模块化变电站预制舱应用及设计探讨

李仲元，杨辅荣，孔宪扬

（中国能源建设集团安徽省电力设计院有限公司，安徽 合肥 230601）

0 前言

随着我国电力需求的不断增长，对电力基础设施的建设提出了更高的要求，变电站是其中的重要组成部分。传统变电站的建设存在着施工湿作业时间长，对环境影响较大等问题，在国网大力推广模块化变电站的背景下，预制舱有着很好的应用前景，110kV-220kV电压等级户外变电站电气二次设备室可采用预制舱的形式。在美国二十世纪八十年代中期，预制舱就已经应用在整体模块化式33kV变电站，在日本二十世纪九十年代，66kV变电站开始应用预制舱。在国内，预制舱由于其运输方便、现场安装简单等特点，已广泛应用于通信机房、战地医院和活动房等。在电力行业，35kV、10kV预制舱式变电站已在工程中得到应用，并在110kV-220kV变电站中具有广泛的应用前景。二次设备室是变电站中重要的组成部分，本文针对预制舱形式二次设备室，通过综合比选，确定了预制舱结构形式、材料种类、保温隔热以及安装运输方式等方面，并研究了组合式舱体的应用前景，以期为今后模块化变电站设计提供参考。

1 预制舱选型

依据国家电网二次组合设备技术规范规定，考虑到目前设备舱的运输以公路运输为主，为适应公路运输的特点，提高运输效率及可靠性，变电站内单个预制舱尺寸和平柜尺寸各分为3个等级，如表1所示。预制舱尺寸的选择要考虑多种因素，如二次设备的数量和尺寸，电缆沟尺寸等因素。预制舱体形式可分为标准集装箱、钢结构箱房和预制混凝土箱房。其中标准集装箱按常用制造材料可分为钢制集装箱、铝合金集装箱、不锈钢集装箱和玻璃钢集装箱，其特点如表2所示。

表1 变电站预制舱及屏柜规格

表2 不同材料集装箱特点

钢结构箱房主要由底座、侧板、隔板门和顶盖等部分组成。预制混凝土箱房采用模块化结构，箱体模块、进线模块、主变压器模块、自动化模块、出线模块和无功补偿模块等，两种箱的特点如表3所示。

表3 不同材料箱房特点

通过以上对比，标准集装箱较适合作为变电站预制舱式二次组合设备舱，整体结构及零部件均为国际通用标准，设计较成熟，利用现有产能和装备，便于批量生产，便于运输，经济效益好。若采用钢结构，舱体整体框架及所有安装、固定、对接零部件均需根据二次设备室的特点重新研制、生产，短期内不适用于批量生产和标准化设计。若采用混凝土箱，箱体自重大，安装运输困难，经济效益低。故推荐采用标准集装箱作为预制舱舱体。

2 预制舱设计

预制舱的设计包括舱体框架、舱体外墙、舱体内墙、舱体夹层、舱体顶板、舱体底板设计等，预制舱式二次设备室须具有良好的机械强度和刚度，保证预制舱在运输和安装过程中不会损坏和变形，同时在使用过程中预制舱应满足抗震要求，集装箱舱体框架作为主要受力构件须具有一定的强度，故集装箱舱体框架推荐采用优质碳素结构钢制作。

2.1 舱体外墙

集装箱外墙材料应采用轻质高强、耐水防腐、阻燃隔热，隔音性能强的材料。目前可作为外墙材料的有耐候钢、金邦板、复合压型钢板、复合纤维水泥板、铝板和不锈钢板，综合经济技术指标对比如表4所示，其中材料价格按制造III型号尺寸舱体计算得出。金邦板自重轻，易于安装，且具有较好的保温隔热性能，综合考虑，推荐采用金邦板作为舱体的外壳材料。

