基于风险管理的广州市中心地区变电站选址优化设计

周 森，黄剑慧，郝桂芹，陈秀珍，严 韦，梁春慧

(广州市电力工程设计院有限公司，广东 广州 510335)

0 引言

“十四五”期间，广州电网将新增变电站302座(含市中心地区变电站192座)，市中心地区变电站建设比例达63.5%[1]。然而城市建设用地资源稀缺，变电站用地与土地供给的矛盾越发突出。以广州市越秀区为例，越秀区是广州市的政治、金融和文化中心，经济密度排名全市第一，占地面积仅33 km2，是广州市占地面积最小的中心城区，受建设用地紧缺等因素的影响，越秀区电网总体供电能力增长缓慢，局部地区供电能力滞后于负荷增长的情况还较突出，难以满足经济增长对用电负荷的需求。

广州市中心地区变电站选址面临高层建筑、市政设施(含城市道路、轨道交通、水务管涵、燃气管道等)、历史文物等复杂环境，变电站选址面临多重风险因素，常规变电站的设计思路已不适应市中心地区变电站建设模式。运用风险管理工具，确定影响市中心地区变电站选址落地的控制性风险因素，并结合工程案例提出风险应对策略，提高市中心地区变电站选址成功率。

1 风险识别及风险可接受性评定

笔者对影响广州市中心地区变电站选址落地的风险因素展开调查研究，将变电站选址所面临的风险因素分为技术风险和非技术风险两大类别，运用5M1E(人、机、料、法、测、环)对风险因素进行系统归类，识别出15项末端因素并定义为典型风险事件。文献[2]对典型风险事件的风险等级指数与风险后果评分进行赋值，建立风险重要性和风险可接受性评定指标，筛选出6项影响变电站选址成功的控制性风险事件，控制性风险因素占比约40%。当控制性风险因素未能有效解决，则意味着变电站选址失败，选址成功率仅约60%。风险识别清单及风险可接受性评定见表1所列。

表1 风险识别清单及风险可接受性评定

2 典型案例分析

2.1 站址及周边环境

选取广州市越秀区110 kV锦汉变电站(以下简称“变电站”)为典型案例进行分析。变电站北侧紧邻市政兰圃路，西侧邻近建筑物，西北侧与清真先贤古墓相望，东侧及南侧为合建地块行车道路，东南侧为广州越秀国际会议中心。市政兰圃路路面标高8.60～9.00 m，变电站±0.00 m相对绝对标高9.50 m，场地设计标高9.20 m。

变电站下方为运营中的广州地铁2号线和驷马涌暗渠。其中：2号线为双线盾构隧道，隧道宽度6 m，两边各3 m内为隧道保护线范围，隧道顶埋深约15 m，与变电站呈西北—东南向斜交；驷马涌暗渠宽度8 m，渠箱底标高5.15 m，顶标高7.25 m，两侧为1.80 m高毛石挡墙，暗渠与变电站呈东北—西南向斜交。变电站平面布置如图1所示[3]。

图1 变电站总平面布置图

2.2 控制性风险事件

1)站址面积超规划批复

站址批复用地面积为1 793 m2，根据《中国南方电网公司标准设计和典型造价 V2.1-CSG-110B-G2a》48.4 m×20.6 m 紧凑型布置模块，标准设计拟征地红线面积为69.4 m(长 )×41.6 m(宽 )≈ 2 887 m2。当按标准设计时，站址面积＞规划批复面积，不满足规划批复条件。

2)间距退缩未达到要求

配电装置楼属丙类一级多层厂房，东南侧会议中心为66 m高的一类高层建筑，西侧建筑物为二类多层建筑，高度均高于变电站。根据文献[4]的相关规定，配电装置楼距越秀国际会议中心防火间距应≥20 m，配电装置楼距西侧民居防火间距应≥10 m。但受站址建设条件制约，变电站东南侧外墙距离越秀国际会议中心外墙18.45～19.42 m，不足20 m；变电站西侧距离现状民居外墙7.94 m，不足10 m。现状防火间距不满足要求。

