预制舱式变电站设计及应用探索

蔡晶，许成昊，林清如，刘石，冉旺，许志恒，张程嘉，周灿煌，赵芳菲

(1.广东电网发展研究院有限责任公司，广东 广州 510080； 2.广东电网有限责任公司电网规划研究中心，广东 广州 510080； 3.广东电科院能源技术有限责任公司，广东 广州 510080)

新时期国家提出“资源节约型、环境友好型、工业化”的建设要求。电力工业作为国民经济的重要基础行业，在电网输、变、配、用电相关领域全面开展技术创新研究探索工作，能够更好地促进我国现代化智能电网的构建[1-9]。预制舱式变电站作为一种新型智能变电站建设模式[10]，将模块化与一体化的理念相结合，实现设备集成化、整体模块化、预制工厂化、系统整合化，具有环保、节能、高效、经济等优点[11]。开展预制舱领域的研究工作，对于加快打造安全、可靠、绿色、高效的现代化电网具有积极的现实意义[12-13]。

关于预制舱式变电站的研究与应用，国外可追溯到20世纪60年代欧美使用的户外成套变电所装置。目前，预制舱技术在欧美、中东及澳大利亚等地得到了较多的应用[14]。国内则是在20世纪90年代开始使用早期的预制舱式变电站——简易箱式变电站。凭借着“标准化设计、工厂化加工、装配式建设”的优势，预制舱技术已广泛应用于电网、新能源、工矿、铁路、军工、海洋开发等多领域[15-19]，该建造模式在国内220 kV及以下电压等级变电站建设中取得了长足发展。据行业相关资料不完全统计，近10年以来国内共建设35～220 kV不同电压等级预制舱式变电站600余座，在南方电网和国家电网取得了一定程度的推广[20-23]。

随着“十三五”期间智能电网发展规划的不断推进[24-25]，中国南方电网有限责任公司积极推广“新设备、新材料、新技术、新工艺”应用，持续不断加大科技创新及成果转化力度，全面推动智能电网规划建设，于2018年提出了预制舱式变电站建设试点方案，从2019年起正式开展示范工程的建设工作，致力于推动“安全可靠、运行灵活、维护简便、节能环保”电网建设目标的实现[26]。

1 预制舱式变电站的结构组成及优点

预制舱式变电站技术是将变电站电气系统中的主要设备，包括变压器、气体绝缘金属封闭开关设备(gas insulated switchgear，GIS)、二次设备、无功补偿、接地变压器(以下简称“接地变”)等，在工厂内完成相关配线、调试，然后将各模块作为一个整体装入预制舱内，通过物流运输至工程现场进行拼接。预制舱式变电站是预制舱理念在电力工程领域的延伸与拓展，目前主要适用于35 kV、110 kV、220 kV等电压等级变电站的建设[27]。

1.1 舱体结构及组成模块

预制舱式变电站多为无人值守变电站，预制舱各模块外形类似集装箱，舱体主框架结构使用型钢和冷轧钢板进行一体式焊装，舱体外壳由内外两层厚冷轧钢板组成，内部填注保温材料，内衬防火消音材料层，按丙类一级耐火3 h设计，舱体尺寸则由设备大小及排列方式决定。

以特锐德电气公司2018年研制的新一代110 kV预制舱智能变电站为例，依照功能分区布置可将其分为6个主要模块(见表1)，图1为效果图。

1.2 预制舱式变电站建设优点

预制舱式变电站具有如下特点[28-30]：

a)占地规模小。舱体与设备采用一体化设计与安装，预制舱尺寸紧凑，可有效减少占地面积。相对于传统变电站，预制舱式变电站占地面积和高度可减少20%～30%，空间占用率显著降低。

