智能景观型地埋式箱变在城市地下综合管廊的应用

／中交第二公路勘察设计院交通工程有限公司 吴文丰／

智能景观型地埋式箱变在城市地下综合管廊的应用

／中交第二公路勘察设计院交通工程有限公司 吴文丰／

随着城市规模的快速发展和综合国力的不断提高，城市建设发展在城市新区、各类园区、成片开发区域，老城区结合旧城拆迁、道路拓宽、河道治理、地下空间开发、建筑物立面翻新和城网改造后，又实施了城市绿地、架空入地供电和亮化工程。城市综合管廊建设试点工作的开展、电力等管线纳入管廊是城市管线建设发展方式的重大转变，有利于提高电力等管线运行的可靠性、安全性和使用寿命；保障城市管线集约化、科学化和综合化的先进敷设方式，对节约利用城市地面土地和地下空间，提高城市综合承载能力起到关键性作用，对促进管廊建设可持续发展具有重要意义。文章主要介绍景观型地埋式箱变在城市综合管廊的应用发展现状及设计方案、在城市地下综合管廊应用中的可行性方案。

综合地下管廊；地埋式箱变；景观型

0 引言

为贯彻落实中央城市工作会议精神和《国务院办公厅关于加强城市地下管线建设管理的指导意见》、《财政部 住房城乡建设部关于开展中央财政支持地下综合管廊试点工作的通知》，以规范城市地下综合管线建设行为，保障城市地下管线运行安全，提升城市综合承载能力。

城市地下综合管廊适合建设在交通运输繁忙、地下管线较多的城市主干道、地下道路、城市地下综合体等建设工程地段；城市核心区、中央商务区、地下空间高强度成片集中开发区、重要广场、主要道路的交叉口、道路与铁路或河流的交叉处、过江隧道等；道路宽度难以满足直埋敷设多种管线的路段；重要的公共空间；不宜开挖路面的路段。然而在这些路段的电力、通讯、自来水、燃气、热力等管线安全要求也极为重要，尤其是作为一切动力能源基础的电力管线，国务院做出部署要求2015年起电力管线集中入廊。

2016年住房和城乡建设部、国家能源局发文《关于推进电力管线纳入城市地下综合管廊的意见》，要求部署各地住房城乡建设、能源主管部门和各电网企业，按照确保安全、节约利用空间资源的原则，结合各地实际情况实施，加强统筹协调、协商合作，认真做好电力管线入廊等相关工作，积极稳妥推进管廊建设，指出电力管线入廊是打造经济发展新动力的一项重大民生工程，也是解决“马路拉链”、“电缆蜘蛛网”问题的有效途径。电网企业要合理确定管廊布局、建设时序、断面选型等，保证电网改造的合理性、电网运行的安全和经济性，以提高电网供电质量为目标，满足电力供应的节能、环保、高效、可靠、稳定及可持续发展的要求。

1 目前电力输配电的主要形式及存在的问题

1.1 架空“蜘蛛网”线路

双杆式配变台区的10kV线路、低压线路都是架空的，首先，由于电源必须供入每户居民多布点的原则，其架空线路多而杂，台区占用道路地面绿地。形成“黑色蜘蛛网”影响城市市政环境的建设（见图1），其次，变压器是裸露在外面的，电磁污染、噪声、辐射和电磁干扰会对周边居民的身心健康造成严重的危害。最后，客户供电容量不确定，容易受外界环境和人为的影响，使电网容量扩展性能差、供电可靠性低。

图1 架空“蜘蛛网”线路

1.2 欧式箱变

欧式箱变是将变压器、高压开关柜和低压开关柜等电器设备布置于同一个金属外壳箱体中，箱体内有三个隔室，有独立的高压室，变压器室和低压室，所以又称为“组合式变电站”（见图2）。变压器在运行过程中温度很高，外面再添加一个金属外壳箱体从而引起变压器散热困难，散热不及时就很有可能会烧坏变压器，给供电用户造成损失，并给周边居民带来危害；另一方面在箱体中采用普通的高压负荷开关和熔断器、低压开关柜，所以箱变体积较大，占地面积大，不利于安装，还需要定期维护。

