預(yù)制艙式模塊化變電站關(guān)鍵技術(shù)及展望

郭紅斌 馬 馳 文正其

預(yù)制艙式模塊化變電站關(guān)鍵技術(shù)及展望

郭紅斌1馬 馳1文正其2

（1. 中廣核風(fēng)電有限公司，北京 100070；2. 國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢 430074）

本文從預(yù)制艙技術(shù)、集成技術(shù)及智能運維技術(shù)三個方面綜述預(yù)制艙式模塊化變電站（簡稱預(yù)制艙式變電站）的關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀，主要包括：①探討預(yù)制艙主體結(jié)構(gòu)荷載分析技術(shù)，研究艙體各部件材料選擇方法，討論目前艙體的防腐技術(shù)和保溫隔熱技術(shù)；②綜述預(yù)制艙式變電站電氣設(shè)備預(yù)裝范圍和方法、現(xiàn)場基礎(chǔ)技術(shù)及艙體現(xiàn)場拼接技術(shù)；③分析當(dāng)前變電站智能運維技術(shù)在預(yù)制艙式變電站中的應(yīng)用，提出預(yù)制艙式變電站智能運維構(gòu)想。最后，展望新技術(shù)、新材料在預(yù)制艙式變電站中的應(yīng)用，如建筑信息模型（BIM）和數(shù)字孿生技術(shù)在整站全生命周期中的應(yīng)用，以及“太空衣”等新材料在預(yù)制艙保溫隔熱中的應(yīng)用等。

預(yù)制艙；模塊化；變電站；荷載分析；一體化監(jiān)控

0 引言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，電網(wǎng)建設(shè)與城市建設(shè)之間的矛盾日益突出，主要表現(xiàn)在土地資源稀缺和用電量激增、用戶對提高供電可靠性和對縮短建設(shè)工期的迫切需要，例如城市中心地區(qū)負(fù)荷快速增長對變電站建設(shè)緊急需求、工業(yè)園區(qū)新引入的工業(yè)用電大戶急需110kV電源點支撐、應(yīng)對配電出線回路不足等情況的老舊變電站增容改造、因政治經(jīng)濟(jì)文化活動區(qū)域的需要臨時提高供電可靠性等情況。傳統(tǒng)的建站速度和建站模式難以滿足要求，采用模塊化、靈活快速、可靠先進(jìn)的新型變電站建站模式非常契合以上需要。目前，國內(nèi)外開展了預(yù)制艙式模塊化變電站（簡稱預(yù)制艙式變電站）建設(shè)，如國家電網(wǎng)公司在2013年提出標(biāo)準(zhǔn)配送式變電站的概念，實現(xiàn)變電站“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工廠化生產(chǎn)、裝配式建設(shè)”的目的；國外ABB、西門子、施耐德等大型電氣設(shè)備廠商研制了E-house、Power House等模塊化鋼結(jié)構(gòu)戶外箱式變電站或開關(guān)站[1-3]。除在電力系統(tǒng)內(nèi)，在石油和化工、礦山和冶煉、新能源、海上風(fēng)電升壓站、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域，預(yù)制艙式變電站因其建站速度快、占地面積小、現(xiàn)場施工量低等特點，也得到了很好的推廣應(yīng)用[4-6]。

本文從預(yù)制艙式變電站應(yīng)用現(xiàn)狀出發(fā)，探討預(yù)制艙技術(shù)、集成技術(shù)及運維技術(shù)，分析國內(nèi)外最新研究成果和進(jìn)展，并結(jié)合目前國內(nèi)變電站建設(shè)和運維技術(shù)發(fā)展方向，展望預(yù)制艙式變電站技術(shù)發(fā)展趨勢，為以后更好地開展預(yù)制艙式變電站研究、制造和運維等工作提供參考。

1 預(yù)制艙式變電站概述

預(yù)制艙式變電站是將主變、高壓配電裝置布置在戶外或預(yù)制艙內(nèi)，中壓配電裝置、二次設(shè)備等預(yù)制在艙內(nèi)，在工廠完成設(shè)計、組裝、配線、調(diào)試等工作，在現(xiàn)場進(jìn)行模塊化快速拼接安裝而成的變電站。與常規(guī)建站模式相比，具有施工時間短、占地少、外觀與環(huán)境協(xié)調(diào)、可深入負(fù)荷中心等特點[7-10]。另外，預(yù)制艙式變電站通過在工廠預(yù)制和成套供貨，還能有效降低項目采購成本、項目工程管理資源需求及接口設(shè)計風(fēng)險等。但是，其在后期使用過程中也存在一些不足，如艙體防腐不足導(dǎo)致艙體銹蝕降低使用壽命、艙體保溫隔熱不良導(dǎo)致產(chǎn)生凝露和空調(diào)設(shè)備用電量增加、緊湊化設(shè)計導(dǎo)致檢修空間有限等。常規(guī)變電站和預(yù)制艙式變電站對比見表1。

表1 常規(guī)變電站和預(yù)制艙式變電站對比

（續(xù)表1）

2 預(yù)制艙式變電站預(yù)制艙技術(shù)

