220 kV安新变电站防洪设计

冯舜凯，魏利民，李占岭，聂小莉，赵丽君，贾素华

(河北省电力勘测设计研究院，石家庄市050031)

0 引言

随着国民经济的发展，工业与民用电负荷逐年增加，电力建设呈现点多、面广的局面。在地势低洼地区，变电站的防洪设计多采用传统的全填土方案，在高洪水淹没地区变电站防洪问题至今没有较好的设计方案［1-5］，防洪投资巨大;同时随着国家土地政策、环保政策的出台，国家对土地资源、环境保护等要求越来越高，变电站建设征地及防洪越来越困难;尤其是平原地区，土体资源匮乏，甚至个别地区变电站建设无土可取，土源问题在部分变电站设计中已成为制约变电站建设的重要因素。鉴于以上问题，本文重点研究高水位淹没深度对变电站的影响，对洪水淹没深度较深、当地土体资源缺乏的地区，通过对变电站在电力系统中的重要程度、建设地区地理位置、建设场地情况、洪水淹没深度、当地土地资源等多方面影响因素分析研究，提出允许洪水进站、电气设备高位布置优化设计方案，实现总图设计及防洪方案优化［6-10］，以达到既能满足防洪要求，确保变电站长期安全运行，又能节约投资、节省宝贵的土地资源的目的。

1 工程概况

1.1 平面布置

安新220 kV变电站位于保定市安新县城西南部，距县城约10 km，站区地势开阔平坦，地面高程为6.48～6.58 m。安新县城及附近没有可取的土体资源，如要取土，只能破坏附近农田，且土方费用造价极高，购土费用为60～150元/m3，且不能保证大规模集中供应，土体资源十分匮乏。安新变电站总平面布置详见图1。

1.2 工程建设规模

(1)建设2台180 MVA主变压器以及各级配电装置。

(2)220、110 kV配电楼本期一次规划建成，110、220 kV均采用气体绝缘金属封闭开关设备(gas insulated switchgear，GIS)。

(3)站内的水工构筑物本期一次规划建成。

1.3 工程地质条件

站址处地层主要为第四系全新统冲洪积成因的粉质粘土、粉土及砂类土，站址区域构造相对稳定，地形平坦开阔，无不良地质作用，地基承载力特征值为120 kPa。

1.4 工程水文条件

安新变电站位于保定白洋淀淀区，变电站布置在具有20年一遇防洪能力的防洪堤内，20年一遇以下的洪水对变电站不构成威胁;当洪水高于20年一遇时，洪水漫堤进入站址区域，站址区域受洪水影响，但洪水滞留期较短。

站址处地面高程约为6.5 m。白洋淀50年一遇最高洪水水位为9.64 m，100年一遇最高洪水水位为10.48 m，站址处的相应50、100年一遇洪水淹没水深为3.14、3.98 m。

站址区域地势开阔，一般年份无沥涝。

50年一遇10 m高最大风速为26.6 m/s。

冬季盛行风向为NE、SW，风向频率为8%。

图1 安新变电站总平面布置Fig.1 General plane layout of Anxin substation

2 防洪设计标准

为了确保变电站的长期安全运行，根据标准DL/T 5056—2007《变电站总平面布置设计技术规程》中要求，220 kV枢纽变电站及220 kV以上电压等级的变电站，站区场地设计标高应高于频率1% (重现期)的洪水位或历史最高内涝水位，其他电压等级的变电站站区场地设计标高应高于频率2%的洪水水位或历史最高内涝水位。当站址标高不满足上述要求时，可采取以下3种方式:

(1)对场地标高采取措施，场地设计标高不低于洪水水位或历史最高内涝水位。

(2)对站区采取防洪或防涝措施，防洪或防涝设施标高应高于洪水水位或历史最高内涝水位标高0.5 m。

(3)采取可靠措施，使主要设备底座和生产建筑物室内地坪标高不低于洪水水位标高。

3 防洪设计

3.1 安新变电站供电可靠性分析

安新变电站主要供电范围为安新县城及附近区域内工农业用户负荷，属末端变电站，供电区域大部分为附近110 kV变电站及工业用户，变电站的重要性较低。当地工业规划均布置在较低的场地上，当洪水来临时，安新县城内地势较低的工业企业厂房、附近110 kV变电站等建(构)筑物将全部被水淹没，被淹区域工农业生产全部停产，保证持续供电的必要性大大降低。

