模塊化變電站預制艙應用及設計探討

李仲元，楊輔榮，孔憲揚

（中國能源建設集團安徽省電力設計院有限公司，安徽 合肥 230601）

0 前言

隨著我國電力需求的不斷增長，對電力基礎設施的建設提出了更高的要求，變電站是其中的重要組成部分。傳統(tǒng)變電站的建設存在著施工濕作業(yè)時間長，對環(huán)境影響較大等問題，在國網(wǎng)大力推廣模塊化變電站的背景下，預制艙有著很好的應用前景，110kV-220kV電壓等級戶外變電站電氣二次設備室可采用預制艙的形式。在美國二十世紀八十年代中期，預制艙就已經(jīng)應用在整體模塊化式33kV變電站，在日本二十世紀九十年代，66kV變電站開始應用預制艙。在國內(nèi)，預制艙由于其運輸方便、現(xiàn)場安裝簡單等特點，已廣泛應用于通信機房、戰(zhàn)地醫(yī)院和活動房等。在電力行業(yè)，35kV、10kV預制艙式變電站已在工程中得到應用，并在110kV-220kV變電站中具有廣泛的應用前景。二次設備室是變電站中重要的組成部分，本文針對預制艙形式二次設備室，通過綜合比選，確定了預制艙結(jié)構(gòu)形式、材料種類、保溫隔熱以及安裝運輸方式等方面，并研究了組合式艙體的應用前景，以期為今后模塊化變電站設計提供參考。

1 預制艙選型

依據(jù)國家電網(wǎng)二次組合設備技術規(guī)范規(guī)定，考慮到目前設備艙的運輸以公路運輸為主，為適應公路運輸?shù)奶攸c，提高運輸效率及可靠性，變電站內(nèi)單個預制艙尺寸和平柜尺寸各分為3個等級，如表1所示。預制艙尺寸的選擇要考慮多種因素，如二次設備的數(shù)量和尺寸，電纜溝尺寸等因素。預制艙體形式可分為標準集裝箱、鋼結(jié)構(gòu)箱房和預制混凝土箱房。其中標準集裝箱按常用制造材料可分為鋼制集裝箱、鋁合金集裝箱、不銹鋼集裝箱和玻璃鋼集裝箱，其特點如表2所示。

表1 變電站預制艙及屏柜規(guī)格

表2 不同材料集裝箱特點

鋼結(jié)構(gòu)箱房主要由底座、側(cè)板、隔板門和頂蓋等部分組成。預制混凝土箱房采用模塊化結(jié)構(gòu)，箱體模塊、進線模塊、主變壓器模塊、自動化模塊、出線模塊和無功補償模塊等，兩種箱的特點如表3所示。

表3 不同材料箱房特點

通過以上對比，標準集裝箱較適合作為變電站預制艙式二次組合設備艙，整體結(jié)構(gòu)及零部件均為國際通用標準，設計較成熟，利用現(xiàn)有產(chǎn)能和裝備，便于批量生產(chǎn)，便于運輸，經(jīng)濟效益好。若采用鋼結(jié)構(gòu)，艙體整體框架及所有安裝、固定、對接零部件均需根據(jù)二次設備室的特點重新研制、生產(chǎn)，短期內(nèi)不適用于批量生產(chǎn)和標準化設計。若采用混凝土箱，箱體自重大，安裝運輸困難，經(jīng)濟效益低。故推薦采用標準集裝箱作為預制艙艙體。

2 預制艙設計

預制艙的設計包括艙體框架、艙體外墻、艙體內(nèi)墻、艙體夾層、艙體頂板、艙體底板設計等，預制艙式二次設備室須具有良好的機械強度和剛度，保證預制艙在運輸和安裝過程中不會損壞和變形，同時在使用過程中預制艙應滿足抗震要求，集裝箱艙體框架作為主要受力構(gòu)件須具有一定的強度，故集裝箱艙體框架推薦采用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼制作。

2.1 艙體外墻

集裝箱外墻材料應采用輕質(zhì)高強、耐水防腐、阻燃隔熱，隔音性能強的材料。目前可作為外墻材料的有耐候鋼、金邦板、復合壓型鋼板、復合纖維水泥板、鋁板和不銹鋼板，綜合經(jīng)濟技術指標對比如表4所示，其中材料價格按制造III型號尺寸艙體計算得出。金邦板自重輕，易于安裝，且具有較好的保溫隔熱性能，綜合考慮，推薦采用金邦板作為艙體的外殼材料。