2.1 預(yù)制艙主體結(jié)構(gòu)及材料選擇

基于電氣設(shè)備的重要性及其使用環(huán)境的要求，尤其是戶內(nèi)使用的電氣設(shè)備，如二次柜、開關(guān)柜、交直流系統(tǒng)等，需保證預(yù)制艙內(nèi)溫度、濕度、消防、密封、防腐等性能或功能滿足設(shè)備正常運行要求，同時預(yù)制艙整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也應(yīng)能承受吊裝、積雪、大風(fēng)、地震等荷載，艙體設(shè)計使用壽命也應(yīng)匹配變電站設(shè)計壽命[11]。為滿足以上要求，預(yù)制艙結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料的選擇非常重要。

目前，預(yù)制艙底座一般采用高強(qiáng)度H型鋼、槽鋼、型鋼和槽鋼全焊接組合方式。墻體通常用型鋼一體式框架全焊接結(jié)構(gòu)或全栓接結(jié)構(gòu)[12-13]。預(yù)制艙底座和墻體框架如圖1所示[13]。

圖1 預(yù)制艙底座和墻體框架

高運動等學(xué)者針對全焊接結(jié)構(gòu)型式的預(yù)制艙的吊裝、積雪、地震等荷載，進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，應(yīng)力和變形均滿足國標(biāo)GB 50009等規(guī)范要求，不會發(fā)生永久變形、開裂或覆蓋件脫落等[14]。

預(yù)制艙墻體圍護(hù)采用“兩層夾芯”結(jié)構(gòu)，即外墻層、內(nèi)墻層、中間保溫層。本文依據(jù)收集的國內(nèi)預(yù)制艙墻體各層使用的材料，針對質(zhì)量、價格、強(qiáng)度、防火、施工難度等評判指標(biāo)采用層次分析法（analytic hierarchy process, AHP）進(jìn)行決策分析，建議選取綜合性能優(yōu)的部件材料。艙體外墻、夾層、內(nèi)墻常用材料見表2[15-16]。

2.2 預(yù)制艙防腐技術(shù)

預(yù)制艙外露于大氣環(huán)境下，會與大氣中CO2、SO2、水分等發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，引發(fā)大氣腐蝕，如當(dāng)空氣濕度較高、水薄膜在金屬表面形成連續(xù)電解液時，腐蝕速率快速增加，而當(dāng)水膜厚度進(jìn)一步增加時，氧氣的流動受到限制，腐蝕速率放緩。另外，大氣中CO2和SO2溶入金屬表面水薄膜，形成酸性物質(zhì)，促進(jìn)金屬腐蝕，在表面形成腐蝕坑，并發(fā)展成為應(yīng)力腐蝕，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)抗冷脆性能等不斷下降，加大脆性斷裂風(fēng)險，降低鋼結(jié)構(gòu)承載能力和抗地震能力，危及人和設(shè)備安全[17-18]。圖2為某站預(yù)制艙底架銹蝕情況，該預(yù)制艙底架經(jīng)過噴砂、熱浸鋅處理后，采用瀝青漆進(jìn)行重度防腐處理，但底座下方的電纜溝通風(fēng)條件差且常年積水，造成濕度大而使底架發(fā)生腐蝕。

圖2 預(yù)制艙底架銹蝕情況

因此，在艙體設(shè)計時應(yīng)根據(jù)具體條件采取防大氣腐蝕設(shè)計。文獻(xiàn)[19]規(guī)定，二次設(shè)備預(yù)制艙經(jīng)過防腐處理的部件，在中性鹽霧試驗最少196h后應(yīng)無金屬基體腐蝕現(xiàn)象。目前，框架、門及頂蓋一般采用優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板或耐候鋼經(jīng)噴砂、熱噴鋅防腐處理工藝，再通過涂層法處理[20-21]。涂層法處理方法：依照ISO 12944系列標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)艙體所處的腐蝕環(huán)境類型、耐久性要求、鋼結(jié)構(gòu)表面類型等，選擇最合適的防腐涂層體系，涂層體系的干膜總厚度一般要求達(dá)到240mm以上。目前，國內(nèi)預(yù)制艙涂層體系主要為：底漆采用環(huán)氧富鋅底漆或無機(jī)富鋅底漆，厚度在40～80mm間進(jìn)行調(diào)整。中間漆采用環(huán)氧（云鐵）中間漆，厚度在50～200mm間進(jìn)行調(diào)整。面漆可以采用丙烯酸聚氨酯面漆，厚度在50～80mm之間[22-23]。為實現(xiàn)預(yù)制艙式變電站在C4大氣環(huán)境腐蝕作用下25年使用年限的目標(biāo)，文獻(xiàn)[24]提出一種“高耐候防腐技術(shù)”，即采用六道防腐工藝，分別是噴砂、吹塵、電弧熱噴鋅、噴環(huán)氧富鋅底漆、噴涂環(huán)氧中間漆、噴涂丙烯酸聚氨酯面漆。

綜上所述，在預(yù)制艙式變電站設(shè)計前，宜根據(jù)現(xiàn)場大氣腐蝕環(huán)境開展差異化防腐蝕設(shè)計和選材，以有效控制腐蝕速率，實現(xiàn)差異化防腐，避免防腐不足或過度防腐，從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)和效益最佳的目的。