目前，安新地区220、110 kV等级电压网络非常发达，对于此区域重要工农业负荷，一般多采用双回路或多回路电源供电。为保证供电的可靠性，重要负荷多采用500 kV网架及220 kV枢纽网架供电，非枢纽220 kV变电站已不再是重要负荷的唯一电源点。变电站重要性大大降低，因此，安新变电站可以在行洪时全站停电。

3.2 变电站土源分析

当采用全填土方案时，变电站按照50年一遇洪水标准设防，整个变电站需要取土约49 370 m3。由于当地土体资源匮乏，很难找到大规模取土点，处于无土可取的状况。如必须取土，不仅土方费用非常昂贵，且只能采用破坏环境方式，在附近农田取土。因变电站土方需求量巨大，如在附近取土，周围农田均要受到不同程度的影响，变电站的建设将给周围环境、植被造成极大的破坏。

3.3 洪水淹没深度确定

目前安新县城的防洪能力为50年一遇，其他附近用电地区防洪能力更低。当洪水高于50年一遇，整个安新县城及周围地区将全部被洪水淹没，当高于50年一遇的洪水来临时，变电站已经没有继续运行的必要性。因此根据安新变电站的实际情况，最终确定了变电站采用50年一遇防洪标准，洪水淹没深度为3.14 m。

3.4 防洪方案确定

安新变电站洪水淹没深度较深，根据水文资料及当地区域材料供应情况，本工程设计了2个防洪方案，即全填土方案及主变户外布置、电气设备高位布置方案。

3.4.1 全填土方案

全填土方案中变电站站址建在洪水淹没深度以上，变电站可常年运行不受洪水影响;采用全填土方案，变电站内围墙处场地标高设计为3.14 m，经站内土方挖填平衡计算，变电站需外购土方24 500 m3，土方工程量较大。由于当地大规模购土困难，按照当地土方90元/m3(调查价格，不能保证大规模供应，未含破坏农田补偿费)计算，则场地土方工程费用为262.34万元;场地填土高度较大，整个变电站建造在3 m多高人工填造的土台上，与当地环境极不协调;变电站内外场地高差较大，变电站围墙处需增设挡土墙，以保证变电站安全运行，经计算，全站石砌挡土墙工程量为2 345 m3，如挡墙按270元/m3计算，直接投资费用为49.63万元;由于站址填土较高，护坡、挡土墙、站外道路放坡等占地面积增大，加大了变电站总征地面积，根据计算，因护坡、挡土墙增加的面积为850 m2，若每亩征地费用按照17.6万元计算，此部分共增加工程造价22.34万元。

3.4.2 主变外露、电气设备高位布置方案

主变外露、电气设备高位布置方案，即将主变户外布置，主变下部、配电楼一层、电缆沟等低位建(构)筑物允许水淹，各级配电装置及控制设备布置在100年一遇洪水淹没高程(配电楼二层)以上，不受洪水影响;变电站允许洪水进站，在50年一遇洪水位以下，变电站运行不受影响，可安全运行，高于50年一遇洪水将对变电站造成影响，变电站全站停电。

本方案变电站建设无需外购土方，也无需设置挡土墙等防洪设施，既解决了当地购土困难的问题，又可大幅减少土方工程量，降低工程建设费用;考虑洪水淹没对建(构)筑物的影响，需适当增加基础、主体结构的刚度，增加建筑物下部基础及结构投资。

3.4.3 方案技术经济比较

根据以上分析，全填土方案不能解决变电站填土问题，且投资费用较高，而主变外露、电气设备高位布置方案既解决了变电站填土问题，又可满足当地负荷供电要求，因此安新变电站防洪设计推荐采用主变外露、电气设备高位布置方案。2种方案的技术经济比较如下:

