0.037～0.046A防火,耐老化,不燃燒強度較低,吸濕性能較強珍珠巖等漿料0.07～0.09A防火,耐高溫,耐老化,不燃燒保溫效果差,吸水性能高

4.1.3 材料選擇

由表2可知，聚氨酯的熱阻性能和環(huán)保性能均優(yōu)于巖棉板，但防火性能次于巖棉板，且目前巖棉板在加工工藝和施工成本方面均占有較大優(yōu)勢，因此，現(xiàn)階段二次設備艙普遍采用巖棉板作為保溫材料。待技術發(fā)展后，可考慮用性能更優(yōu)的材料替代。

4.1.4 保溫材料厚度設計計算

取極端溫度最低值t2=-40 ℃，設置目標艙內(nèi)溫度t1=-5℃，取巖棉熱傳導系數(shù)最大值λ=0.046，即保溫性能最差時。采用II型預制艙計算，尺寸為12 m×2.8 m×3.2 m，其散熱面積按最大計算，則A=162 m2。

預制艙內(nèi)補償熱功率主要有艙內(nèi)二次設備運行時所散發(fā)的熱量以及空調(diào)(或加熱器)補償熱功率。

以220 kV智能變電站為例，預制艙內(nèi)二次設備散熱量統(tǒng)計表[4-5]如表3所示。

表3 預制艙內(nèi)二次設備散熱量統(tǒng)計表

裝置名稱正常功耗/W設備數(shù)量/臺總正常功耗/W保護裝置5019950測控裝置5011550交換機(16光口)504200交換機(8/12光口)3016480交換機(電口)506300網(wǎng)絡分析單元1202240故障錄波裝置1204480GPS對時裝置1202240直流分電屏10110

預制艙內(nèi)設備散熱量Q1=3 450 W。

則根據(jù)平壁的穩(wěn)定熱傳導計算公式(式3)：

根據(jù)計算結(jié)果，若不采用其他加熱措施，僅靠二次設備自身發(fā)熱量，則巖棉保溫層至少76 mm厚。

經(jīng)上述計算，并且考慮一定裕度，建議預制艙采用不小于80 mm的巖棉保溫板，即可保證預制艙內(nèi)二次設備投入運行后，艙內(nèi)溫度維持在-5 ℃以上。

4.2 加熱設備選擇

當預制艙內(nèi)二次設備退出運行時，需采取其他加熱措施，保證艙內(nèi)最低工作溫度為-20 ℃。

根據(jù)熱力計算公式(式3)，需補償熱量為：

因此預制艙內(nèi)制熱功率應不小于1 490 W。當外部環(huán)境溫度過低時，空調(diào)在加熱模式下啟動較為困難，因此可考慮采用電地暖的加熱方式。根據(jù)上述計算結(jié)果，電地暖功率可選2 000 W。

預制艙電纜夾層高度空間一般為200 mm，考慮到接線維護的便利性以及加熱系統(tǒng)的可靠性，加熱源的厚度的選擇不宜超過100 mm，因此可選擇電熱膜式加熱器。經(jīng)計算，預制艙地板夾層可用于安裝電熱膜的區(qū)域為5×1.4=7 m2，分別選擇寬度為500 mm和800 mm的電熱膜1套，則可鋪設面積為5×1.3=6.5 m2。如下圖2所示。

圖2 預制艙電加熱示意

4.3 防雪措施設計方案

為了避免冬季積雪過后，產(chǎn)生屋面變形滲水，甚至裂縫，減少因長期潮濕環(huán)境對艙體結(jié)構(gòu)和支撐件的腐蝕，應保持天溝的通暢，及時將融雪排走。因此預制艙采用雙坡屋頂，部分頂部結(jié)構(gòu)現(xiàn)場搭建，增大屋面坡度。屋面采用散排水方式，屋檐不設女兒墻。同時在屋面敷設自限溫式電伴熱帶，在艙頂相關位置安裝結(jié)冰(或溫濕度)傳感器，由艙內(nèi)溫控器通過控制電伴熱帶加熱電源功率實現(xiàn)自動融雪功能。