2.3 預(yù)制艙保溫隔熱技術(shù)

良好的保溫隔熱性能可使預(yù)制艙達(dá)到節(jié)能和抑制艙內(nèi)凝露的效果。若保溫隔熱性能差，則艙內(nèi)外熱對流強(qiáng)，導(dǎo)致空調(diào)能耗大，同時在保溫薄弱點易產(chǎn)生“冷橋”，導(dǎo)致凝露的發(fā)生，進(jìn)而引起設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)腐蝕和設(shè)備絕緣性能下降，降低設(shè)備運行的可靠性。

預(yù)制艙保溫隔熱設(shè)計主要涉及保溫隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計和空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計兩方面。在保溫隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，重點考慮墻體、艙頂、底座關(guān)鍵部位設(shè)計，防止“冷橋”、保溫隔熱性能差、密封不嚴(yán)等問題。在墻體和艙頂方面，采用“兩層夾芯”結(jié)構(gòu)，保溫層應(yīng)用傳熱系數(shù)小的保溫材料[25]，根據(jù)表2可選擇巖棉和聚氨酯泡沫等保溫材料，前者耐火等級A屬不燃，采取成品掛裝工藝，艙內(nèi)照明等配電線路暗敷相對困難；后者耐火等級B屬難燃，采取車間噴涂工藝，連續(xù)性好，利于艙內(nèi)暗敷配電線路，施工相對簡單，保溫結(jié)構(gòu)如圖3所示。門板采用雙層金屬結(jié)構(gòu)，運用類似“冰箱”的保溫措施與工藝，中間運用發(fā)泡填充工藝，以實現(xiàn)保溫功效。底座保溫采用厚巖棉板或厚巖棉夾芯板，同時表面鋪設(shè)防靜電地板等，提高預(yù)制艙整體保溫效果[26]。

（a）巖棉保溫 （b）聚氨酯泡沫保溫

凝露現(xiàn)象與艙內(nèi)溫度及濕度相關(guān)，當(dāng)物體表面溫度達(dá)到相應(yīng)條件的露點溫度時，就會產(chǎn)生凝露。針對凝露控制，主要有溫度控制法、濕度控制法及溫濕度雙向控制法[27]。濕度控制需要考慮艙體結(jié)構(gòu)工藝和除濕兩方面。在結(jié)構(gòu)工藝方面，預(yù)制艙結(jié)構(gòu)需保證密封完好，防止外部水汽進(jìn)入預(yù)制艙內(nèi)部，如預(yù)制艙內(nèi)設(shè)置集中接口柜，艙門采用迷宮式防水結(jié)構(gòu)、艙頂接縫處折彎后滿焊外加U形蓋板、采用底部進(jìn)線方式并進(jìn)行封堵等[28]，另外艙體還可采取微正壓措施。溫度控制也需從結(jié)構(gòu)工藝和提高溫度兩方面考慮。結(jié)構(gòu)工藝方面，預(yù)制艙結(jié)構(gòu)需保證艙體保溫性能良好，避免艙體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)“冷橋”缺陷，可采用防“冷橋”螺釘和防“冷橋”檁條等設(shè)計措施。提高溫度方面主要依靠空調(diào)系統(tǒng)。艙內(nèi)設(shè)置自動啟?？照{(diào)系統(tǒng)和高濕排風(fēng)裝置，空調(diào)系統(tǒng)的冷、熱負(fù)荷依據(jù)箱體內(nèi)結(jié)構(gòu)負(fù)荷、室內(nèi)各電器設(shè)備負(fù)荷進(jìn)行計算，根據(jù)運行經(jīng)驗，宜增加20%左右的余量[29]。

2.4 預(yù)制艙荷載分析

為保證預(yù)制艙體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，預(yù)制艙需滿足艙體和電氣設(shè)備自重等永久荷載，積雪和覆冰、風(fēng)荷載、吊裝荷載等可變荷載，以及地震等偶然荷載工況設(shè)計要求。文獻(xiàn)[30]提出對預(yù)制艙積雪和覆冰、風(fēng)荷載的校核方法，根據(jù)項目地氣象情況，求取艙體雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值和風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，再利用有限元法分析在標(biāo)準(zhǔn)荷載下預(yù)制艙變形和應(yīng)力分布情況，判斷是否滿足工程要求，但其主要是分析單獨荷載對預(yù)制艙的影響，并未分析不同荷載共同作用對預(yù)制艙的影響，其中雪荷載和覆冰荷載標(biāo)準(zhǔn)值與風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值均按文獻(xiàn)[31]中附錄E方法進(jìn)行計算。文獻(xiàn)[32]根據(jù)使用過程中在被校驗結(jié)構(gòu)上可能同時出現(xiàn)的荷載，按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進(jìn)行荷載組合，并取各自最不利的組合進(jìn)行靜力分析，各荷載的具體計算方法參考建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，但規(guī)范中吊車荷載指安裝在被校驗結(jié)構(gòu)上的行吊等，在吊裝其他物體過程中傳遞的力，與吊裝預(yù)制艙結(jié)構(gòu)本身時的力對預(yù)制艙結(jié)構(gòu)的影響不一樣，因此該規(guī)范并不適用。