(1)全填土方案。全站共填土24 500 m3，土方投资262.34万元;挡土墙体积2 345 m3，挡土墙投资49.63万元;挡土墙增加征地面积850 m2，增加投资22.34万元;主体结构混凝土4 466.72 m3，建筑工程静态投资(含征地费)2 333.5万元。

(2)主变外露，电气设备高位布置方案。全站挖填平衡，无外购土方、无挡土墙，主体结构混凝土4 624.21 m3，建筑工程静态投资(含征地费)2 020万元。

通过以上比较可以看出，采用主变外露、电气设备高位布置方案较全填土方案节省投资约313万元，建筑工程静态投资比全填土方案节省15%。另外，主变外露、电气设备高位布置方案解决了变电站建设的土方问题，达到环境友好、资源节约的目的，社会及经济效益显著。

3.5 主变外露、电气设备高位布置方案设计原则

安新洪水淹没深度较深，当地土体资源匮乏，不能满足变电站建设要求，采用全填土方案不可行;若采用防洪墙方案，可阻止洪水进站，但工程费用将急剧增长。通过技术经济综合分析，安新站最终采用了允许洪水进站，主变外露、电气设备高层布置方案，其主要设计原则如下:

(1)尽可能减少外购或不购土方量，按照站内土方挖填平衡(考虑建(构)筑物基础及设备基础挖方量)，确定场平标高，减少水土流失。

(2)允许100年一遇洪水进站，将变压器直接布置在户外的整平地面上;将GIS设备、电容器、35 kV开关柜及保护屏等电气设备布置在配电楼二层及以上，不受百年一遇洪水影响;洪水退后，主变部分构件可能损坏，检修后可以继续运行，其他设备不受影响。

(3)保证变压器满足50年一遇洪水时能够正常运行供电。

(4)通过向变压器厂家咨询，采用自冷变压器(无冷却风扇)消除主变下部水淹影响，将主变本体端子箱和有载调压控制箱安装在主变本体2 m以上，主变本体不安装任何监视仪表，均通过计算机监控系统监视。50年一遇洪水来临时，水位达到变压器本体1.9 m(相当于测量标高9.7 m，高于50年一遇洪水位9.64 m)以下时，变压器可以运行，变电站可以正常供电。

(5)110、220 kV GIS电气设备、电容器、所变、保护屏等其他配电设备均布置在110、220 kV配电楼内，且所有电气设备均布置在配电楼内3.7 m标高(相当于测量标高11.45 m)以上，高于百年一遇洪水高程，有效防止100年一遇洪水的侵袭;配电楼4 m标高以下布置电缆夹层、常规的生活用房及辅助生产用房，允许水淹。

(6)经过对站内土方挖填平衡计算，确定围墙处设计标高±0.00 m相当于测量标高6.95 m，变压器底座标高相当于测量标高7.8 m，允许洪水进站。

4 洪水进站衍生的问题

4.1 行洪时分析

当遇百年一遇洪水时，安新站可全站停电，行洪前变电站所有设备停止运行，所有人员撤离。洪水进入变电站后，主变淹深2.7 m，电缆沟等户外3.98 m以下建(构)筑物全部淹没，待洪水过后再恢复生产。行洪后，变压器将被洪水带来的泥沙覆盖，4 m以下的建筑物内将挤满淤泥。要恢复生产，必须将站内所有淤泥及电缆沟、隧道内泥沙及积水清除，对变压器进行清理和检修。

对于20年至50年一遇的洪水，洪水位比较低，变电站可正常运行供电，但由于洪水进站，站内已被水淹，交通运输中断，站内运行不便。

4.2 户外变压器水淹影响分析

从变压器水淹破坏方面分析，目前国产变压器底座较高，变压器下部为密封钢实体，刚度很大，即使洪水淹没下部，也不会对变压器本体产生破坏，但对变压器的冷却风扇破坏较大，洪水带来的泥沙会对变压器的风冷系统及控制、监测、消防系统造成破坏，因此，高洪水位地区，可采用自冷变压器，将控制、监测、消防系统高位布置，布置在洪水淹没深度以上，防止水淹。