3)方案未考虑地铁避让

经调查征询，地铁保护部门明确意见[5]：①基础避让：在平面布置上，基础桩外边线与地铁隧道结构外边线之间的最小水平投影距离≥3 m；②基础桩深：地铁隧道结构外边线20 m范围内基础桩应设计为端承桩，且桩底高程需低于地铁结构底≥3 m；③保护措施：需采取必要的措施避免对地铁结构的影响。如按常规变电站基础布置方式，难以满足地铁避让要求。

4)方案未考虑水务避让

经调查征询，水务部门明确意见[6]：①基础避让：在平面布置上，建筑物桩柱不得进入渠箱过水断面；②扩宽断面：站址骑压渠箱顺水流方向的长度范围内的渠箱净宽需扩宽至15 m(现状约8 m)；③抬高净高：站址横跨驷马涌渠箱的结构底板距离渠箱面板的高度不少于1.8 m。如按常规变电站布置方式，难以满足水务避让要求。

5)方案未考虑建筑限高

变电站西北侧与清真先贤古墓邻近，变电站左侧约30～33 m进入文物保护紫线。经调查征询，文物部门明确意见如下[7]：当拟建变电站落入全国重点文物保护单位清真先贤古墓的建设控制地带时，建筑高度需控制在18 m以内。当考虑水务抬高净高1.8 m时，建筑高度突破限高要求。选址方案与文物限高线主断面关系如图2所示。

图2 选址方案与文物限高线主断面关系示意图

6)线路管廊未统筹协调

变电站按终期3台主变(3×63 MVA)，新建110 kV线路2回(终期3回)、10 kV出线32回(终期48回)。进出线路管廊主要涉及如下风险因素：①110 kV线路为电缆进线，进站段设置埋地式电缆沟，电缆沟底板顶埋深1.6 m，而电缆层面标高高出室外地面2.1 m，电缆层面与室外电缆沟底板顶高差3.7 m，电缆进线接口存在衔接难题；②线路路径多位于城市主干道，电缆多敷设于车行道，若采用电缆沟或电缆槽盒方式敷设，二次开挖敷设电缆将带来较大的交通疏解压力，项目协调难度及成本增加；③沿现状道路敷设电缆，沿线管线众多，线路路径存在交叉跨越或线路与各类管线安全距离不足的风险。

2.3 风险应对策略

2.3.1 优化站址平面布置

当按标准设计时，站址面积＞规划批复面积，因此变电站采用非标准设计。为尽可能节省占地，变电站不单独设围墙，充分利用现状地形合理优化站址布置。站址北侧紧邻兰圃路，为便于主变压器安装及维护，此面为全开敞式；站址西侧利用现状建筑物外墙形成自然围蔽；站址东侧、南侧局部为开敞式，与地块共用消防及运输通道；站址南侧局部为公共绿化。

配电装置楼尺寸按非标准设计，在满足电气布置的情况下，横向尺寸压缩至17.3 m，纵向尺寸拉伸至58.6 m，东南侧根据场地现状设置局部切角及转换梁局部外露地面，配电装置楼基底面积为1 147.88 m2，小于规划批复面积，节约土地率约达36%。配电装置楼两侧各设1处出入口，与市政路顺接，站址共用道路与市政路形成“U”形，满足消防及设备运输要求。设置东、西电缆出线井，电缆通道沿道路敷设。主变朝向市政道路侧，消防水池布置在配电装置楼内。站址平面优化布置如图1所示。

2.3.2 加强建筑防火设计

根据文献[4]有关规定，加强建筑防火设计措施：①配电装置楼与周边建筑相邻面设置为防火墙，墙体采用240 mm厚A5、B07蒸压加气混凝土砌块，既减轻了建筑物自重，又具备良好的防火性能。

表3 加气混凝土砌块墙非木结构构件的燃烧性能和耐火极限

根据表2、3所示，建筑墙体的耐火极限可达8 h以上，远高于耐火等级为一级厂房的防火墙防火性能要求。②防火墙立面布置：变电站西侧端部建筑布置为楼梯间、走廊及10 kV配电室，该面防火墙上不开门、窗、洞口；变电站东侧端部建筑布置为电容器室、接地变室，考虑到吊装设备需要，故该面防火墙上设置带联动功能的甲级单扇或双扇防火钢板门。