目前，針對預(yù)制艙吊裝荷載校核主要有兩種方法：一種是采用有限元進(jìn)行分析，利用Ansys Workbench等仿真設(shè)計軟件，分析不同吊點位置對預(yù)制艙底座彎曲剛度的影響，盡量使底座端部變形和中間部位變形接近，使整體最大變形量較小，底座整體彎曲剛度達(dá)到最大的最佳吊點位置[33]；另一種是簡易計算校核方法，文獻(xiàn)[34]采用簡易校核方法，通過計算底座鋼架撓度的大小來衡量底座受力后的變形量，判斷吊裝是否存在破壞性形變，吊裝時主要考慮重力、慣性力和點動沖擊力三種力的影響。預(yù)制艙吊裝力學(xué)分析如圖4所示，具體算法如下。

圖4 預(yù)制艙吊裝力學(xué)分析

1）計算重力。包括預(yù)制艙體自重和艙內(nèi)電氣設(shè)備重力。

2）計算起重時行車起吊速度所產(chǎn)生的慣性力。

式中：為吊車加速度；為重力加速度。

3）計算起重操作中“點動”形成的縱向沖擊 荷載。

式中：為吊裝速度；為吊索彈性模量；為吊索截面積；為吊索長。

5）當(dāng)預(yù)制艙底架受到最大撓度時，其底架中點最大應(yīng)力為

式中：max為最大彎矩；xs為槽鋼截面系數(shù)。

3 預(yù)制艙式變電站集成技術(shù)

3.1 預(yù)制艙內(nèi)設(shè)備預(yù)制技術(shù)

預(yù)制艙式變電站按照設(shè)備預(yù)制程度可分為全預(yù)制式和部分預(yù)制式。全預(yù)制式將包括變壓器在內(nèi)的所有電氣設(shè)備均預(yù)制在預(yù)制艙內(nèi)，現(xiàn)場只需做基礎(chǔ)、接地、模塊間及模塊和電網(wǎng)系統(tǒng)間接線等工作。部分預(yù)制式一般對變壓器或變壓器和高壓配電裝置等采取室外安裝方式，二次模塊和中壓配電模塊采用預(yù)制艙方式，預(yù)制艙式變電站主要模塊如圖5所示。

圖5 預(yù)制艙式變電站主要模塊

將110kV預(yù)制艙式變電站按照設(shè)備預(yù)制的可操作性、費用成本、時間成本、節(jié)地等方面進(jìn)行評估分析，分為推薦預(yù)制、可預(yù)制和不推薦預(yù)制三個級別。主要設(shè)備預(yù)制范圍推薦見表3，表3中預(yù)制小件包括小型預(yù)制基礎(chǔ)（包括路燈、端子箱、氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（gas insulated switchgear, GIS）母線過橋支墩、空調(diào)室外機(jī)等小型基礎(chǔ)）、預(yù)制式雨水口及集水井、預(yù)制式排水溝、預(yù)制壓頂及電纜溝蓋板、預(yù)制式巡視小道及操作地坪。

表3 主要設(shè)備預(yù)制范圍推薦

變壓器模塊預(yù)制方面，由于變壓器質(zhì)量重、體積大及散熱要求高等原因，一般不采用預(yù)制艙式。若采用預(yù)制艙式，主要有兩種方式：一種是變壓器本體預(yù)制在艙體內(nèi)，散熱器安裝在戶外并采用圍欄遮擋；另一種分為變壓器預(yù)制艙和散熱器預(yù)制艙兩部分，在散熱器預(yù)制艙合理設(shè)置散熱孔和風(fēng)機(jī)等，以滿足熱工要求。變壓器進(jìn)出線一般采取電纜方式，可省去變電架構(gòu)。

高壓配電裝置模塊預(yù)制方面，為便于預(yù)制和降低預(yù)制艙的尺寸，高壓配電裝置應(yīng)選取緊湊型組合電器，艙內(nèi)設(shè)備整體布置根據(jù)間隔數(shù)量和項目現(xiàn)場地形進(jìn)行設(shè)計，可選擇橫向分艙結(jié)構(gòu)或縱向分艙結(jié)構(gòu)，高壓配電裝置模塊分艙結(jié)構(gòu)如圖6所示?，F(xiàn)場組裝時，相鄰的預(yù)制艙GIS模塊通過法蘭連接，并采用密封環(huán)進(jìn)行密封。

中壓配電裝置模塊預(yù)制方面，宜選擇緊湊型、壽命長、免維護(hù)的開關(guān)柜，如充氣柜。設(shè)備和預(yù)制艙的固定方式采用螺栓或點焊固定。預(yù)制艙內(nèi)開關(guān)柜可采取單列或雙列布置，各種通道的最小寬度（凈距）滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，預(yù)制艙設(shè)置泄壓通道。