表4 外側(cè)板材料綜合對比

2.2 艙體內(nèi)墻

集裝箱內(nèi)墻應采用防火性能好的材料，目前可以作為內(nèi)墻材料的有壓花鋁板、鍍鋁鋅板、石膏板或彩鋼板，綜合經(jīng)濟技術指標對比如表5所示，其中材料價格按制造III型號尺寸艙體計算得出。綜合考慮材料性能和經(jīng)濟性，鋁塑復合板具有強度高、防火性能好、易保養(yǎng)等特點，且性價比較高，推薦作為艙體內(nèi)墻材料。

表5 內(nèi)側(cè)板材料綜合比較表

2.3 艙體夾層

由于預制艙置于戶外，需隔熱保溫，因此采用雙層結(jié)構(gòu)，夾層中填充隔熱保溫材料。目前常用的保溫材料有無機類和有機類保溫材料兩種。有機類保溫材料主要有聚氨酯泡沫、聚苯板、酚醛泡沫等，它具有重量輕、致密性高、保溫隔熱效果好等優(yōu)點，缺點有不耐老化、易燃燒、施工難度大且工程成本較高。無機保溫材料主要有玻璃棉、巖棉、膨脹珍珠巖，它具有不易燃燒、吸水率低等特點，能夠達到A級防火。巖棉保溫板具有優(yōu)良的防火、防潮、保溫和吸音性能，并且施工及安裝方便、節(jié)能效果顯著，性價比高。綜合考慮上述條件及經(jīng)濟性等因素，選擇優(yōu)質(zhì)防火巖棉材料作為設備艙夾層材料，巖棉外表面覆蓋隔熱薄膜，可起到很好的隔熱效果。

2.4 艙體頂板和底板

預制艙頂部結(jié)構(gòu)設計需考慮具體工程氣象條件，以滿足抗風、抗震、防腐和防水要求。推薦預制艙采用可拆卸型式坡屋面，采用冷軋鋼板，經(jīng)過噴砂和熱噴鋅處理。頂部采用有組織排水，坡度不小于5%，對于北方多雪及南方多雨地區(qū)，可適當增大屋面坡度，以預防積雪和利于排水。艙體底板可采用型鋼結(jié)構(gòu)，增加艙體的剛度，艙體內(nèi)地板可采用防靜電陶瓷地板。

3 運輸、吊裝方式

預制艙參考集裝箱運輸主要有公路運輸、鐵路運輸、海運等，考慮我國變電站建設特點，推薦采用公路運輸方式，使用集裝箱式專用平板車運輸，艙體需與平板緊固，如圖1所示。在配備集裝箱公路運輸車輛時，首先考慮所運輸?shù)念A制艙規(guī)格尺寸和額定總重量，按照集裝箱標準選擇公路運輸車輛。預制艙常用吊裝方式有上部起吊和下部起吊。現(xiàn)場安裝時，考慮集裝箱內(nèi)已安裝設備，采用下部起吊方式，上部起吊僅用于空箱轉(zhuǎn)運。

圖1 預制艙運輸圖

4 組合式艙體

110 kV-220kV變電站二次設備室在通常情況下采用單個預制艙即可滿足，當二次設備室較大時，若采用整艙形式，尺寸過大不方便運輸，因而可采用組合式艙體，及將多個預制艙串聯(lián)拼接，如圖2所示。各部分預制艙在拼接前進行合理的設計，到現(xiàn)場后可以進行快速的拼接。多預制艙拼接方案主要考慮兩個方面，即拼接接口設計和運輸便利。為了達到標準化設計和工廠化生產(chǎn)的目的，二次設備艙宜采用標準尺寸，并采用標準化的接口設計。艙體單元由于缺少一面或兩面墻壁，在吊裝、運輸和拼接過程中，須安裝輔助支撐以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全。

圖2 艙體組合

5 結(jié)論

在國家電網(wǎng)公司大力推廣模塊化變電站的背景下，在110kV-220kV電壓等級戶外變電站中，二次設備室可采用預制艙的形式。通過分析比選，結(jié)合電器設備室的特點和經(jīng)濟性要求，確定了預制艙的結(jié)構(gòu)形式和制作材料。預制艙結(jié)構(gòu)推薦采用集裝箱形式，集裝箱艙體框架推薦采用鋼框架，艙體外墻推薦采用金邦板，艙體內(nèi)墻宜采用鋁塑復合板，艙體夾層宜采用優(yōu)質(zhì)防火巖棉，艙體頂板宜采用冷軋鋼板，底板采用型鋼鋪設，并采用防靜電陶瓷地板，考慮到艙體內(nèi)已安裝有設備，在施工起吊時宜采用下部起吊。對于尺寸較大的建筑物，可采用組合式艙體，由數(shù)個單一艙體拼接而成，以解決艙體過大運輸困難的問題。