表1 预制舱模块组成

图1 国家电网公司110 kV新一代智能变电站效果图

b)模块布置灵活。依托于“立体建站”的布局方式，可根据地形的不同，对各模块进行灵活配置和布置。以地形复杂的山区为例，常规建站模式需铺整出足够的场地进行建站，而模块化平面布置方案则可采用一字型、L型等方案，竖向布置则可采用平铺型及叠装型等多种方案来适应场地需求。

c)建造流程简化。预制舱式变电站建设将传统的整站建设过程简化为：土建施工与工厂化生产并行、公路运输、现场装配、验收投运4个阶段，改变了传统工序中土建，设备安装调试，一、二次联调的施工顺序，减少了工程步骤，大大缩短了变电站的建设周期。常规变电站与预制舱式变电站的建设流程分别如图2、图3所示。

由图2、图3可知：预制舱式变电站的建设将一、二次设备的建设工作并行开展，预制舱式变电

图2 传统变电站建造流程

图3 预制舱式变电站建造流程

站在土建现场进行一次设备的安装建设时，二次设备同步在厂家内进行模块化的设计与安装，二次设备在厂家的建设工作完成后，采用预制舱体进行封装，然后运送至土建现场与一次设备直接对接，从而缩短了建设周期。

2 标准制定现状及主要技术要求

2.1 相关标准制定现状

目前，预制舱式智能变电站的建设规范工作正有序开展[31]。相关部门在2014年制订了Q/GDW 11157—2014《预制舱式二次组合设备技术规范》。此外，《主变预制舱通用设备技术规范》《预制舱通用设备技术规范》《开关柜预制舱通用设备技术规范》《无功补偿设备预制舱通用设备技术规范》《接地变及消弧线圈预制舱通用设备技术规范》和《变电站辅助预制舱通用设备技术规范》等技术规范也正在由相关部门协同制订中。

2.2 预制舱设计主要技术要求

a)主体设备满足使用年限要求，主要设备舱结构的抗震性、抗沉陷性、防腐性、耐火性应满足相关规范的建设要求，应保证具备不少于50 a设计使用寿命。

b)站区、功能分区及舱体的外形规整美观，功能分区内各项设施的布置紧凑、合理，能满足远期工程合理衔接。

c)站区总平面设计应充分利用场地和工程地质等环境条件，合理布置建筑物和有关设施，并与周边的空间景观相协调。

d)考虑不同地区水文气象条件，有效应对极端气候条件的影响。高寒地区舱体建设应满足相应的抗冻防灾要求，减少舱体内外热传导；沿海多台风地区的舱体建造应满足相应的抗风强度要求。

e)舱体设备满足工厂化生产和现场预装化建造的要求，变电站围墙、防火墙和电缆沟等配套采用装配式建筑物的建造模式进行建设。

f)采用一体化设计与安装，实现系统高度集成，确保现场建造作业安全、便捷、高效，满足绿色环保要求。

g)舱内宜采用智能环境控制技术，最大程度地实现节能减耗。

h)舱体应具备良好的保温及隔热性能，舱内通风、照明、消防、安防必须符合变电站相关规范及标准。

i)预制舱的结构设计应考虑日常维护及远期扩容的便捷性，实现智能运维管理。

j)预制舱设备宜采用“四新”技术，形成行业标准化生产工艺体系，进一步降低造价，提高设备的经济性和实用性。

2.3 应用场景

结合变电站建造实际[32-37]，预制舱式变电站适用于以下场景：

a)城区新建变电站。城区变电站的建设通常存在着征地困难、建站周期长、民事问题突出、环评要求高等问题。采用工厂化装配调试可使预制舱式变电站建设效率显著提升，设备舱舱体使用声屏障、电磁屏蔽等技术可减少周边居民对变电站噪音及辐射的担忧，舱体外观造型设计与周边环境相协调，外形简洁美观满足规划要求。

b)郊区新建变电站。郊区建站的关键在于减少郊区站巡检工作量和更好地应对周边环境问题。预制舱式变电站的智能化巡检方式极大地减少了日常巡检工作量，舱体内部高度集成，为设备全生命周期监控提供了便利，舱体外壳拥有良好的机械强度及密封性，隔绝外部环境对舱内设备的干扰。