二次系統(tǒng)模塊預(yù)制方面，自采用預(yù)制艙式二次組合設(shè)備以來，預(yù)制艙內(nèi)屏柜經(jīng)歷單列布置、機(jī)柜前后接線方式，到“前接線、前顯示”的雙列布置方式，以上方式都存在艙體及屏柜重復(fù)防護(hù)處理、屏柜內(nèi)空間利用率不高、艙體尺寸過大、屏間連線多、接線復(fù)雜等問題[35]，目前國內(nèi)二次廠商提出預(yù)制艙式二次組合機(jī)架式結(jié)構(gòu)方案，機(jī)架式結(jié)構(gòu)采用多層次標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計體系，將機(jī)架式結(jié)構(gòu)與預(yù)制艙本體結(jié)構(gòu)統(tǒng)一制造、安裝[36-37]，空間利用率高，接線也相對方便。二次走線采取“工廠預(yù)制敷設(shè)，光纜電纜隔開，對外集中進(jìn)出線”的方式，二次預(yù)制艙線纜走線通道如圖7所示。

圖6 高壓配電裝置模塊分艙結(jié)構(gòu)

圖7 二次預(yù)制艙線纜走線通道

艙內(nèi)二次設(shè)備的連接采用預(yù)制光纜和預(yù)制電纜方式，如柜內(nèi)二次裝置間連接采用跳纖、艙內(nèi)不同屏柜間二次裝置連接宜采用尾纜、現(xiàn)場戶外柜與預(yù)制艙光纖連接采用雙端預(yù)制光纜，實現(xiàn)即插即用。

3.2 預(yù)制艙現(xiàn)場基礎(chǔ)技術(shù)

預(yù)制艙現(xiàn)場基礎(chǔ)主要有電纜溝式、鋼筋水泥墩式[38]和鋼支柱式[38]三種，預(yù)制艙現(xiàn)場基礎(chǔ)如圖8所示。采用電纜溝的方式，艙體密封性和保溫性能更好，整站外觀更為整潔，但在通風(fēng)不良的情況下，因電纜溝濕度高，存在凝露、霉變等現(xiàn)象，加速預(yù)制艙底座的腐蝕。除基礎(chǔ)設(shè)計和施工時優(yōu)化通風(fēng)排水情況下，有條件宜安裝排水、除濕和排氣等裝置，以降低電纜溝濕度，延長預(yù)制艙使用壽命。

圖8 預(yù)制艙現(xiàn)場基礎(chǔ)

文獻(xiàn)[39]預(yù)制艙式變電站基礎(chǔ)采用鋼筋水泥墩或者鋼支柱，通風(fēng)性能遠(yuǎn)強(qiáng)于電纜溝式，變電站基礎(chǔ)通常離地2m，電纜夾層附著底座之下，電纜安裝方便。水泥墩具備防銹、抗腐、不易變形和價格低等優(yōu)點。鋼支柱式基礎(chǔ)工廠生產(chǎn)預(yù)裝、現(xiàn)場快速拼裝，但防銹抗腐能力要求高，運維檢修時不如電纜溝式方便。

3.3 預(yù)制艙現(xiàn)場拼裝技術(shù)

預(yù)制艙主要分為Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型[40]，但實際工程項目中，由于設(shè)備較多，同時為了運維檢修方便，采用一個預(yù)制艙難以滿足要求，需要采用兩個或多個同型號的預(yù)制艙拼接成組合式預(yù)制艙。拼接主要有對艙體長度、寬度方向擴(kuò)展兩種方式，預(yù)制艙現(xiàn)場拼裝示意見表4[41]，可根據(jù)艙內(nèi)設(shè)備布置方式和數(shù)量進(jìn)行選擇。

艙體單元在吊裝、運輸和拼接過程中，安裝三角輔助支撐結(jié)構(gòu)，并在艙體拼接完成后拆除，以彌補(bǔ)由于缺少一面或兩面艙壁帶來的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題。預(yù)制艙底、艙頂、艙壁拼接一般采用螺栓連接，在拼縫處涂抹密封膠或貼密封膠條，并通過預(yù)留孔洞注入保溫材料，提高艙體保溫性能。但在艙頂屋面處理時，除以上處理方式外，還需在拼縫上方增加蓋板，防止拼縫開裂漏水等隱患[42-43]。

表4 預(yù)制艙現(xiàn)場拼裝示意

在建站土地面積受限的地方，可采取雙層預(yù)制艙建站模式，單、雙層預(yù)制艙變電站如圖9所示。雙層艙艙體骨架分上下兩層，每層骨架整體焊接，上下層骨架堆積需保證足夠的強(qiáng)度和剛度[44]。

4 預(yù)制艙式變電站智能運維技術(shù)

為實現(xiàn)預(yù)制艙式變電站無人值守，除采用傳統(tǒng)“四遙”外，變電站輔助監(jiān)控一體化綜合監(jiān)控平臺也是非常重要的一環(huán)，主要包括：一次設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、環(huán)境信息子系統(tǒng)、智能控制子系統(tǒng)、安全警衛(wèi)子系統(tǒng)、門禁子系統(tǒng)、火災(zāi)消防子系統(tǒng)。一次設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)配置建議見表5。預(yù)制艙式變電站可將以上系統(tǒng)進(jìn)行工廠內(nèi)預(yù)制和調(diào)試，不僅降低了現(xiàn)場的工作量，也有利于提升監(jiān)測的可靠性，相比傳統(tǒng)站更具優(yōu)勢。智能輔助一體化綜合監(jiān)控平臺示意圖如圖10所示。