表2 不同耐火等级厂房建筑防火墙的燃烧性能和耐火极限 h

2.3.3 设置大跨转换结构

1)转换梁平面布置

当按标准设计时，变电站基础无法实现对地下设施的避让及跨越。借鉴建筑行业的先进做法，配电装置楼首层设置转换梁。纵向设置四道大跨度转换梁，横向设置六道转换梁，纵向转换梁最大跨度约30.9 m，最大梁截面取2 200 mm×2 250 mm(宽×高)，并在靠近梁端支座位置处设置结构加腋措施，提高转换结构的整体受力性能。横向转换梁截面 取1 200 mm×1 200 mm(宽 × 高)。 其余为常规框架梁，主变基础处框架梁截面取400 mm×1 000 mm(宽×高)。梁间板厚取300 mm。转换梁平面布置如图3所示。

图3 转换梁平面布置图

2)建筑首层平面图

配电装置楼首层主要布置电缆层、主变压器室(含主变压器基础、油坑等)、消防水池、东西两侧电缆出线井等，配电装置楼首层平面布置如图4所示。转换梁及转换梁处承台标高1.80 m(绝对标高11.30 m)，主变压器(3×63 MVA)放置在第二道转换梁上，消防水池跨越第一、二、三道转换梁。西侧电缆出线井底标高-2.0 m，东侧电缆出线井底标高-3.0 m。主变压器油坑设置有效深度为800 mm，因转换梁将油坑阻隔，为保证事故漏油时油坑内液体流通，在梁中预埋DN 200 mm铸铁联通管。

图4 配电装置楼首层平面布置图

3)桩基础优化布置

综合考虑上部结构荷载、工程地质条件、周边环境保护、施工难易程度等对基础方案进行比选，选取旋挖成孔灌注桩作为基础方案。桩径分800 mm/1 600 mm/2 000 mm/2 400 mm共4种类型，以中风化岩为桩端持力层，桩基设计为嵌岩桩，桩净长约20～35 m，所对应的单桩承载力特征值依次取3 700 kN/12 000 kN/21 000 kN/27 000 kN。根据 2.2节第 3)、4)项控制性风险事件，桩基布置既要避开地铁保护线又不能落至扩宽后的河涌里，使得桩位布置的空间局限性很大且不规则。桩基优化布置如图5所示，其中：#1、#2、#3和#4桩桩径分别为1 600 mm、2 000 mm、2 400 mm和800 mm。#1、2#、3#桩为转换梁处的基桩，#4桩为普通框架梁处的基桩，所有桩位均避开地铁保护线及扩建后的河涌断面。

图5 桩基优化布置平面图

4)转换立面布置图

现状渠箱顶绝对标高7.25 m，位于驷马涌暗渠正上方最大转换梁跨度约30.9 m，设计截面高度为2 250 mm，为满足转换梁梁底距离渠箱面板净高1.8 m要求，转换梁顶面绝对标高至少应为11.30 m，转换梁处桩承台顶面标高与转换梁顶面标高一致。驷马涌由现状8 m扩宽至15 m，拟新建钢筋混凝土挡土墙岸壁，墙顶设1.30 m宽悬挑式检修通道，并在临水面侧加装安全护栏。在变电站北侧检修通道的端头并靠近转换梁侧面处设置φ1 200 mm检修井，用作从地面到检修通道的出入口。转换梁与改造河涌、盾构隧道断面如图6所示。

图6 转换梁与改造河涌、盾构隧道断面示意图

5)主变设隔振支座

较常规变电站不同的是，主变压器及基础放置在转换梁上，而不是直接放置在大地上。考虑到主变压器运行存在振动，为避免设备运行振动引起建筑结构谐振，并降低振动噪声对周边环境的影响，在主变压器基础与转换梁顶间设置弹簧隔振支座。主变油坑侧壁自转换梁梁底悬吊，考虑到转换梁将油坑分隔开，为保证事故漏油时油坑内保持联通，在转换梁中预埋联通铸铁管，保证事故漏油时油液互通，并及时排至总的事故油池。隔振支座平立面布置(含悬吊式油坑)及案例安装如图7所示。

