雙層預制艙技術在變電站中的應用

曾 威 劉文平 張晴晴 蔡根滿 徐俏明

(南方電網廣東中山供電局)

0 引言

隨著我們國家城市化的不斷推進, 變電站的建設征地困難越來越大, 周邊居民對電站的敏感度越來越強。傳統的變電站占地面積大、建設工期長、安裝調試成本高、運維費用高等諸多問題日益突顯[1-3]。預制艙式變電站的建設包括工廠化生產和現場組裝兩個過程, 可以減少變電站的占地面積、縮短基建周期、降低調試成本, 是未來變電站的主流建設模式之一[4]。

預制艙式變電站最早在歐洲、美國、日本等發(fā)達國家應用, 由于其具有占地面積小、安裝簡單、基建時間短等優(yōu)點, 在國外得到了推廣應用[5]。國內從2013 年開始預制艙變電站的設計、設備、施工等方面研究, 并加快推進預制艙式變電站試點工程。但這些試點項目存在空間利用率低、現場施工難度大、集成度不高、抗惡劣環(huán)境性不高[6-7]。

迫切需要研究一種雙層預制艙設計建設方案, 高壓室、主控室雙層預制艙應用多艙體組合技術、集約化電纜敷設技術、集中化消防技術、一體化制冷技術, 具有占地用地面積小、消防系統智能聯動、建設周期短、調試成本低等特點。

1 雙層預制艙結構

雙層預制艙由一樓10kV 高壓室預制艙、二樓主控室預制艙與蓄電池艙、登艙梯及圍護等部分組成,如圖1 所示。

圖1 雙層預制艙結構設計圖

1.1 高壓室預制艙

高壓室預制艙內兩旁安裝有10kV 開關柜, 預制艙單元分模塊運輸至現場拼接安裝。室內配置有掛軌巡檢機器人, 具有拍照攝像、紅外測溫、局放檢測、智能識別等功能, 實現對高壓室設備的實時監(jiān)控與故障預警; 室內配置微正壓工業(yè)空調和除濕機, 確保室內溫濕度符合要求, 并設置通風專用風道, 提高通風效率; 室內設置開關設備的專用泄壓通道, 確保壓力往艙外泄放, 確保作業(yè)人員安全, 如圖2 所示。

圖2 高壓室預制艙圖

1.2 主控室預制艙

主控室預制艙包括二次屏柜、一二次電纜層通道、監(jiān)控計算機、通風設備、消防、照明等部分, 預制艙單元分模塊運輸至現場進行拼接安裝; 配置微正壓工業(yè)空調和除濕機, 并設置專用風道, 控制室內環(huán)境溫濕度符合要求, 如圖3 所示。

圖3 主控室預制艙圖

1.3 登艙梯及圍護

方便運維以及保證安全, 共設置有兩套登艙梯及防護圍護。登艙梯、圍欄、扶手等采用不銹鋼材質,保證防腐效果; 登艙梯表面鋪設有防滑墊, 確保工作人員作業(yè)安全。

2 雙層預制艙關鍵技術

2.1 多艙體組合技術

雙層式預制艙變電站主要分為一樓10kV 高壓室預制艙和二樓主控室預制艙兩部分。一樓10kV 高壓室預制艙主要包括: 一體式空調、方形風管、小車開關、開關柜、10kV 出線電纜、電纜豎井柜; 二樓主控室預制艙主要包括: 消防主機、消防控制箱、一體式空調、方形風管、穿線口、保護裝置、樓層板、滅火劑, 如圖4 所示。

圖4 雙層預制艙組合設計圖

通過在高壓室預制艙中支柱加固后在上層板層上直接架設一個主控室預制艙, 可以有效節(jié)省復雜防雨結構的預制艙艙頂雨水導流板安裝費用。且通過垂直安裝預制艙結構, 可以直接將二樓預制艙交流電源柜出線電纜穿線進入下層高壓室預制艙, 電纜敷設穿線工程只需要簡單打開板層金屬封板, 不存在對樓層水泥板塊開槽封堵的問題。且雙層預制艙板層間電纜敷設距離相對于水泥雙層建筑或平鋪式預制艙建設都大大縮短電纜長度, 節(jié)省電纜費用。

雙層預制艙拼裝方式建設, 可以防止下層預制艙頂部受太陽直射所造成的溫度上升?？梢杂行Ч?jié)省這部分散熱需要消耗的冷卻電能。若下層預制艙冷卻系統完全失效, 可以通過應急通風窗口與下層聯通。將上層冷空氣灌入下層一次設備艙保證雙層預制艙可靠散熱。

2.2 集約化電纜敷設技術

通過將高壓室開關柜的控制電纜、光纜、網線、同軸電纜、消防電纜、裝置電源線等二次電纜從電纜豎井柜一側敷設進入主控室; 且在豎井箱內按分類整齊編號排好。拆除電纜豎井箱箱體封蓋螺絲即可清晰檢查電纜敷設方式, 方便變電站綜合自動化改造、故障查找、缺陷處理、防小動物檢查等工作。