一體化綜合監(jiān)控平臺可通過變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合氣象、溫濕度、水位、有害氣體、煙霧等傳感技術(shù)，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，實現(xiàn)變電設(shè)備運行環(huán)境狀態(tài)自我感知，及時推送設(shè)備安全運行風(fēng)險預(yù)警。如根據(jù)溫度、水量傳感器及天氣預(yù)報信息，對大風(fēng)、洪澇、雷電等自然災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警；根據(jù)煙霧、視頻監(jiān)控，結(jié)合設(shè)備溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)預(yù)制艙內(nèi)火災(zāi)隱患的監(jiān)測和感知，并與滅火裝置形成智能聯(lián)動，實現(xiàn)自動觸發(fā)、及時滅火；利用圖像自動識別技術(shù)，監(jiān)控變電站內(nèi)小動物活動情況及外來人員闖入等[45]。

注：■—應(yīng)配置，￡—可配可不配，×—不配置，/—無此設(shè)備。

圖10 智能輔助一體化綜合監(jiān)控平臺示意圖

在火災(zāi)方面，由于預(yù)制艙式變電站大部分設(shè)備預(yù)制在艙體內(nèi)，為避免損失或?qū)p失降至最小，提前預(yù)測火情發(fā)展趨勢并做出預(yù)警非常重要。傳統(tǒng)的煙霧探測設(shè)備難以在極早期發(fā)現(xiàn)火情隱患，往往在火情發(fā)展到一定階段后才能發(fā)出報警，導(dǎo)致錯過最佳處理時機(jī)。文獻(xiàn)[46]提出極早期火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，運用微粒子計數(shù)器技術(shù)將不可見的次微粒子以物理方式放大，使火災(zāi)極早期的不可見次微粒子放大至肉眼可見，再以光電設(shè)備偵測其數(shù)量，當(dāng)微粒子計數(shù)器達(dá)到報警值時，表示現(xiàn)場散布有高濃度的熱釋粒子，表明現(xiàn)場設(shè)備或材質(zhì)有過度加熱的情況發(fā)生，為預(yù)制艙式變電站火災(zāi)預(yù)警提供了一種及時可靠的方案。

在巡檢方面，部分電力公司開展了變電站高清視頻與機(jī)器人聯(lián)合巡檢系統(tǒng)技術(shù)研究，通過滿足B接口協(xié)議、機(jī)器人系統(tǒng)協(xié)議一致性要求，實現(xiàn)高清視頻和機(jī)器人互聯(lián)互通，拓展視頻及機(jī)器人巡檢功能，采用圖像識別、紅外測溫、聲音檢測等手段，實現(xiàn)變電站安全管控、設(shè)備狀態(tài)智能識別分析和環(huán)境狀態(tài)感知，解決機(jī)器人存在巡視盲區(qū)和檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度低、高清視頻機(jī)動靈活性不足和巡檢識別準(zhǔn)確度受外部環(huán)境影響等問題。聯(lián)合巡檢系統(tǒng)架構(gòu)如圖11所示。

5 預(yù)制艙式變電站技術(shù)展望

1）開展三維建模和建筑信息模型技術(shù)在預(yù)制艙式變電站設(shè)計中的應(yīng)用

目前，電網(wǎng)公司正在推進(jìn)三維設(shè)計在變電站建設(shè)工程中的應(yīng)用。國家電網(wǎng)基建技經(jīng)〔2019〕10號文要求，對未按文件要求開展設(shè)計招標(biāo)、應(yīng)用三維設(shè)計的工程，原則上不予安排初步設(shè)計評審。預(yù)制艙式變電站是工廠預(yù)制和現(xiàn)場搭積木式安裝相結(jié)合的建造方式，采用建筑信息模型（building infor- mation modeling, BIM）技術(shù)結(jié)合國網(wǎng)GIM（grid information modeling），聯(lián)合業(yè)主方、設(shè)計院、咨詢單位、施工單位、監(jiān)理單位、供應(yīng)商等多方協(xié)同，實現(xiàn)虛擬建造，進(jìn)行方案體驗、論證和優(yōu)化，解決專業(yè)間“錯、漏、碰、缺”問題，不僅能提高預(yù)制艙式變電站在設(shè)備招標(biāo)、施工招標(biāo)、施工組織（尤其是重要交叉跨越的空間距離校驗）、檔案移交等環(huán)節(jié)的質(zhì)量和效率，還能為后期運維技術(shù)數(shù)字化和可視化提供基礎(chǔ)模型和數(shù)據(jù)支撐。