图2 欧式箱变

1.3 美式箱变

美式箱变在结构上将变压器器身、高压负荷开关、环网开关、熔断器等元件一同放在变压器油箱内，构成一体式设备（见图3）。因此元器件体积得到最大限度缩小、结构更为紧凑、占地面积相对欧式箱变减少了，美式箱变采用变压器油作为带电部分相间及对地的绝缘介质，由于负荷开关是放在变压器油箱中，其关合位置只能根据外部操作面板的指示来判断，而且其操作要通过专用的绝缘操作杆来进行。所以其操作较为复杂，供电可靠性、安全性得不到保障。美式箱变无油温保护，只有一个温度计来显示油温，当油温太高时，依靠插入式熔断器来进行保护，还有一个压力释放阀，用来释放油箱内太大的压力。因此要经常检查在这两种情况下熔断器是否正常运行及外壳是否发生渗漏油现象。

综上所述，将架空线路及柱上变等电力设备实现落地入廊，然而传统的欧式、美式箱变又不能满足当下城市建设发展的需求，使得电力管线入廊在地面以上的电力设备难以选址，甚至很多箱体外壳成为了小广告的载体，与周边景致格格不入，部分地区“城市病”问题日益严峻。为打造绿色、生态、低碳、管理高效、环境适宜的健康城市，河北哥伦普勒电气设备有限公司研发了一种智能景观型地埋式箱变。

图3 美式箱变

2 智能景观型地埋式箱变的总体设计方案构建

为满足电力管线入廊的需求，智能景观型地埋式箱变不仅可以作为干线综合管廊内的供电系统设备，还可以作为缆线型综合管廊内架空的电力、道路照明的输配电设备。 这是一种采用先进、可靠、集成、低碳、环保的设备组合而成，以供配电设施的安全性能强、自动化程度高为基本要求，能高效地完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，还具备与环境适应、与周边设施和谐共存、可持续发展的绿色智慧城市的电力设备。

2.1 总体结构设计

景观型地埋式箱变由户外高低压开关柜和景观型外壳组成“地上部分”， 由地埋式变压器和预装式地坑箱组成“地下部分”（见图4）。相比传统的箱变，在安装设计上进行了革新和创造，采用上下式结构，“地上部分”用来城市的配电、采集数据、监控线路传输运行的情况。具有体积小、占地面积小的特点，在外观上进行了美化设计， 使其具有一定的观赏性，从而解决了在人口稠密，建筑密集的商业、经济、文化中心以及城市道路中出现的“城市毁容”问题，满足了城市规划部门对市容和整体环境的要求。

2.2 景观型外壳的设计

景观型外壳在选材上采用不锈钢板制成，金属构件均进行了防锈处理和喷涂防护层。 防止箱变外壳受碰撞、偷盗的破坏，设置了自动报警系统，且设备上的锁采用防水暗锁设计。景观型外壳的两边侧门采用的是双支撑结构，由压缩气缸助力往上开，再由定位机械撑杆固定，这样方便了操作人员独立操作，并保证高、低压配电柜有足够的操作、维护高度空间。 在景观型外壳的下方设有通风口，使底部和顶部形成对流通风窗口。景观型外壳设置了LED广告传媒面版，不仅给商家提供了商业运营平台，而且遏制小广告贴的模式，美化了城市。

图4 景观型地埋式箱变

2.3 地埋式变压器地坑设计

地埋式变压器地坑基础全部为不锈钢结构，其表面进行热镀锌处理，再喷涂防腐蚀面漆，进行防锈处理，预装基础与顶盖之间采用橡胶结构密封。上盖板表面铺贴广场瓷砖，设置检修孔，打开后有气缸结构元件支撑定位，通过检修孔可观察地埋式变压器的状况或进入地坑进行电缆安装连接。

2.4 地埋式变压器设计

（1）防水设计

地埋式变压器选用304不锈钢板，结构为全绝缘、全密封式，防护等级达到IP68，能够承受70kPa压力，确保在运输、安装过程中变压器无损伤以及不得出现永久变形等问题，还有效地防止氧气、水份的进入而导致变压器绝缘性能的下降。地埋式变压器高、低压连接器的连接部位使用双密封仓装置机械保护，其第一层为硅胶可分离插拔头连接器与变压器密封连接，第二层由连接器外部浇注比重大于水的液态绝缘材料和密封式的不锈钢密封舱做二次保护，确保即使地埋式变压器整体浸在水中也能够运行。

（2）自动排水设计

地坑内设置潜水泵、自动排水系统。自动排水系统由不锈钢潜水泵、高低水位传感器和控制系统组成，当有暴雨、洪涝等意外情况而引起的地坑内部进水，积水超过一定高度时，由高水位传感器触发潜水泵启动，积水经排水管排出地坑外部，直至水位高度降至与地坑底面平齐时，低水位传感器触发潜水泵自动关闭。另外还在低压柜面板上设置潜水泵手动转换开关，可以强制启动潜水泵抽水。潜水泵的排水量为2800L/h，排空整个地坑的水所需时间约为2.5h。