雙層預制艙結構組裝過程中往往會預留多個對接穿線窗口, 下層監(jiān)測數據直接通過普通電纜傳輸至主控室預制艙的監(jiān)控主機, 不需要為這些通信電纜專門敷設一條多芯控制電纜, 特別是后期改造增加電纜敷設時, 多層組裝式預制艙變電站無需考慮電纜溝重新敷設以及新增電纜所需要的費用支出, 直接可以在預制穿孔或者專用方形線槽增加電纜。

當采用短距離無線傳輸模塊進行數據傳輸時, 雙層預制艙及多艙體上下左右拼接的方式更加有利于短距離無線信號傳輸, 可以保證數據傳輸更加可靠、完整、高效、快速。距離短, 電磁波傳輸效率肯定會明顯提高。且獨立終端模塊的供電線纜敷設更加容易,可直接從墻內線槽取出電源電纜, 或通過中間通孔將通信電纜從上面往下面?zhèn)鬏敗?/p>

2.3 集中化消防技術

高壓室預制艙設置七氟丙烷氣體瓶, 將氣體輸送管接入一二層預制艙的消防控制箱中, 管道從控制箱頂部引至每層預制艙的頂部, 在每個設備的上方都設置一個滅火噴頭, 在噴頭附近區(qū)域設置多個煙感及溫感探測模塊, 通過集中消防控制主機實現分區(qū)域獨立噴灑滅火, 避免七氟丙烷氣體消耗。每層消防控制箱都安裝于同個垂直區(qū)域, 并將消防控制主機設置于二層主控室預制艙消防控制箱附近, 方便控制電纜及消防告警信號線的敷設接入, 也便于維護單位對消防系統的日常維護測試。

當高壓室預制艙發(fā)生可疑煙霧時, 會產生一定不可見煙霧, 此時屬于火災的陰燃階段。從不可見煙霧到可見煙霧階段的火災持續(xù)時間可長達0 ～120min[8]。需要消防主機對煙霧能夠快速啟動監(jiān)測, 并及時發(fā)出告警信號, 并進行數據存儲, 這種聯動機制需要二次電纜非常可靠, 而如果采用平鋪式建設, 會導致每個監(jiān)測單元都加裝信號轉發(fā)模塊, 或者需要大大拉長控制電纜, 復雜又遠距離的控制電纜給主機的控制輸出帶來較大的隱患。消防主機監(jiān)控系統集中了多個傳感器數據采集、儲存、分析、控制輸出、告警輸出、人機交互等各項功能。

2.4 一體化制冷技術

通過在分別在一樓二樓預制艙頂部四周掛設寬600mm 厚300mm 不銹鋼方形風管, 一體式空調將冷空氣直接從空調頂部灌入風管, 冷空氣進入風管并通過風管朝下部位切割出來的方形出風口排出, 出風口數量根據設備散熱區(qū)域均勻分布, 可以對出風口下面的保護裝置進行有效降溫, 避免傳統的柜式空調只能對室內的某個角落進行局部降溫[9-10], 提升空調制冷效果, 如圖5 所示。

圖5 制冷系統設計圖

一體化制冷系統通過多點溫度傳感器采集上下兩層艙室內的每個設備角落的溫度, 將采集到的溫度數值傳給集中控制裝置, 通過調節(jié)每個預制艙內的冷氣出風閥門, 來滿足不同設備區(qū)域對溫度的要求, 也可以通過調節(jié)風向閥來調整對設備的吹風角度, 避免直吹導致局部過冷凝露。

管道通風散熱模式相當于小型樓宇中央空調系統, 通過2 臺總控制主機集中控制兩側18 個出風口冷氣排放。每個冷風窗口設置數字溫度傳感器監(jiān)測相應出風口的溫度變化, 以此判斷管道冷氣排放全部暢通。若按照傳統的冷卻方式, 必須安裝6 臺柜式空調, 按每臺柜式空調最短要敷設至少兩條4m 制冷銅管計算, 一層主控室空調單銅管敷設就將近50m, 長距離的銅管敷設投資巨大, 隨著銅管的接口的老化必然會導致制冷效果的降低。每臺室內機需設計冷凝水的排放管道, 隨著使用時間的加長而逐漸老化, 管道經常會發(fā)生漏水情況, 嚴重威脅設備的安全可靠運行。

2.5 高壓室防爆技術

傳統變電站在高壓室設備上面加裝防爆墻來防止爆炸, 由于預制艙高壓室空間小且密閉, 且主控室位于高壓室上層, 如高壓室開關柜防爆后產生的高溫氣體及熱熔物未泄壓至室外, 會對人身和設備形成安全隱患。將高壓室各開關柜的泄壓通道集中, 通過泄壓通道將爆炸物泄壓導至室外。這種高壓室防爆設計能夠確保一次設備燃弧故障時將壓力泄放至預制艙外部, 防止因爆炸造成變電站一、二次設備損壞, 確保作業(yè)人員的人身安全。