表4 外侧板材料综合对比

2.2 舱体内墙

集装箱内墙应采用防火性能好的材料，目前可以作为内墙材料的有压花铝板、镀铝锌板、石膏板或彩钢板，综合经济技术指标对比如表5所示，其中材料价格按制造III型号尺寸舱体计算得出。综合考虑材料性能和经济性，铝塑复合板具有强度高、防火性能好、易保养等特点，且性价比较高，推荐作为舱体内墙材料。

表5 内侧板材料综合比较表

2.3 舱体夹层

由于预制舱置于户外，需隔热保温，因此采用双层结构，夹层中填充隔热保温材料。目前常用的保温材料有无机类和有机类保温材料两种。有机类保温材料主要有聚氨酯泡沫、聚苯板、酚醛泡沫等，它具有重量轻、致密性高、保温隔热效果好等优点，缺点有不耐老化、易燃烧、施工难度大且工程成本较高。无机保温材料主要有玻璃棉、岩棉、膨胀珍珠岩，它具有不易燃烧、吸水率低等特点，能够达到A级防火。岩棉保温板具有优良的防火、防潮、保温和吸音性能，并且施工及安装方便、节能效果显著，性价比高。综合考虑上述条件及经济性等因素，选择优质防火岩棉材料作为设备舱夹层材料，岩棉外表面覆盖隔热薄膜，可起到很好的隔热效果。

2.4 舱体顶板和底板

预制舱顶部结构设计需考虑具体工程气象条件，以满足抗风、抗震、防腐和防水要求。推荐预制舱采用可拆卸型式坡屋面，采用冷轧钢板，经过喷砂和热喷锌处理。顶部采用有组织排水，坡度不小于5%，对于北方多雪及南方多雨地区，可适当增大屋面坡度，以预防积雪和利于排水。舱体底板可采用型钢结构，增加舱体的刚度，舱体内地板可采用防静电陶瓷地板。

3 运输、吊装方式

预制舱参考集装箱运输主要有公路运输、铁路运输、海运等，考虑我国变电站建设特点，推荐采用公路运输方式，使用集装箱式专用平板车运输，舱体需与平板紧固，如图1所示。在配备集装箱公路运输车辆时，首先考虑所运输的预制舱规格尺寸和额定总重量，按照集装箱标准选择公路运输车辆。预制舱常用吊装方式有上部起吊和下部起吊。现场安装时，考虑集装箱内已安装设备，采用下部起吊方式，上部起吊仅用于空箱转运。

图1 预制舱运输图

4 组合式舱体

110 kV-220kV变电站二次设备室在通常情况下采用单个预制舱即可满足，当二次设备室较大时，若采用整舱形式，尺寸过大不方便运输，因而可采用组合式舱体，及将多个预制舱串联拼接，如图2所示。各部分预制舱在拼接前进行合理的设计，到现场后可以进行快速的拼接。多预制舱拼接方案主要考虑两个方面，即拼接接口设计和运输便利。为了达到标准化设计和工厂化生产的目的，二次设备舱宜采用标准尺寸，并采用标准化的接口设计。舱体单元由于缺少一面或两面墙壁，在吊装、运输和拼接过程中，须安装辅助支撑以保证结构的稳定和安全。

图2 舱体组合

5 结论

在国家电网公司大力推广模块化变电站的背景下，在110kV-220kV电压等级户外变电站中，二次设备室可采用预制舱的形式。通过分析比选，结合电器设备室的特点和经济性要求，确定了预制舱的结构形式和制作材料。预制舱结构推荐采用集装箱形式，集装箱舱体框架推荐采用钢框架，舱体外墙推荐采用金邦板，舱体内墙宜采用铝塑复合板，舱体夹层宜采用优质防火岩棉，舱体顶板宜采用冷轧钢板，底板采用型钢铺设，并采用防静电陶瓷地板，考虑到舱体内已安装有设备，在施工起吊时宜采用下部起吊。对于尺寸较大的建筑物，可采用组合式舱体，由数个单一舱体拼接而成，以解决舱体过大运输困难的问题。