（3）通风散热方式

地埋式变压器采用优质的环烷基矿物油，这种油不仅低温性能好，粘度特性优异，当变压器运行温度升高时，变压器内环烷基矿物油的粘度会显著降低，流动速度加快，从而使得变压器的散热能力增强。 环烷基变压器油还具有良好的抗氧化和安定性，绝缘强度高，熄弧能力强，能确保变压器正常运行条件下，可20年免维护运行。

景观型箱体外壳下方采用的是航天工业技术中热控百叶窗的设计理念，在额定负载下运行过程中调节百叶窗的角度，通过地坑变压器检测基板的温度，判断启动到最大的垂直位置，并自动启动安装在外壳下方的进出风机，达到有效排散热量；当温度降到某个设计温度时，自动关闭进出口风机，叶片自动关闭到设定的位置，通过调整能在较大的热量范围内实现温度控制。有力地解决了地下式变压器在运行过程中的散热问题，从而保证变压器安全可靠地运行。

（4）智能监控系统设计

智能景观型地埋式箱变建立基于物联网的“管、控、营”一体化的智能管控系统，从数据采集、通信网络、系统架构、智能联动和综合数据服务等方面的设计，使箱变监控与报警系统具有联动控制和远程控制的作用，避免出现箱变系统内部的信息孤岛问题。

智能景观型地埋式箱变设置有智能平台，可以准确、及时地探测管廊内火情，监测有害气体、空气含氧量、温度、湿度等环境参数，还有对沟内的机械风机、排水泵、供电设备、消防设施进行监测和控制。并能做到及时将信息传递至监控中心。监控中心根据电子地图上显示报警的位置，准确、及时地做出相应的判断，实现遥测、遥控、遥信、遥调、遥试“五遥”的功能。

3 智能景观型地埋式箱变在城市综合管廊中的应用的可行性分析

基于城市建设环境美化、人口稠密、建筑密集的视觉特性基础上，为营造安全稳定的供配电环境，打破传统箱变在专业上的限制，不论从结构设计、材料选用及配网功能等多方面改进设计，还是灵活、安全、可靠的供配电技术（见图5）。

在实现以上设计理念的同时，还要做到以下优势。

图5

（1）占地面积小，安装便捷

传统箱变的体积过于庞大，占地面积大，而且在施工现场制作安装，土建基础的施工周期长，造价高，占地面积大。而地埋式变压器地上部分设计的造型美观，占地面积不到6m2，地面部分占不到3m2，在工厂里预先装置完成，在施工现场只需挖好地坑做好地基处理，大大缩短了施工周期，降低了施工难度。

（2）外形美观，效益创收

传统箱变在城市环境中呈现给人们“脏、乱、差”的视觉特点，与现代城市建设环境整体不符，甚至还成为小广告贴的载体，成为城市“毁容”的利器。相比之下，景观型地埋式箱变的箱体外壳本身就设置了广告灯箱板面，商家可以通过转包或者租赁等形式经营运作，创造新的经济增长点，从而也达到装饰城市，美化环境的效果。

（3）节能环保

智能传媒景观型地埋式箱变占地表的空间比传统箱变大为缩小，使之能靠近负荷中心而安装，有效减少低压电缆的长度，并为国家每年节约大量的低压电能线损，达到既节材又节能的双重效能。而传统箱变受体积的限制，难以寻找合适的地点安装，故往往使安装地点与用地负荷距离较远，使低压供电距离大，并增加损耗。

（4）减少辐射和噪声

智能传媒景观型地埋式箱变，采用地埋式低损耗的S11-S15型变压器，S11-S15型变压器选用优质晶粒取向冷轧硅钢片，全斜无孔绑扎结构，有效减少了变压器产生的空载损耗和负载损耗，变压器放置在地面以下，减少夜间变压器的空载噪声，避免了对居民的噪声滋扰，并且地坑也屏蔽了变压器的电磁辐射和电磁干扰，优化了箱变的性能。而传统的箱变变压器噪声和电磁辐射可通过变压器门的散热口传出，令人产生厌恶。

4 结束语

在城市地下综合管廊运行阶段，发现电力供配电在城市建设中存在的问题上 ，针对城市出现的土地资源紧张，挤占绿地河道、交通拥挤、环境污染等“大城市病”和“毁容”现状，景观型地埋式箱变正步入旨在改善街景市貌，建设和谐、宜居、首善之区的城市“美容”阶段城市环境的改善和美化，提高供电质量。景观型地埋式箱变成为了城市建设中必不可少的供电设备。

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