戶內(nèi)變電站GIS 室土建先行方案研究

程擁軍，田效軍，李國(guó)堯，金 誠(chéng)，安春秀

(1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司衢州供電公司，浙江 衢州 324000；2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 310012)

0 引言

為有效緩解城市空間資源與變電站用地日益緊張的矛盾，推動(dòng)變電站建設(shè)與城市環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，許多城市均開(kāi)展了變電站“入公建”建設(shè)。在此模式下，政府將變電站建設(shè)直接納入?yún)^(qū)塊規(guī)劃，引進(jìn)投資主體對(duì)地塊進(jìn)行同步開(kāi)發(fā)、同步建設(shè)，待變電站建筑工程完工后移交給電網(wǎng)主體，再實(shí)施電氣工藝配套項(xiàng)目。

戶內(nèi)變電站設(shè)備布置緊湊、工藝復(fù)雜，受電氣設(shè)備資料制約明顯。在以往工程中，需要待業(yè)主完成設(shè)備招標(biāo)并確認(rèn)設(shè)備資料后才開(kāi)始土建設(shè)計(jì)。由于設(shè)備型號(hào)多、設(shè)備招標(biāo)以及資料確認(rèn)環(huán)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，專業(yè)配合和圖紙?jiān)O(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，嚴(yán)重影響了變電站建設(shè)周期，也制約了變電站“入公建”項(xiàng)目建設(shè)的推進(jìn)。

馬曉元[1]對(duì)220 kV 變電站土建先行的必要性和可行性進(jìn)行了論證和探討，建議一期施工時(shí)，220 kV 戶內(nèi)氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備室(gas insulated metal-enclosed switchgear room，GIS室)先不布置框架梁，等設(shè)備確定后再根據(jù)工藝要求采用植筋的方式布置框架梁和樓板。夏泉[2]等提出GIS 房間預(yù)留大孔洞，土建先行時(shí)不對(duì)設(shè)備布置區(qū)的樓板進(jìn)行設(shè)計(jì)，二期再對(duì)GIS樓板進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。趙平[3]等針對(duì)預(yù)埋件焊接方式的缺點(diǎn)，提出了采用化學(xué)錨栓錨固作為GIS間隔和基礎(chǔ)之間固定的新型固定方法，通過(guò)計(jì)算分析滿足強(qiáng)度要求。張博等[4]提出了一種戶內(nèi)變電站GIS 設(shè)備基礎(chǔ)雙向可調(diào)控埋件，其原型為哈芬埋件。

以往研究對(duì)變電站土建先行提出了很多有益的思路，值得借鑒。但往往設(shè)備區(qū)域的結(jié)構(gòu)梁板需在設(shè)備確定后再實(shí)施，后期工作量偏大；110 kV 及以上GIS 室預(yù)留大孔洞等思路，缺少?gòu)S家資料支撐和工程實(shí)施的具體建議。在設(shè)備資料完全未定的情況下，如何確定設(shè)備基礎(chǔ)、設(shè)備埋件、結(jié)構(gòu)留孔、電氣埋管等，缺少成熟的土建先行模式。

戶內(nèi)變GIS 室[5]由于布置方式不同、設(shè)備廠家眾多、安裝方式各異，給土建設(shè)計(jì)帶來(lái)的制約因素最多，一旦出現(xiàn)土建設(shè)計(jì)、施工與最終設(shè)備基礎(chǔ)要求不匹配的情況，現(xiàn)場(chǎng)修改非常困難。有必要積極開(kāi)展戶內(nèi)變GIS 室土建先行方案研究，具有廣泛的應(yīng)用前景和管理效益。

1 戶內(nèi)變GIS室土建接口研究

不同廠家的GIS 布置差異較大，制約土建設(shè)計(jì)。因此，首先有必要對(duì)GIS 廠家進(jìn)行深度調(diào)研，確定設(shè)備與土建接口，減少設(shè)計(jì)前期對(duì)設(shè)備資料的依賴。

