模块化变电站的建设模式及其经济性能比较

王少晖 李绍星 柳国良

（北京科锐配电自动化股份有限公司，北京 100085）

模块化变电站是一种全新的变电站建设方式，优于常规变电站建设方式，常规变电站选用体积较大的常规设备，且需将设备运抵现场后，进行拼装调试，安装周期长，占地面积大。模块化变电站按功能进行模块化设计，工厂化生产，将各个功能模块分别预装在金邦板箱体内，运抵现场，现场进行简单的接线和联调即可。具有占地面积小，安装周期短、设备运行不受外界环境影响、整站无裸露带电部分，美观整洁等特点。

设备选用具有优异电气性能、免维护、可靠性高的小型化永磁机构真空断路器高压开关柜。开关柜具有体积小，机械寿命长等性能。采用此型开关柜，与常规变电站的设备相比较，可节省至少30%的占地面积。尤其适用于污秽地区、高原地区及某些不易选择变电站建设地点的场合。

1 传统变电站建设方式

1.1 户外型变电站

该建站方式高压开关设备采用户外中型或半高型等布置形式，变压器放置在户外，10kV设备采用户内开关柜布置在开关室中，各电气设备采用敞开式（AIS）连接方式，即各电气设备之间采用裸露导线或母排，利用户外架构的支撑进行连接。此种变电站由于高压绝缘对空间的需要，使电力设备的体积和设备间距比较大，因此占用土地较多。且由于高压设备及其连接直接暴露在户外，对环境及绝缘配合要求较高。另外按此方式建设的变电站通常时构架高耸，高压线如网，与周边环境很不协调，经常遇到选择变电站建设地点的困难。但由于此种方式在我国有多年的建设经验，设备供应厂家众多，故建设成本较低。

1.2 户内型变电站

为解决户外型变电站占用土地多，环境不协调等造成选择变电站建设地点困难的问题，出现了户内型变电站，其电气设备全部或部分安装在户内。为有效地节约空间，其高压开关设备多选用气体绝缘封闭式开关设备（GIS），各电气设备之间的连接多采用电缆方式。但此种方式需要现场建房，且安装、调试工作量较大，施工周期长，导致建设成本较高。总体造价约比户外变电站高出一倍多，此模式适用于城市中心区变电站的建设，可较大程度的节约土地资源。

1.3 地下或半地下型变电站

此模式与户内型变电站较为相似，其是将各电气设备全部或部分安装在地面以下，更为有效的节省了土地占用面积，但此类型变电站建设及运行费用更高，只适用于土地资源极为紧张的城市中心地区。

以上变电站建设模式各有优缺点，适用于不同的场所，但这些模式均采取分散将各种电器设备运抵现场后，再分别进行安装调试的建设方式，安装周期长。

如果把变电站设计为模块化结构，工厂化生产，相关设备都在工厂安装在模块内，并完成内部连线和调试，把模块运到现场后，外部连接、整体联调即可。这样可以较好地解决以上各种问题，同时降低综合造价，使不同场合变电站的建设多一些选择方案，也减少各地工程建设队伍专业水平差异对工程质量的影响。

2 模块化变电站发展历程

2.1 第一阶段——10kV箱式变电站阶段

1997年，国内开始将10kV开关设备及二次装置在工厂安装在预制的箱体内，35kV设备仍按常规布置，中压开关设备多选用常规中置式开关柜，该类型柜体体积较大，造成整个箱体运输和吊装不便，运行中的维护工作量大，同时具有箱体内的操作走廊小，维护不便，安全性较低等一些缺点。

特别是我国户外设备大部分采用普通钢板、热镀锌钢板、敷铝合金板及夹层彩色钢板材料，外层用0.8～1.0mm的彩钢板，或者用镀锌钢板，或用钢板在金属底层经过热喷锌及表层喷塑处理，中间夹层采用聚胺脂材料。这种方式存在抗曝晒、抗阳光幅射性差，隔热保温、防潮性能差，且容易产生凝露的缺陷，成为开关设备不能长期稳定可靠运行的隐患。

