模塊化智能變電站在電力工程設(shè)計中的應(yīng)用

◎張群 廣州匯雋電力工程設(shè)計有限公司

二十世紀中期以前，我國變電站建設(shè)型式大部分都是采用戶外常規(guī)敞開式變電站，將除開關(guān)柜外的其他高壓設(shè)備都布置在戶外。二十世紀中后期，城市經(jīng)濟建設(shè)快速發(fā)展，城市用地愈發(fā)緊張，城市環(huán)境要求越來越高，戶外常規(guī)敞開式變電站已不再適合城市發(fā)展規(guī)劃，戶內(nèi)變電站逐步增多。2007年12月，國家電網(wǎng)公司發(fā)布了《國家電網(wǎng)公司“兩型一化”變電站設(shè)計建設(shè)導(dǎo)則》，全面開展“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型、工業(yè)化”（簡稱“兩型一化”）變電站建設(shè)。2013年國家電網(wǎng)公司結(jié)合“兩型一化”要求提出標準配送式變電站的概念，模塊化變電站成為主流變電站的建設(shè)模式。

1.傳統(tǒng)變電站缺點

占地面積大。傳統(tǒng)變電站一次設(shè)備多為戶外或戶內(nèi)布置，設(shè)備本身體積差別不大，而二次設(shè)備多為晶體管型和電磁型，設(shè)備體積龐大而且比較笨重，需相應(yīng)擴大主控室和繼電保護室的面積以滿足二次設(shè)備布置要求，征地投資增大。

供電質(zhì)量不穩(wěn)定。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活質(zhì)量的提高，供電質(zhì)量要求越來越高。衡量電能質(zhì)量的主要指標為電壓和頻率，傳統(tǒng)變電站大多數(shù)不具備調(diào)節(jié)電壓的手段，無法滿足目前電力市場發(fā)展需求。

供電安全性和可靠性不滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)的要求。傳統(tǒng)變電站采用的是常規(guī)電氣設(shè)備，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性不高，且不具備故障自診斷的能力，安全性和可靠性均無法滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)高可靠性的要求。

設(shè)備運維工作量大。傳統(tǒng)變電站二次設(shè)備多為晶體管型或電磁型，容易受運行環(huán)境的溫濕度影響，需定期停電校驗其整定值，增加維護工作量。

2.模塊化智能變電站的構(gòu)成

模塊化智能變電站是一種新型的順應(yīng)時代發(fā)展的變電站，以220kV變電站為例，一般分為主變壓器模塊、220kV開關(guān)模塊、110kV開關(guān)模塊、10kV開關(guān)模塊、電容器組模塊、電抗器模塊、站用變模塊、接地變模塊以及配套的綜合自動化模塊等八個主要功能模塊。

主變壓器模塊220kV、110kV部分進線主要采用插拔的方式實現(xiàn)與進線電纜的有效電氣連接，10kV部分主要采用全絕緣封閉母線橋或多股電纜連接方式實現(xiàn)與10kV開關(guān)模塊的連接。220kV開關(guān)模塊、110kV開關(guān)模塊主要為氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS），預(yù)裝在一體化開關(guān)室內(nèi)，現(xiàn)場可拼裝，通過插拔的方式實現(xiàn)與進線電纜的有效電氣連接。10kV開關(guān)模塊采用組合電器，預(yù)裝在一體化開關(guān)室內(nèi)，現(xiàn)場可拼裝，也可選擇箱式開關(guān)室，通過全絕緣封閉母線橋或多股電纜連接方式實現(xiàn)與主變壓器模塊的連接。電容器組模塊、電抗器模塊、站用變模塊、接地變模塊由工廠預(yù)制，可與10kV開關(guān)模塊進行拼裝或獨立安裝。綜合自動化模塊采用一體化預(yù)制艙型式，與其他模塊采用控制電纜和通信電纜進行連接。

3.模塊化智能變電站在工程設(shè)計中的應(yīng)用

3.1 模塊化智能變電站的設(shè)備選型

對于設(shè)備容量、額定電流等常規(guī)設(shè)備參數(shù)，模塊化智能變電站設(shè)備選型與傳統(tǒng)變電站并無較大差異，可根據(jù)系統(tǒng)要求進行配置。為實現(xiàn)模塊化設(shè)備“即插即用”功能，對于主變壓器模塊，需對接線端子進行改造，采用可插拔的電纜附件與進線模塊連接；對于220kV開關(guān)模塊、110kV開關(guān)模塊，工程設(shè)計時考慮利用氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）作為模塊的基礎(chǔ)形式，結(jié)合設(shè)備廠家的工廠預(yù)制化工藝，將斷路器、隔離開關(guān)、電壓互感器、電流互感器等高壓設(shè)備進行高度集成，進出線采用可插拔的整體式電纜套管和電纜插接頭，充分體現(xiàn)模塊化變電站的特點，便于維護和檢修；對于10kV開關(guān)模塊，可選用金屬鎧裝移開式開關(guān)柜或固定柜，在工廠提前預(yù)制為可拼裝的開關(guān)室，現(xiàn)場進行拼裝，減少施工時間，但需同時考慮開關(guān)室的運輸及吊裝問題。綜合自動化模塊主要有變電站的繼電保護系統(tǒng)、調(diào)度自動化系統(tǒng)、智能監(jiān)控系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等，10kV保護系統(tǒng)可在工廠提前預(yù)制在10kV開關(guān)模塊內(nèi)，其余部分安裝在預(yù)制式中央控制室內(nèi)。