2）探索數(shù)字孿生技術(shù)在預(yù)制艙式變電站設(shè)計和生產(chǎn)中的應(yīng)用

利用數(shù)字孿生技術(shù)的高保真建模與仿真、虛實映射、全生命周期數(shù)據(jù)有效管理等典型特征[47-48]，在設(shè)計生產(chǎn)階段，通過建立預(yù)制艙式變電站數(shù)字孿生體，除預(yù)制艙、艙內(nèi)電氣設(shè)備、輔助設(shè)施等具體設(shè)備外，還可采用無人機(jī)傾斜攝影的方式對地形地貌，以及勘測的水文地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實景建模，實現(xiàn)現(xiàn)場環(huán)境孿生，再從力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、空間布置等方面進(jìn)行高精度仿真優(yōu)化，確定初步的設(shè)計、加工工藝和整站優(yōu)化布局方案，然后在虛擬工廠進(jìn)行虛擬制造，從而對設(shè)備的可制造性、裝配的干涉問題及裝配順序問題進(jìn)行仿真驗證。在原型設(shè)計階段可導(dǎo)出模型提供虛擬現(xiàn)實體驗，讓客戶提前體驗產(chǎn)品，實現(xiàn)所見即所得。

在運維階段，預(yù)制艙式變電站成套提供商在提供產(chǎn)品的同時提供產(chǎn)品的數(shù)字孿生體，用戶可以基于傳感器和無人機(jī)等多個信息采集來源實現(xiàn)數(shù)字孿生模型的持續(xù)更新，實現(xiàn)數(shù)字模型和實物無縫匹配，同時實時獲取設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)故障預(yù)判和及時維修，支撐設(shè)備檢修計劃排程。

3）研究預(yù)制艙式變電站綜合節(jié)能技術(shù)

預(yù)制艙式變電站艙內(nèi)空間相對比較緊湊，且在日照和設(shè)備自身發(fā)熱的作用下，尤其夏季往往需要空調(diào)等設(shè)施進(jìn)行調(diào)溫，以保證設(shè)備在正常環(huán)境下運行，因此研究預(yù)制艙節(jié)能技術(shù)是有意義的課題，也符合綠色建站理念。預(yù)制艙式變電站的節(jié)能應(yīng)從系統(tǒng)角度考慮，不僅需考慮預(yù)制艙和電氣設(shè)備本身，還需考慮變電站選址布置、設(shè)備運行方式、無功補(bǔ)償配置等，如設(shè)計階段應(yīng)結(jié)合項目現(xiàn)場地理、水文條件等選擇預(yù)制艙朝向位置，盡量避免東西向日曬和冬季主導(dǎo)風(fēng)向等；預(yù)制艙結(jié)構(gòu)設(shè)計方面應(yīng)選擇合理的保溫厚度和保溫材料，并合理設(shè)置艙體呼吸口，確保艙內(nèi)外可以換氣，但又不至于造成艙內(nèi)外環(huán)境溫度同化等[49]；設(shè)備選擇方面宜選用低損耗型先進(jìn)裝備，如節(jié)能型變阻抗變壓器、自動啟停的智能節(jié)能空調(diào)、節(jié)能燈等，運行階段選擇變壓器經(jīng)濟(jì)運行方式，使變壓器損耗降到最低，配置合理的無功補(bǔ)償裝置并選擇經(jīng)濟(jì)運行方式，使功率因數(shù)處于最優(yōu)水平，以降低系統(tǒng)損耗[50]；建立預(yù)制艙式變電站能耗管理平臺，對變電站能耗進(jìn)行監(jiān)測和分析，為后續(xù)節(jié)能優(yōu)化改造提供數(shù)據(jù)支撐。

4）基于物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等先進(jìn)信息通信技術(shù)，實現(xiàn)預(yù)制艙式變電站運檢智能高效

利用預(yù)制艙式變電站工廠化集成調(diào)試的特點，將狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲和計算設(shè)備、通信設(shè)備等在工廠內(nèi)完成安裝調(diào)試，降低現(xiàn)場后期安裝協(xié)調(diào)難度，提高智能設(shè)備的可靠性。在狀態(tài)監(jiān)測方面，采用智能化電氣設(shè)備，利用光纖、振動、超聲等傳感器和本體進(jìn)行一體化設(shè)計，提高監(jiān)測的準(zhǔn)確度和可靠性[51]；在巡檢方面，結(jié)合實物ID數(shù)據(jù)融合技術(shù)，采取聯(lián)合巡檢技術(shù)，充分發(fā)揮高清視頻、紅外、機(jī)器人等智能感知設(shè)備的優(yōu)勢，實現(xiàn)無盲點無人巡檢[52]；在數(shù)據(jù)存儲和分析方面，針對大量的監(jiān)測和巡檢數(shù)據(jù)，可采取邊緣計算技術(shù)，就地分析采集的數(shù)值數(shù)據(jù)和識別圖譜數(shù)據(jù)，對存在問題的設(shè)備，將信息推送至上層云平臺，再結(jié)合帶電檢測、不良工況、運行信息和停電試驗等多狀態(tài)量，以及設(shè)備缺陷、故障案例庫等數(shù)據(jù)，在平臺層面通過大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)、語義識別等算法進(jìn)行更準(zhǔn)確的診斷和分析，并提出有效的檢修策略，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)實時預(yù)警、設(shè)備缺陷自動分析、處理策略主動推送等，提高預(yù)制艙式變電站運維效率[53-54]。