4.3 洪水对配电楼的影响

4.3.1 洪水浸泡对地基承载力的影响

根据《保定安新220 kV变电站工程初步设计阶段勘测报告补充说明》［11］，场地地基土饱和浸水后，物理力学性质指标均会发生变化，变化程度除了与岩性、天然含水量、饱和度、土层埋深、厚度等有关外，还和浸泡时间以及洪水水质等有密切关系。

根据岩土工程勘察报告提供的数据［12］，经过土工试验室对比试验分析，参考相关资料，结合勘察经验，综合确定洪水浸泡后的各层地基土承载力特征值和压缩模量建议值，如表1所示。

通过表1可以看出，当地基受到洪水浸泡后，地基承载力、压缩模量都有不同程度的降低，其中承载力特征值降低比率要小于压缩模量比率。因此考虑洪水浸泡的建(构)筑物设计时，除应满足建(构)筑物承载力的要求外，还应根据洪水侵入地层深度，重点关注地基变形对建(构)筑物的影响。可采用提前预留变形量、加大基底面积、增强基础刚度、调整结构荷载布置等手段，使结构整体受力均匀，尽量减少建筑物地基和基础的变形，将沉降控制在容许范围内，以满足建(构)筑物的安全使用。同时，在建筑物结构设计时，还应考虑洪水作用效应，满足结构的受力及使用要求。

4.3.2 洪水对底层结构的影响

由于变电站一层建筑允许水淹，在配电楼一层框架结构设计时应考虑行洪时洪水作用效应及由洪水引发的漂浮物的撞击力、系缆力等的影响。根据配电楼一层框架梁、板、柱受力计算分析，考虑洪水作用效应后，配电楼主体结构断面增大，其中框架柱由原来的600 mm×800 mm增大到800 mm×800 mm，混凝土量由680.16 m3增加至710.62 m3;框架梁板断面基本不变，但其配筋率大幅提高，较常规工程增长30%左右;结构总钢筋混凝土量由4 466.72 m3增加至4 624.21 m3;主体结构投资由613.46万元增长至634.26万元，投资增长3.4%，因防洪设计引起配电楼主体结构投资费用增加相对较小。

4.4 主要建筑物入口处理

为了减少户内变电站的土方，设计中常将建筑物0 m标高提高，以达较少基础挖土方的目的。由于0 m提高，造成0 m与室外地坪高差较大，给生产运行带来诸多不便。针对以上问题，在不增加占地的前提下，可采用站台式入口处理方案，即建筑物主入口一般采用台阶布置方式，来满足运行检修人员的交通通道;对于布置在一层的电容器室、电抗器室、户内主变压器室等有设备运输的入口，沿房屋纵向设置通长的运输检修平台(类似于火车站的站台)，平台两端及中部设置台阶，来满足设备的安装、运输、检修要求。

4.5 电缆沟水淹分析

电缆沟允许短时进水淹没，可大大降低工程投资，但要考虑电缆沟内电缆应具有一定的防水能力。采用防水型电缆，允许电缆浸泡，解决电缆被淹问题;同时应设置足够的排水设施，保证电缆沟内积水在洪水过后能迅速排出。

5 结语

变电站防洪设计应根据变电站在电力系统中的重要程度以及建设地区地理位置、建设场地情况、洪水淹没深度、当地土地资源等多方面因素综合考虑，对不同洪水淹没深度，分析其防洪方案的可行性及经济性，对于洪水淹没深度较低的地区，可采用全填土、半填土防洪设计方案;对于洪水淹没深度较高的地区及土体资源严重匮乏地区，推荐采用主变外露、电气设备高位布置方案，从而达到既能满足工程防洪要求，确保变电站长期安全运行，又能节约投资、节省宝贵的土地资源的目的。

［1］DL/T 5056—2007变电站总布置设计技术规程［S］.北京:中国电力出版社，2008.

［2］DL/T 5218—2005 220 kV～500 kV变电所设计技术规程［S］.北京:中国电力出版社，2005.

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［11］河北省电力勘测设计研究院.保定安新220 kV变电站工程初步设计阶段勘测报告补充说明［R］.石家庄:河北省电力勘测设计研究院，2010.

［12］河北省电力勘测设计研究院.保定安新220 kV变电站工程初步设计阶段勘测报告［R］.石家庄:河北省电力勘测设计研究院，2010.