2000年推出了YKJ紧凑型一体化站，将35kV变电站的所有 10kV设备和包括综合自动化在内的二次系统，设计安装在一个预制的箱体内，简化了35kV变电站的建设，10kV中压开关设备采用永磁操动机构的真空开关柜，该设备具有操作寿命长、体积小、免维护等显著特点，在同等额定电流和开断容量前提下，使得箱体内的操作空间大大增加，安装维护更加方便，

特别是箱体采用了金邦板这种非金属材质，该箱体具有保温、隔热、防潮，不生锈，解决了环境温差大的地区易造成凝露的现象，提高了设备的可靠运行。

目前在全国十多个省份得到了广泛应用，受到了用户的一致好评。

2.2 第二阶段——35kV变电站的两侧箱式

2000年后，把35kV、10kV的开关设备都分别在工厂安装在预制箱体内，实现了局部模块化，但仍选用常规开关柜，体积大，运输和吊装不便、操作走廊小，维护不便等问题仍然存在，变电站依然构架林立、存在高压裸线，易受到外界环境的影响。

2.3 第三阶段——66～110kV模块化变电站

2006年提出全封闭、全绝缘的模块化变电站思路；它按电压等级划分可分为 35kV模块化变电站和 66kV及以上模块化变电站两种。基本思路是将变电站按功能划分为高压开关、主变压器、中压开关、综合自动化、中压配套设备等功能模块，高压开关选用封闭式组合电器，进出线用拔插式电缆接头连接，中压（10kV）采用紧凑型一体化变电站；综自系统安装在非金属箱体内，工厂内调试完毕，现场整体调试即可完成变电站的建设。采用此种模式可以减小现场的施工及调试的工作量，缩短变电站的施工周期；变电站整体全绝缘、全密封，提高运行的可靠性，并与周围环境协调，容易选择建设地点；节省变电站的占地面积；降低变电站的整体造价。使得变电站中不再构架高耸、高压线如网，与环境协调，符合国网公司提出的“两型一化”的要求。

2008年国内首例“营口浴场变模块化站”成功投运，该工程已作为辽宁省 66kV变电站建设的样本工程，并通过了省局的鉴定验收。2011年 1月 11日国内第一座“110kV贵阳市小河区四方变模块化站”，正式投运，运行可靠，得到用户的一致认可。

2.4 第四阶段——35kV箱式模块化变电站

35kV模块化变电站，是将35kV变电站划分为进线模块、变压器模块、中压开关模块、综自模块及补偿模块，各功能模块箱式化。进线模块采用35kV气体封闭式开关柜（C-GIS），即单元站模式；变压器模块、自动化模块可以在公司内生产、补偿模块外购；中压开关模块采用 24kV气体封闭式开关柜。各模块在设计中可以进行整合，如将进线模块中的单元站与变压器整合成进线变压器模块，中压开关模块与综合模块整合成中压控制模块等。自动化装置分散布置在各模块中，形成完整意义上的功能模块。各模块分别在工厂内预制完成，并通过相应的试验，现场安装时只需将一二次电缆简单连接即可完成变电站建设。其采用的气体绝缘封闭式组合电器使得变电站整体耐候性较强，实现根据地形灵活布置站内设备，真正意义上的全工况、全绝缘、全封闭、特别适应于多山、选站址困难、高海拔地区。

3 模块化变电站设备特点及分析

3.1 进线模块

各种封闭式组合电器可以作为进线模块的基础，如果进出线采用工厂预制的整体式电缆套管及可插拔式电缆插接头将更能体现模块化的特点，可更方便于安装及运行中的维护。

目前，110kV以上电压等级的封闭式组合电器国内已有不少产品可供选择，但都无一例外的采用现场制作电缆连接套管，这样会增加封闭电器现场工作量，同时工作质量难以达到工厂生产的水平，因此套管仓尺寸一般比较大，对运行也是有一定的质量风险。拔插式电缆附件的出现为解决以上问题提供了一个很好的选择，现阶段国内此类电缆附件主要采用的有德国、意大利、日本及台湾的技术，产品质量比较稳定。国内部分高压开关厂家已经将此类电缆附件应用到封闭式组合电器中，但至今还没有厂家实现进线模块的工厂预制。