5）探索氣凝膠等新材料在預(yù)制艙設(shè)計中的應(yīng)用

相對于土建房來說，隔熱保溫是預(yù)制艙設(shè)計重要的關(guān)注點，隔熱保溫性能影響艙內(nèi)設(shè)備運行環(huán)境和節(jié)能效果。氣凝膠等新型材料具備低導(dǎo)熱系數(shù)和良好的防火性能，常用于太空衣夾層隔熱、返回艙熱涂層保溫隔熱等軍工航天領(lǐng)域，近來在儲油罐、住宅表面、核酸采樣艙等民用領(lǐng)域也得到大量應(yīng)用。據(jù)分析，其僅需聚氨酯厚度的1/5～1/3，即可達(dá)到同等保溫效果[55-57]。賈恒杰提出將相變材料應(yīng)用于變電站二次設(shè)備艙，經(jīng)分析表明采用相變材料后二次設(shè)備艙的散熱性能可提高25%[58]。因此，探索氣凝膠、相變材料[59]等新型材料在預(yù)制艙體中的應(yīng)用，能提高艙體保溫性能，降低艙內(nèi)能耗。

金屬防腐是預(yù)制艙式變電站后期運維的另一重要關(guān)注點，進(jìn)一步開展防腐涂層體系研究，開發(fā)應(yīng)用涂層現(xiàn)場檢測或監(jiān)測技術(shù)。隨著防腐材料向綜合性能優(yōu)異、厚膜、環(huán)保、易施工等方向發(fā)展，探索純聚脲涂層、生物基涂料等新型材料在預(yù)制艙防腐涂層體系中的應(yīng)用十分必要。

6 結(jié)論

1）預(yù)制艙式建站模式具備“設(shè)計理念新、設(shè)備技術(shù)新、建設(shè)模式新”的特點，實現(xiàn)了工廠化生產(chǎn)調(diào)試和現(xiàn)場積木式裝配，為變電站建設(shè)走向科技含量高、資源消耗低、建站效率高、項目管理精細(xì)化提供了一種有效途徑。

2）預(yù)制艙作為預(yù)制艙式變電站的重要部件。防腐方面，目前主要采用底漆、中間漆和面漆三層防腐涂層體系，涂層干膜厚度和涂層材料選擇宜依據(jù)大氣腐蝕環(huán)境開展差異化防腐設(shè)計；保溫隔熱方面，艙體圍擋填充巖棉或聚氨酯泡沫等保溫材料，設(shè)計時應(yīng)考慮防冷熱橋設(shè)計，避免或減少凝露的產(chǎn)生；力學(xué)性能方面，艙體采用一體式框架全焊接結(jié)構(gòu)或全栓接結(jié)構(gòu)，應(yīng)滿足雪壓、風(fēng)載荷、地震、吊裝等受力場景。

3）預(yù)制艙式變電站目前可采取全預(yù)制或部分預(yù)制的方式，全預(yù)制技術(shù)工廠化集成程度更高、現(xiàn)場施工量更少，是預(yù)制艙式變電站未來研究的方向。

4）預(yù)制艙式變電站一、二次設(shè)備均實現(xiàn)工廠化安裝調(diào)試，由集成商成套供貨，有利于打破一、二次界限，實現(xiàn)在線監(jiān)測、智能巡檢設(shè)備等與變電站同時設(shè)計、安裝及調(diào)試，降低協(xié)調(diào)風(fēng)險，提高可靠性。

5）先進(jìn)設(shè)計技術(shù)、智能運維技術(shù)、新材料研發(fā)和應(yīng)用及節(jié)能環(huán)保技術(shù)的研究等，將助推預(yù)制艙式變電站技術(shù)的發(fā)展。

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Key technologies and prospect of prefabricated cabin substation

GUO Hongbin1MA Chi1WEN Zhengqi2

(1. CGN Wind Energy Limited, Beijing 100070;2. Wuhan NARI Limited Company of State Grid Electric Power Research Institute, Wuhan 430074)

The key technical status of prefabricated cabin substations is summarized from three aspects: prefabricated cabin technology, integrated technology and comprehensive monitoring technology. Load analysis technology on the prefabricated cabin main structure is investigated, selection method of material for each part of the cabin is studied, and the anti-corrosion and thermal insulation technology of the cabin is reviewed. The preinstalled range and method of electrical equipment, foundation technology and cabin splicing technology on site is summarized. The application of substation auxiliary integrated monitoring platform etc. in prefabricated cabin substation is analyzed. Finally, the application of new technologies in prefabricated cabin substations is prospected, such as the application of building information modeling (BIM) and digital twin technology in the entire life cycle of the whole station, as well as the application of new materials such as “space suit” in the thermal insulation of prefabricated cabins.

prefabricated cabin; modularity; substation; load analysis; integrated monitoring

2023-05-22

2023-06-29

郭紅斌（1981—），男，高級工程師，主要從事新能源發(fā)電數(shù)字化智慧運維技術(shù)研究工作。

中廣核集團(tuán)尖峰計劃項目（020-GN-B-2022-C45-P.0.99-01171）