1.1 220 kV GIS電氣與土建接口

經(jīng)過(guò)調(diào)研，220 kV GIS 斷路器主要分為臥式布置和立式布置兩種。以常規(guī)220 kV GIS 電纜間隔為例，220 kV GIS 斷路器布置如圖1 所示，臥式布置220 kV GIS 斷路器范圍統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1 所列，立式布置220 kV GIS斷路器范圍統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2所列。

表1 臥式布置220 kV GIS斷路器范圍統(tǒng)計(jì) mm

表2 立式布置220 kV GIS斷路器范圍統(tǒng)計(jì) mm

圖1 220 kV GIS斷路器布置圖

通過(guò)整理不同廠家的電氣設(shè)備要求，GIS室土建先行建設(shè)時(shí)，220 kV GIS 電纜筒中心至匯控柜中心總長(zhǎng)定為7 700 mm 可以包絡(luò)不同廠家要求，這樣就保證了電纜開(kāi)孔位置與二次電纜溝之間的位置，從而為后續(xù)的土建設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1.2 110 kV GIS電氣與土建接口

經(jīng)過(guò)調(diào)研，110 kV GIS 斷路器均為立式布置，以常規(guī)110 kV GIS 電纜出線間隔為例，110 kV GIS 斷路器布置見(jiàn)圖2 和表3。

表3 110 kV GIS斷路器范圍統(tǒng)計(jì) mm

圖2 110 kV GIS斷路器布置圖

同理，通過(guò)整理不同廠家的電氣設(shè)備要求，GIS 室土建先行建設(shè)時(shí)，110 kV GIS 電纜筒中心至匯控柜中心總長(zhǎng)定為6 200 mm 可以包絡(luò)不同廠家要求。

1.3 500 kV GIS電氣與土建接口

經(jīng)調(diào)研，500 kV GIS 斷路器布置有Z 字型和一字型兩種型式。以常規(guī)500 kV GIS 串為例，500 kV GIS 斷路器布置范圍統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4 所列。

表4 500 kV GIS斷路器范圍統(tǒng)計(jì) mm

同理，通過(guò)整理不同廠家的電氣設(shè)備要求，GIS 室土建先行建設(shè)時(shí)，500 kV GIS 斷路器至匯控柜中心總長(zhǎng)定為8 200 mm 可以包絡(luò)不同廠家要求。

1.4 330 kV GIS電氣與土建接口

經(jīng)調(diào)研，330 kV GIS 斷路器接線有雙母線和一臺(tái)半斷路器接線，以典型330 kV GIS 線路間隔為例，330 kV GIS斷路器布置范圍統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5所列。

表5 330 kV GIS斷路器范圍統(tǒng)計(jì) mm

同理，通過(guò)整理不同廠家的電氣設(shè)備要求，GIS 室土建先行建設(shè)時(shí)，330 kV GIS 斷路器至匯控柜中心總長(zhǎng)定為8 200 mm 可以包絡(luò)不同廠家要求。

2 戶內(nèi)變GIS室結(jié)構(gòu)留孔布置方案

對(duì)主流的220 kV GIS 設(shè)備、110 kV GIS 設(shè)備資料整理，戶內(nèi)變GIS 室先行建設(shè)時(shí)結(jié)構(gòu)留孔按包絡(luò)設(shè)計(jì)，根據(jù)研究，土建先行階段可以確定一次電纜開(kāi)孔和主電纜溝定位，建議布置方案如下：

1) 220 kV GIS 設(shè)備的地面一次電纜開(kāi)孔寬度1 500 mm，孔中心離出線方向墻體距離2 000 mm，一次開(kāi)孔長(zhǎng)度覆蓋相鄰電纜間隔。架空出線時(shí)外墻開(kāi)長(zhǎng)孔，孔中心離室內(nèi)標(biāo)高2 500 mm，孔高800 mm，孔上方預(yù)留過(guò)梁，長(zhǎng)度覆蓋所有架空間隔。