35kV模块化变电站的进线模块主要采用拼装式，即将户内开关柜或气体绝缘封闭式开关柜拼装到一个预制的金邦板非金属材料箱体内，箱体采用覆铝锌板等双层金属材料或金邦板等非金属材料，中间填充隔热材料，该箱体可以很好的解决采用双层彩钢板所带来的防潮、隔热、防凝露、锈蚀等问题。为箱体内的设备创造更好的运行环境温度，需要附加空调、温控和强迫通风装置。

3.2 变压器模块

变压器模块需要对常规变压器的进出线端子进行改进，一次侧采用可拔插的电缆附件或油气套管与进线模块相连。二次侧可以考虑电缆或架空两种出线方式，但需要考虑绝缘封闭的要求。

3.3 出线模块

出线模块有两种模式，一种是拼装式，最初是采用常规的中置式、手车式或固定式户内开关柜，由于常规开关柜体积大而造成整体模块的体积庞大，运输、吊装困难，箱体内的维护通道也比较狭窄，厂家和用户都感到不便；近几年来，出线模块开始采用以永磁机构真空开关为基础的紧凑型开关柜，由于体积小、重量轻、维护少、吊装和运输方便等优点，提高了这种模式的可行性，已大量应用在 35kV变电站；随着永磁开关参数的提升，这种模块已扩大应用到66kV和110kV变电站。另一种模式是户外共箱式，将开关设备装在充气箱体内，电缆接头作为进出线连接，并兼隔离断口功能，外边再加防护壳体。这种模式专为户外电力设备设计，结构紧凑，体积小，维护少，布局简捷，使变电站的建设和运行更加简化，工厂化特点更加突出。其实现的技术关键点有两个，一是开关设备免维护，二是大电流参数的电缆接头。美国十多年前已开始采用这种模式，以此为基础的全绝缘、全密闭型变电站，设计方案灵活，占地非常少；国家电网公司已将共箱式开关设备，及箱式小型化农村变电站作为今后5～10年重点推广的新技术产品，预计这种模式将有更多应用。

3.4 综合自动化模块

综合自动化模块主要包括保护屏、交直流屏、电度表屏、通讯屏等后台部分，都是常规变电站的标准设备，特别是国家最近提出的数字化变电站，采用开放的IEC61850开放式规约，目前各个保护厂家正在有条不紊的深入研发，需要在不断的实践中，逐步满足数字化站的发展模式。

3.5 无功补偿及消弧线圈模块

无功补偿和消弧线圈可以敞开式布置加顶罩，也可采用户内设备安装在箱体内，目前在贵阳市小河区110kV四方变工程得到了实用。

3.6 其余辅助设备

辅助设备中包括变电站消防系统、防雷及接地系统、照明系统、采暖系统、排水系统、保安室等，下面分别说明：①消防系统应由设计院进行设计，由用户进行配置安装，但在变电站整体排布中考虑了消防的要求，按DLT5056-1996《变电所总布置设计技术规程》进行设计，在不满足防火间距的位置加防火墙；②变电站防雷及接地系统按GB50057-94《建筑物防雷设计规范》及DL/T 620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》要求进行设计，由用户进行配置，线路防雷由设备避雷器进行保护；③照明系统按 GB50034-92《工业企业照明设计标准》进行设计，由用户在土建时进行安装；④采暖系统、排水系统及保安室由设计院进行统一设计后，由用户在土建时进行施工。

4 模块化站经济性能比较

4.1 110kV模块化站经济性能比较

1）建站规模

（1）110kV侧：本期2回出线，最终3回出线，扩大内桥接线方式。

（2）10kV侧：本期24回出线，最终36回出线，单母分段扩大内桥接线方式，每段12回出线；进线额定电流3150A，开断容量40kA。出线额定电流1250A，开断容量31.5kA。