图7 隔振支座案例安装图

2.3.4 优化建筑结构型式

根据2.2节第5)项控制性风险事件，当按水务要求抬高净高1.8 m时，建筑高度突破文物限高要求。对建筑结构型式做如下优化：①取消屋面风机房，改变进风方式为主变室侧向进风；②110 kV全封闭组合开关电器(gas insulated switchgear，GIS)室取消标准设计的混凝土结构屋面+砖砌筑外墙，改为户外型GIS设备+可拆卸装配钢结构屋面及外墙形式；③取消GIS室上空吊装天车，土建工程先预留钢结构与混凝土面的连接件，待GIS设备吊装完毕后再安装钢结构屋面及墙体。建筑布局优化立面示意如图8所示。

图8 建筑结构型式优化对比典型剖面

2.3.5 协调进出线路管廊

根据2.2节第6)项控制风险事件，对进出线路管廊采取如下协调措施：①设置沉箱式电缆出线井，实现电缆层顶与室外电缆沟板顶高差的过渡衔接。110 kV及10 kV站外段均为电缆出线，设置埋地式电缆沟，在配电装置楼东、西侧各设沉箱式电缆出线井，并满足电缆进出线的转弯半径要求。东侧电缆出线井上方为转换梁，由转换梁梁底设置悬吊沉箱侧壁、暗柱及底板；西侧电缆出线井在转换梁以外，通过局部降低承台顶标高，出线井侧壁从承台间连系梁上做起。②电缆线路在穿越道路、重要路障以及避让道路上地下管线时，采用埋管的敷设型式，管底埋深通常取1.5 m。③电缆线路穿越不允许开挖的道路及路口时，采用顶管施工工艺，为避开地下管线，通常按顶管深度3.0～5.0 m考虑。

结合广州地区线路管廊运行经验，对新建110 kV及以上电缆走廊，当具备如下实施条件时，宜选用预制排管：①在道路新建、改(扩)建时同步建设的电力线路走廊；②开挖暴露时间受限跨越铁路隧道、地铁隧道等重要交叉跨越段；③电缆管沟建设条件受限的路段；④有机动车荷载且不具备长期占道施工条件的路段。此外，对于地下管线密集或存在大型管线的区段，预制排管交叉通过有困难时，可采用非预制排管或顶管进行过渡处理，预制排管与过渡段之间宜设置电缆工井衔接。预制排管与大型管线交叉处理措施示意如图9所示。交叉管线需符合文献[8]中关于电缆与电缆或管道、道路、构筑物等相互间容许最小距离的要求。

图9 预制排管与大型管线交叉处理示意图

3 效益评价

3.1 选址落地检查

运用风险管理工具，确定影响变电站选址落地的控制性风险因素。选取典型案例，采取风险应对策略，通过综合优化措施，选址方案已获得规划、地铁、水务、文物、管线、运行等各单位审批通过，变电站方案已获取可研及初设批复，施工图设计及第三方审查已完成，待施工单位进场施工。选址成功率由优化设计前的60%提升至100%，达成项目前期目标及客户关切。

3.2 经济和社会效益

经济效益：结合应用案例，优化调整后配电装置楼的占地面积为1 147.88 m2，小于规划批复面积1 793 m2，节约土地率达36%，按项目土地基准地价2 857元/m2计算，节省土地成本约184万元。变电站未占用市政设施(地铁隧道、河涌渠箱)的位置，形成了“变电站+地下构筑物”的立体建造模式，提高了土地的综合利用价值。

社会效益：“十四五”期间，广州电网中心地区变电站建设比例超过60%，研究成果将为广州“十四五”中心地区变电站建设带来参考和启发，对促进区域经济高质量发展和提高电网供电可靠性具有积极意义。

4 结语

随着广州市乃至其他一线城市城市快速融合发展对用电负荷需求的不断增长，市中心变电站的建设需求迫切，同时市中心变电站建设面临土地资源日益减少的困境。市中心变电站选址受高层建筑、市政设施(含城市道路、轨道交通、水务管涵、燃气管道等)、历史文物等风险制约因素多，常规变电站设计及建设思路已不适应市中心地区变电站建设模式。

运用风险管理工具，通过建立影响变电站选址落地风险识别清单及风险可接受性评定指标，确定影响变电站选址落地的控制性风险事件，是系统思维和项目化管理手段在变电站前期咨询工作中的有益尝试。

优化站址平面布置、加强建筑防火设计、设置大跨转换结构、优化建筑结构型式、协调进出线路管廊等多项风险应对策略，对提高市中心地区变电站选址成功率带来多维度的参考借鉴。