2) 110 kV GIS 設(shè)備的地面一次電纜開(kāi)孔寬度1 000 mm，孔中心離出線方向墻體距離2 400 mm，一次開(kāi)孔長(zhǎng)度覆蓋所有間隔。

3)所有一次電纜開(kāi)孔范圍前期預(yù)留插筋和企口，后續(xù)根據(jù)設(shè)備資料二次現(xiàn)澆樓板。

以某220 kV 戶內(nèi)變電站為例，220 kV 和110 kV GIS 室電氣留孔和電纜溝平面布置如圖3 和圖4 所示。220 kV GIS 室設(shè)備布置斷面如圖5 所示。

圖3 220 kV GIS室電氣留孔和電纜溝平面布置圖

圖4 110 kV GIS室電氣留孔和電纜溝平面布置圖

圖5 220 kV GIS室設(shè)備斷面布置圖

3 戶內(nèi)變GIS室結(jié)構(gòu)埋管布置方案

戶內(nèi)變GIS 室先行建設(shè)時(shí)，本研究建議結(jié)構(gòu)埋管布置方案如下。

110 kV 及220 kV GIS 室采用結(jié)構(gòu)降板，在匯控柜前預(yù)留2 條600 mm×400 mm 的二次電纜溝。匯控柜柜底開(kāi)孔與二次淺溝采用埋管形式連接，埋管分別埋設(shè)至兩條小電纜溝。溝壁采用素混凝土，電纜溝蓋板覆蓋。二次電纜通道詳圖如圖6 所示。

圖6 二次電纜通道詳圖

二次電纜溝采用淺埋式電纜溝方式，主要設(shè)備區(qū)域二次電纜不再進(jìn)入電纜層，做到電纜層動(dòng)力電纜和控制電纜敷設(shè)在不同區(qū)域的要求。

4 戶內(nèi)變GIS室埋件布置方案

GIS 基礎(chǔ)及埋件數(shù)量眾多，不同廠家GIS基礎(chǔ)及埋件相差很大，目前尚無(wú)通用的可能。GIS 設(shè)備的埋件主要承擔(dān)向下的荷載，但在斷路器的位置可能承擔(dān)20～30 kN 的上拔荷載。戶內(nèi)變GIS 先行建設(shè)時(shí)，很難確定埋件定位，本研究建議結(jié)構(gòu)埋件布置方案如下：

考慮土建先行階段暫不實(shí)施埋件，利用GIS 室降板，為減少自重并滿足受力要求，結(jié)構(gòu)板上澆筑高強(qiáng)度輕骨料混凝土層，強(qiáng)度等級(jí)為L(zhǎng)C20～LC30。待GIS 招標(biāo)確定之后，采用化學(xué)錨栓等后錨固方式固定。220 kV、110 kV GIS 室埋件多、布置分散，采用化學(xué)錨栓方式固定，可以靈活適應(yīng)不同廠家要求，便于土建先行施工。

5 技術(shù)方案論證

在土建先行階段，戶內(nèi)變GIS 室完成結(jié)構(gòu)梁板和輕骨料混凝土層施工，布置一次電纜孔和二次電纜溝；根據(jù)設(shè)備全部上齊的原則，建筑電氣專業(yè)將動(dòng)力照明、接地干線、火災(zāi)報(bào)警等設(shè)施一次性上齊；暖通專業(yè)完成預(yù)估的通風(fēng)量計(jì)算及風(fēng)機(jī)設(shè)置。

在后續(xù)實(shí)施階段，根據(jù)最終電氣設(shè)備安裝需求，采用化學(xué)錨栓固定GIS 埋件，完成建筑面層施工，并完善匯控柜至二次電纜溝的埋管和空調(diào)冷凝水排水系統(tǒng)。