4.4 優(yōu)化預制艙對外走線以避免“冷橋”現(xiàn)象

“冷橋”現(xiàn)象是指房屋外墻轉(zhuǎn)角、內(nèi)外墻交角、樓屋面與外墻搭接角的區(qū)域范圍，在室內(nèi)溫度高于室外溫度時，產(chǎn)生水霧吸附于墻面的現(xiàn)象稱為“冷橋”現(xiàn)象。北方是“冷橋”現(xiàn)象多發(fā)的地區(qū)，因為冬天北方天氣比較寒冷，室內(nèi)外溫度差異較大，在屋內(nèi)外的連接處由于局部的導熱系數(shù)變大，熱傳遞能力增強，導致局部溫度劇降，屋內(nèi)的熱空氣遇冷形成水霧吸附于墻體，便會出現(xiàn)房屋潮濕、霉變的現(xiàn)象。

對于預制艙而言，避免“冷橋”現(xiàn)場的發(fā)生，對于艙體的保溫性，及艙體的使用壽命具有重要的意義。目前，預制艙對外走線有2種方案：一種為艙內(nèi)外開門，設置防雨棚，可在預制艙外施工接線，此方案便于施工，但由于需改變艙體結(jié)構(gòu)，內(nèi)外開門增加轉(zhuǎn)角數(shù)量，易發(fā)生“冷橋”現(xiàn)場，且對于艙體的保溫性有較大損傷，因此不推薦采用；另一種為預制艙內(nèi)設置集中接口柜，底部進線方式。此方案不破壞艙體結(jié)構(gòu)，保溫性能好，可以避免“冷橋”現(xiàn)象以及沙塵侵入，可推薦采用。預制艙對外走線如圖3所示。

圖3 預制艙對外走線示意

5 結(jié)束語

預制艙式二次組合設備具有施工簡便，施工周期短，可維護性高的特點，適用于無人值守的戶外模塊化變電站及換流站或柔性直流換流站的接地極。通過合理優(yōu)化預制艙的結(jié)構(gòu)設計，以適應低溫運行及施工環(huán)境，可以提高預制艙的環(huán)境適用范圍，推廣應用前景廣泛。

[1] Q/GDW 11157—2014，預制艙式二次組合設備技術規(guī)范[S].

[2] GB 8624—2012，建筑材料及制品燃燒性能分級[S].

[3] 沈維道，童鈞耕. 工程熱力學[M]. 北京：高等教育出版社，2016.

[4] 國家電網(wǎng)公司. 國家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設計：35 kV～110 kV智能變電站模塊化建設施工圖設計[M].北京：中國電力出版社，2016.

[5] 包紅旗.智能模塊化變電站[M]. 北京：中國水利水電出版社，2016.

Prefabricated Cabin Structure Optimized Design in Outdoor Substation for Adapting to Cold Region

Yin Xing，Dong Binzheng，Wang Wei，Guo Chaoyun

(Hebei Electric Power Design & Research Institute，Shijiazhuang 050031，China)

According to the climate characteristics, optimizes the design of the prefabricated cabin structure in four aspects.First,the thermal modeling of the outer wall of the prefabricated cabin is carried out.Through comparison,the rock wool board is selected as the insulation material of the prefabricated cabin, and the thickness of the insulation material is reasonably selected by the Fourier heat equation.Secondly,in the extreme cold condition, it is difficult to start the air conditioning heating mode, and the electric heating screen is selected as the heat compensator to ensure the normal construction of the optical fiber welding under the extremely cold temperature. Thirdly, the roof of prefabricated cabin is optimized,and the automatic snow melting function of prefabricated cabin roof is realized by adopting electric heating belt.Finally, it is recommended that the centralized wiring panel and the bottom line approach be installed in the prefabricated cabin to avoid the "cold bridge" phenomenon.

substation;prefabricated cabin;cold region;modular

2017-08-25

尹 星(1988-)，男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護、自動化及二次系統(tǒng)方面的設計和研究工作。

TM63

B

10001-9898(2017)06-0039-03

本文責任編輯：齊勝濤