3.2 模塊化智能變電站的總平面布置

變電站總平面布置需遵循《總圖制圖標準》（GB/T 50103-2010）和《變電站總布置設(shè)計技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5056-2007），總平面布置必須樹立全局觀念，因地制宜采用成熟的新材料、新工藝、新布置，滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。另外，還需符合國家土地政策，合理使用土地，提高土地利用率，通過多種方案的技術(shù)經(jīng)濟比較，不斷優(yōu)化設(shè)計方案，盡可能降低工程造價，縮短建設(shè)周期。

依據(jù)以上原則，結(jié)合工程地理環(huán)境特點，以南方地區(qū)為例，應(yīng)盡量使變電站各功能模塊避免大面積長期日曬，可將各開關(guān)室以坐北朝南的方向布置，即開關(guān)室長邊朝向南北方向，可有效減少日曬影響。另外，還需考慮當?shù)厮臍庀髼l件，對于沿海地區(qū)，需考慮臺風(fēng)影響，適當調(diào)整變電站總體布置，減小受風(fēng)面積。當下，城市環(huán)境要求越來越高，模塊化變電站設(shè)計時，可結(jié)合當?shù)貧v史人文情況設(shè)計各個模塊的外立面，使變電站總體外立面與周邊環(huán)境融為一體，實現(xiàn)與周邊環(huán)境的有機結(jié)合，整體協(xié)調(diào)統(tǒng)一，可參考周邊大型建筑的外立面設(shè)計，并征詢當?shù)匾?guī)劃部門的意見。

總之，在設(shè)計模塊化變電站總平面布置時，不僅要考慮變電站的土地使用、地理氣候條件和當?shù)厝宋那闆r，同時還需結(jié)合變電站的總體節(jié)能要求，合理布置變電站的總體朝向和各功能模塊的位置。

4.模塊化智能變電站的節(jié)能分析

如前面分析，模塊化變電站主要在工廠按照各功能模塊分別預(yù)制，在現(xiàn)場拼裝而成，為達到變電站節(jié)能要求，需對預(yù)制艙結(jié)構(gòu)、材質(zhì)以及預(yù)制艙外立面顏色等方面進行考慮。

為保證預(yù)制艙艙體的抗震、防風(fēng)性能，預(yù)制艙艙體結(jié)構(gòu)主要采用高強度型鋼組成的骨架作為艙體承重框架，可在艙體頂部、底部和艙體墻面等位置設(shè)置適量的通風(fēng)口，確保艙體內(nèi)部空氣可與外部空氣進行交換。通風(fēng)口需進行改造，根據(jù)內(nèi)外環(huán)境溫度變化進行換氣，保持艙體內(nèi)外氣壓平衡，當艙體內(nèi)部溫度升高（下降）至制冷設(shè)備啟動溫度時，通風(fēng)口自動關(guān)閉，使艙體內(nèi)形成封閉式的空氣隔熱體。

艙體墻壁主要由（由外至內(nèi)）纖維水泥外墻掛板、換氣層、防潮防濕薄膜、定向結(jié)構(gòu)刨花板、保溫材料、方管或其他鋼結(jié)構(gòu)、耐水耐火防潮型紙面石膏板等材料組成，這種墻壁具有卓越的隔熱性以及氣密性，能有效防止室內(nèi)產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象的發(fā)生，無需擔(dān)心長期使用會導(dǎo)致箱體腐朽，同時具有防塵、防腐、防潮、防火性能。外墻所用的金邦板材料具有綠色環(huán)保、輕質(zhì)高強、隔音隔熱、耐水防火、耐候抗凍等方面的特點，保證了預(yù)制艙的節(jié)能效果。

研究數(shù)據(jù)表明，不同顏色吸收的太陽光熱量不同，淺色系太陽光熱量吸收系數(shù)遠低于深色系，以白色和黑色為例，黑色吸收的熱量為太陽光輻射熱量的85%，而白色僅為20%。工程設(shè)計時，需根據(jù)當?shù)貧夂驐l件合理選擇預(yù)制艙外立面顏色。在我國南方地區(qū)，氣候多為冬暖夏熱，推薦采用白色作為主色調(diào)搭配其他淺色系顏色設(shè)計預(yù)制艙外立面；在北方地區(qū)，氣候多為冬冷夏熱，為兼顧夏季的隔熱性能，推薦采用白色作為主色調(diào)搭配其他深色系顏色設(shè)計預(yù)制艙外立面。

5.結(jié)語

模塊化智能變電站作為一種新型的建站方式，具有高效率、低能耗、低污染等特點。隨著我國社會經(jīng)濟和電力系統(tǒng)規(guī)模不斷發(fā)展，土地和人工資源將愈發(fā)緊缺，模塊化智能變電站容易選擇建設(shè)地點，節(jié)省土地資源，且可以縮短施工周期，降低變電站的整體造價，將會越來越多的應(yīng)用在電力工程建設(shè)上。