3 广东省内预制舱式变电站的设计实例分析

在对粤东地区的220 kV甲变电站(以下简称“甲站”)和110 kV乙变电站(以下简称“乙站”)设计过程中，依据2.2节中预制舱设计技术要求以及《南方电网公司35 kV～500 kV变电站标准设计V2.1》的设计方案，进行变电站标准化建设方案与预制舱式变电站的设计方案对比分析研究。设计要求满足DL/T 5056—2007《变电站总布置设计技术规程》、GB 50016—2014《建筑设计防火规范》、DL 5027—2015《电力设备典型消防规范》、DL/T 5457—2012《变电站建筑结构设计规程》等现行的电力工程相关技术规程、规范文件。

3.1 220 kV甲站建造模式对比

220 kV甲站位于城区，建设地点临近海边，盐雾污染严重，拟征地面积7 282 m2，站址面积较小。项目终期建设规模为3台180 MVA主变压器(以下简称“主变”)、8回220 kV出线、12回110 kV出线、30回10 kV出线，本期建设规模为2台180 MVA主变压器、4回220 kV电缆出线、2回110 kV电缆出线、20回10 kV电缆出线。

以《南方电网公司35 kV～500 kV变电站标准设计V2.1》的“CSG-220B-GN1a”作为方案1，预制舱建设方案作为方案2，2种方案的总平面布置如图4所示，图5为220 kV甲站建设效果图。

方案1：综合楼呈垂直布置。220 kV、110 kV、l0 kV配电装置布置于1幢5层综合性建筑内。地下层布置电缆夹层；地上1层布置10 kV配电室、电容器室、电抗器室、接地装置室等；地上2层布置110 kV GIS室、10 kV电容器室等；地上3层布置继电器及通信室、蓄电池室等；地上4层布置220 kV GIS室等。主变压器室内布置于配电装置楼地上1层西侧。

方案2：整站分区域设置，包含220 kV GIS模块(47.5 m×12.5 m×7.25 m)、110 kV GIS模块(34 m×11.5 m×3.6 m)、10 kV开关柜预制舱(41 m×7.5 m×3.4 m)、二次预制舱(28.5 m×7.5 m×3.3 m)、无功补偿预制舱(11.2 m×2.4 m×3.4 m)和生活预制舱(12 m×3.4 m×3.4 m)。

2种建设方案的各项技术经济指标(不含土建基础及线路部分的费用)见表2。

与方案1相比，方案2围墙内占地面积减少2.19%，建筑面积上减少22%，大大降低了工程建设难度和工程量。工程建设的简易化也进一步提高了建造速度，方案2的建设周期减少75%以上，能更好地满足城区负荷增长的需求。在投资成本方面，方案2的静态投资减少了12.61%，其舱体费用、建筑工程费和安装工程费总价比方案1的建筑工程费及安装工程费总价减少了27.83%。

在甲站建设上，总体而言2种方案均能很好地适应站址面积小的情况，均可达到较好的效果，方案2在经济和建设周期上稍占优。

图4 220 kV甲站平面布置

图5 220 kV甲站建设效果图

技术经济指标方案1方案2技术方案220 kV户内常规布置,10 kV户内常规布置,2台180 MVA主变压器220 kV采用一体化变电站2台180 MVA主变压器围墙内占地面积6 445.4 m26 304.0 m2建筑面积2 596.3 m22 031.08 m2现场施工周期12个月4个月设备购置费4 832万元4 832万元舱体费用865万元建筑工程费2 866万元935万元安装工程费390万元550万元其他费用2 028万元1 801万元静态投资合计10 116万元8 983万元

3.2 110 kV乙站建造模式对比

110 kV乙站位于城区，建设地点属冲积平原，拟征地面积9 013.2 m2，站址面积较宽裕。项目终期建设规模为3台40 MVA主变压器、4回110 kV出线、36回10 kV出线，本期建设规模为2台40 MVA主变压器、2回110 kV出线、24回10 kV出线。

以《南方电网公司35 kV～500 kV变电站标准设计V2.1》G1层方案“CSG-110B-G2a”作为方案1，预制舱建设方案作为方案2，2种方案的总平面布置如图6所示，图7为110 kV乙站建设效果图。