（3）变压器容量：50000kVA（有载调压），本期2台，终期3台；电压等级：110/10.5kV接线组别：Y，d11，户外布置。

（4）4台电容补偿选用 4200kVar集中电容器装置，终期6台；接地变及消弧线圈在10kV侧选用2台630kVA干式变压器，终期3台。

（5）布置方式：110kV全封闭式组合电器（GIS）及变压器户外布置，10kV开关设备安装在模块化开关室内，为紧凑型一体化预装式安装方式。接地变及消弧线圈、无功补偿布置在金邦板箱体内，综自安装在金榜板箱体主控室内。考虑到运输安装方便性，将所有设备放置在槽钢底托上。

2）经济性能比较（见表1）

表1

（1）模块化变电站占地面积分别比户内站、户外站减少395m2、2027m2，减少13.7%，46.1%，按照17万元/亩计算，可减少征地费10万元，51万元。

（2）在模块化变电站中，除了门卫室，没有其他任何永久性建筑，站内建筑面积比户内变电站减少2258m2，建筑工程费少了578万元，降低60%。

（3）模块化变电站方案总体投资比户内方案高29万元，高出0.62%。模块化变电站方案土建、现场安装及试验的工作量大幅减少，施工周期比户内、户外方案缩短4个月。

（4）按照可研报告的经济评估，预计第一年增售电量收入为796万元，平均每月增售电量收入为66.3万元。模块化变电站方案提前3个月投运，早日发挥效益，增售电量收入为 198.9万元，实际要比户内站减少169万，综合性价比很高。

从以上比较中可以看出，模块化变电站占地面积小、安装调试工作量少、造价介于户外型与户内型变电站之间、整体性能可以达到户内站的标准、性价比较高。

4.2 35kV模块化站经济性能比较

1）建站规模

（1）35kV侧：本期2回出线，主变进线2回，母线PT本期2回；分段、隔离各1回，接线方式，单母分段。额定电流1250A，开断容量31.5kA。

（2）10 kV侧：本期8回出线，单母分段，每段4回出线；10kV母线PT电压互感器本期 2 回；站用变本期 2 回，额定电流 1250A，开断容量31.5kA。

（3）变压器容量： 10000 kVA（有载调压），本期 2 台，终期 2 台；电压等级：35/10.5kV接线组别：Y，d11，户外布置。

（4）2台电容补偿选用 1500kVar集中电容器装置，站用变压器在10kV侧选用2台30kVA油浸式变压器。

（5）布置方式：变电所35kV、10kV开关设备安装在模块化开关室内，均为紧凑型箱式安装方式。考虑到输安装方便性，将所有设备放置在槽钢底托上。

2）经济性能比较

（1）投资比较（见表2）

表2

（2）技术比较（见表3）

综合（1）、（2）数据比较中可以看出，由于采用了小型化永磁操动机构开关柜，变电站占地面积小、安装调试工作量少、造价介于户外型与户内型变电站之间、整体性能可以达到户内站的标准、性价比较高。

4.3 紧凑型永磁固定柜与常规开关柜占地面积对比

以下箱体的尺寸，按照 1）项建站规模进行合理的方案设计后，进行比较（见表4）。

表3

表4

以上数据说明，模块化变电站采用小型化永磁操动机构开关柜，不仅可提高设备的整体运行性能，同时能大量的节省占地面积，更加有利于解决采用常规开关柜受道路环境影响所带来的运输问题，缩短了施工周期，为工程尽早送电，创造了必要条件。

5 结论

1）模块化变电站是一种变电站建设的新模式，是落实“两型一化”变电站建设思想的具体措施。

2）变电站模块化可以解决常规变电站建设土地占用量大、施工周期长、环境不协调及施工质量差等问题，具有较大的技术优势。

3）利用模块化变电站进行变电站建设，较大提高了工作效率，其经济效益和社会效益也是不容忽视的。

4）变电站建设的模块化技术是当今世界众多相关技术发展的结果，也是市场竞争环境中寻求电网投资效益的使然。特别是在国家大力提倡发展智能电网设备的新形势下，基于永磁操动机构的开关柜，是实现智能化变电站的理想选择方案之一，尤其对于110kV及以下电压等级的变电站建设，将具有更大的实用价值。