通過(guò)調(diào)研GIS 廠家資料包絡(luò)設(shè)計(jì)，本方案結(jié)構(gòu)留孔、埋管等布置方案，可靈活適應(yīng)不同廠家要求，無(wú)技術(shù)制約因素，可實(shí)施性強(qiáng)。

采用化學(xué)錨栓后錨固的研究相對(duì)較少，為進(jìn)一步驗(yàn)證技術(shù)方案的可行性，課題開(kāi)展了化學(xué)錨栓在輕骨料混凝土基材中的受力性能試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)研究，通絲化學(xué)錨栓在輕骨料混凝土的破壞模式一般是拔出+混凝土椎體的混合型破壞，在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)規(guī)范及相關(guān)文獻(xiàn)公式進(jìn)行總結(jié)和數(shù)據(jù)擬合，得到混合型破壞抗拉承載力的計(jì)算公式為：

式中：NRd為混合型破壞受拉承載力設(shè)計(jì)值；NRk為混合型破壞受拉承載力標(biāo)準(zhǔn)值；γRp為混合型破壞受拉承載力分項(xiàng)系數(shù)，參考JGJ 145—2013《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》按結(jié)構(gòu)構(gòu)件，γRp取為3.0；d為化學(xué)錨栓直徑；hef為錨固深度；τu為粘結(jié)強(qiáng)度，根據(jù)輕骨料混凝土強(qiáng)度的線性回歸τu= 0.297fc；α為破壞錐體角度，取35°；fc為輕骨料混凝土實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度值；ft,k為混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

為方便工程應(yīng)用，以16 mm 直徑化學(xué)錨栓為例，給出化學(xué)錨栓抗拉承載力的設(shè)計(jì)值，見(jiàn)表6 所列。輕骨料混凝土強(qiáng)度及粘接錨固性能滿足化學(xué)錨栓的要求，考慮預(yù)埋件的抗拔性能，建議輕骨料混凝土強(qiáng)度等級(jí)不低于LC20。

表6 8.8級(jí)16 mm直徑化學(xué)錨栓抗拉承載力設(shè)計(jì)值

與常規(guī)方案相比，本方案保證主體建筑結(jié)構(gòu)不受設(shè)備資料制約，提高了專業(yè)配合效率，縮短了設(shè)計(jì)周期，并有效減少了后期土建工作量。但采用化學(xué)錨栓固定埋件，工程投資會(huì)略高于常規(guī)方案；預(yù)留孔洞也會(huì)多于常規(guī)方案，多余孔洞需在電氣安裝階段進(jìn)行封堵。

6 結(jié)論

本文通過(guò)開(kāi)展戶內(nèi)變電站GIS 室土建先行方案研究，得到的主要結(jié)論如下：

1)通過(guò)整理不同廠家的電氣設(shè)備要求，GIS 室土建先行建設(shè)時(shí)，220 kV GIS 電纜筒中心至匯控柜中心定為7 700 mm，110 kV GIS 電纜筒中心至匯控柜中心定為6 200 mm，可以包絡(luò)不同廠家要求。

2)根據(jù)通用設(shè)備資料，GIS 室高壓電纜出線開(kāi)孔及架空出線穿墻開(kāi)孔，采用留長(zhǎng)孔的形式，滿足不同廠家要求，且留孔覆蓋所有出線間隔。一次電纜開(kāi)孔范圍前期預(yù)留插筋和企口，后續(xù)根據(jù)設(shè)備資料二次現(xiàn)澆樓板。

3) GIS 室結(jié)構(gòu)降板，二次電纜溝采用淺埋式電纜溝方式，主要設(shè)備區(qū)域二次電纜不再進(jìn)入電纜層，做到電纜層動(dòng)力電纜和控制電纜敷設(shè)在不同區(qū)域的要求。

4) 試驗(yàn)驗(yàn)證表明，采用化學(xué)錨栓后錨固方式固定GIS 埋件，可以靈活適應(yīng)不同廠家要求。