图6 110 kV乙站平面布置

方案1中，建造配电装置楼1幢，主体共3层。第1层(地下层)为电缆夹层，第2层为10 kV成套开关柜双列布置高压配电室、电容器室、接地变室等，第3层为GIS室、继电器室、蓄电池室等。10 kV电容器组均为室内布置。

方案2中，整站分区域设置，包含户外主变模块、GIS预制舱(20.4 m×10.5 m×3.6 m)、10 kV开关柜预制舱(38.2 m×7.5 m×3.4 m)、二次预制舱(22.6 m×7.5 m×3.3 m)、无功补偿预制舱(7.5 m×2.6 m×3.4 m)、接地变预制舱(13.5 m×3.4 m×3.4 m)和生活预制舱(12 m×3.4 m×3.4 m)。

图7 110 kV乙站建设效果图

2种建设方案的各项技术经济指标(不含土建基础及线路部分的费用)见表3。

表3 110 kV乙站建设技术经济指标对比

由表3可知，乙站在建造周期和投资成本上与甲站的情况相似，方案2建造周期减少了约66.7%，静态投资减少了10.50%，对比方案1的建筑工程费及安装工程费总价，舱体费用、建筑工程费和安装工程费的总价减少了26%。此外，舱体能有效防火、防碰撞，结构更紧凑合理。方案2的围墙内占地面积减少21.15%，建筑面积减少33.22%，有效提高了土地使用效率。因此在建站规划初期，考虑采用预制舱方案，能减少征地面积811.5 m2，节约征地费用73.03万元。

相较于城区建设，在郊区采用预制舱，除了建造周期和经济上的优势外，土地使用效率的提升更为明显。舱体将设备与环境隔离，进一步提高了变电站对郊区环境的适应性。因此在乙站的建设上，宜选用预制舱式变电站的建设方案。

由以上2个设计实例可知，舱式变电站具有建设周期短、建造难度小和成本相对低的优点。另一方面，由于舱式变电站能使站内布置更紧凑、更节省用地，降低征地难度和费用，进一步减少总投资成本。凭借着经济、建设周期、建造便利性和用地面积上的优势，预制舱式变电站在变电站建设上具有广阔的应用前景。因此，建设方可以在权衡土建现场情况、运输能力、建设工期、占地规模和项目经济性后，综合考虑选择变电站的建设模式。

4 预制舱式变电站的设计和建设优化建议

预制舱式变电站的建设是一项复杂的系统工程，该模式变电站涉及设计、制造、加工、安装、运维等多领域，由于国内预制舱式变电站技术起步时间较晚，在舱体和设备的运维、检修等方面缺乏权威的经验。本文针对预制舱式变电站的设计和建设，提出以下几方面考量因素及优化建议：

a)建设预制舱式变电站应综合考虑当地气候条件、运行环境等实际情况，实现差异化建设，如高寒地区侧重于防冻及保温隔热性能，南方沿海湿热地区侧重于防强风、防潮和防腐蚀性能。

b)预制舱式变电站选址尽量避开污染源及其下风侧，减少有害气体、烟、雾、粉尘、强烈震动对变电站运行的影响。

c)地质条件较差时，应做好设备舱基础处理，宜加装沉降测量装置。

d)舱体的抗震性能应符合相应工况环境要求。

e)综合舱配置应能方便检修人员工作，满足基本的巡检运维需求。

f)舱体应采取有效的防涡流措施，确保母线与舱体之间不形成导磁回路。

g)舱体电缆进出线位置及通风孔等内外连通部位应具有良好的密封性。

h)二次设备宜采用预制光缆和电缆，实现二次接线即插即用。

5 结束语

中国南方电网有限责任公司大力实施创新驱动发展战略，为加快推进安全、可靠、绿色、高效的智能电网建设，已拟将预制舱方案纳入南方电网标准化设计体系。作为一种新型的变电站建设模式，预制舱式变电站基于模块化的设计建造流程，工厂生产及现场施工并行开展，缩短了建站周期，有效减小了变电站规模，节省了土地成本，提高了变电站空间利用率。预制舱式变电站由于其显著的社会、经济效益，具有良好的实用性和推广价值。