3 雙層預制艙技術優(yōu)勢

3.1 設備運行可靠

預制艙主控室集成了消防系統主機、一體化空調集控總機、遙視系統總機、設備狀態(tài)采集總機。集合所有交流饋線于同一屏柜區(qū)域, 若所有預制艙通過平面布置方式建設, 將導致大量的交流電源電纜通過電纜溝到各個預制艙室, 長距離的電纜溝不但增加了負荷電纜的投資, 也給以后查找交流電源異常增加了困難。一次設備室與主控室上下組合, 減少高壓室通往主控室電纜的敷設。主控室內消防控制裝置、采集終端簡易控制輸出信號箱、主控室內的消防主機輸出的控制信號需要直接通過銅芯電纜與控制終端對接, 保證其控制單元如報警器、風機閥門可靠動作。

高壓室預制艙設置于主控室下方。當運行人員對開關進行遙控分合閘時, 可以很清晰的聽到下面有開關動作的聲音, 可以非?？隙ㄩ_關做出了實質性動作, 而非遙控出口失敗或者開關拒動。為下一步確定設備真實狀態(tài)提供了有力的信息反饋, 對于運維人員來說是一個很好的感知信號, 簡單、方便、高效、易實現。

對于小型變電站可以考慮兩層預制艙都在工廠完成組裝調試, 高壓室預制艙與主控室預制艙的大量通信電纜及電源對接都可以通過電纜豎井箱進行對接,需要檢修查找回路時, 只要卸下電纜豎井箱的蓋板四個螺絲即可看到里面整齊排列的各類電纜。

3.2 減少施工成本

預制艙分散布置, 平鋪式建設的方案不利于集中控制系統的安裝與調試, 特別是遇到需要對接大量的二次回路的兩部分預制艙, 需要敷設大量的電纜線路, 需要對柜底部多個部位進行現場施工開孔、封堵。會造成大量的粉塵、煙霧及其他有毒氣體。

在電纜溝內, 控制電纜與電力電纜之間保持大間距敷設, 以最大限度地減少在電纜溝內控制電纜被強電干擾。上百個不同艙室的控制終端設備如果按照平鋪式對接預制艙的方案將需要土建開挖幾十條電纜溝敷設電纜, 這種土建工程需要消耗較長的建設工期,嚴重拖延了預制艙變電站的建設速度, 且電纜的大規(guī)模交叉敷設給后期維護也帶來較大的查找困難。為滿足智能遠程巡視的要求, 變電站內各個設備艙內需要安裝多個攝像頭以滿足對現場的實時視頻監(jiān)控, 這些監(jiān)控攝像頭需要多路輸出輸入回路如直流電源線、告警控制線、網線、光纖, 監(jiān)控主機一般設置于主控室的一個屏柜, 與下層高壓室內所有監(jiān)控攝像頭需要直

3.3 安裝調試可靠方便

通信電纜在變電站內數據與信號的轉換過程中起到了關鍵的角色。提高接線技術水平、為電網的安全穩(wěn)定運行提供技術保障, 是變電站電纜敷設及二次接線工作中的主要內容。而集約化電纜豎井大大縮減人工分區(qū)域、分艙體、分設備室接線的工作量, 將下層一次設備艙的開關柜二次電纜直接從開關柜的側面直接引出穿入上層主控室, 可以直接在上層主控室對下面的一次設備進行聯調, 調試過程中技術人員溝通方便, 近距離溝通調試信息提高了調試效率, 調試難度大大降低, 省去了大量調試人員的安排。控制電纜、通信電纜、電源電纜的短距離對接也大幅度提高了設備聯動的可靠性。

在調試過程中, 往往需要與電纜對側設備進行緊密溝通聯調。傳統的溝通方式是通過手機或者無線對講機進行溝通, 信息互通及時性較差。而上下拼裝組合預制艙就在旁邊或者就在上面通過開出的電纜孔洞就足夠進行上下互通信息且可以及時傳達, 方便調試安裝人員之間的面對面語音溝通。

4 結束語

本文設計的雙層預制艙方案已成功應用于中山供電局某變電站, 如圖6 所示。通過一二層預制艙單元精準拼接, 實現了艙間線纜即插即用, 比傳統變電站建設周期縮短了3 ～4 個月, 占地面積減少了約25%, 現場調試成本降低了約40%。運行一年以來, 通過該站日常巡視維護情況, 雙層艙體未見滲水痕跡, 消防系統運行良好、隔熱性能良好、艙內制冷通風設備運行正常。

圖6 雙層預制艙外觀圖