模块化智能变电站的装配式设计研究

王彬

(中铁第五勘察设计院集团有限公司上海星通机场规划设计分院，上海 200050)

0 引言

变电站在化工等很多行业都有应用，电力供应关乎国计民生及能源安全，为国家提供安全可靠、高质量的电能是电力行业的责任。近年来智能电网已经成为电力行业发展的主要趋势，也已经逐渐成为未来低碳经济需求的关键性战略[1]。其中，装配式的模块化智能变电站是未来发展的主要类型之一[2]。

如今，装配式的建筑因其施工周期短、工厂标准化加工、成本可控等原因已经在建筑行业中取得了良好的经济和社会效益。变电站的模块化建设类似于装配式建筑的建设，通过将变电站科学的划分为不同的模块，平行地制造和安装，最后在现场组装成为一个完整可靠的系统[3-4]。装配式的智能变电站将变电站的土建设计和电气设计有机的结合，最大限度的提高变电站的施工效率和设计的整体性，提高项目的整体效益。文章通过总结相关的设计经验，就装配式变电站特点及建筑模式及其相关技术进行深入的分析，以期为模块化智能变电站的装配式设计提供相关参考，促进该设计模式的广泛应用。

1 装配式变电站特点及建筑模式

装配式变电站典型设计是与施工工艺息息相关的。不同的施工工艺对装配式变电站典型设计的成本、施工周期、运行管理能力等多个方面起决定性作用，因此对施工工艺的清楚、细致的剖析有利于装配式变电站典型设计的发展。随着施工工艺的发展，典型设计也不断地改进，但目前在施工的过程中，装配式变电站典型设计还是存在一定的缺点，如表1所示。建设单位、设计单位以及管理单位意见不统一导致项目冗余、施工复杂。建设单位期望利用更低的造价，创造出更方便使用的产品，而设计单位则要统筹考虑，既要满足规范要求，又要成为技术先进的标杆工程。同时，典型设计建设需要先进行土建施工，然后进行电气设备的安装调试，因此存在建设周期长，用工量大等缺点。由于各个设计都是在典型设计的基础上进行改进、同时根据地区温度环境的不同进行调整设计的，所以经常会造成管理上的不便。不同的设计方案也会影响使用单位的合理性与方便性。

表1 装配式变电站设计特点

模块化设计是装配式变电站的精髓。模块化的设计可以通过统一的技术规范进行生产、安装、调试，同时管理起来也比较方便，能够实现变电站全寿命周期的技术管理。装配式变电站的设计由于采用模块化的思想，前期不断改进，可以使技术成果不断成熟，减少设计理解不足、设计遗漏等问题。装配式变电站采用模块化设计，配件的生产、设备的组装以及部分设备的大部分调试工作在生产厂家内部即可完成，因此通过不同功能模块的机械组合就可完成大部分的工作，只需现场进行整体联调。

模块化设计以灵巧、便捷、智能、高效的方式解决了传统设计中的问题。也大大缩短了建设施工周期，用工量小，节约成本。对于管理方而言，模块化设计是按照统一的技术规范进行管理，也使得管理起来相对简单许多。

同时，电气设备行业的高速发展促进了变电站建设模式的变化，开始有传统的变电站模式向着模块化变电站模式拓展。如近期大量出现的预装式变电站，预装式变电站是模块化设计与典型设计的中间形式，通过大量的实践经验表明预装式变电站能够极大地缩短施工周期。与此相比模块化的设计减少了施工带来的项目滞后问题。传统变电站模式比较单一，其主要类型如图1所示。

图1 传统变电站模式

这几种模式都采用先土建施工再现场安装调试的方式。户外式变电站是高压设备常用的建设选择形式，建设技术非常成熟，型号多样，建设成本低，但会影响市容，随着城市的发展慢慢地被其他建设模式所取代。户内式变电站有效解决了户外式变电站的在建设中遇到的问题，但户内式变电站对电气绝缘要求更高，所以要求建筑物体积需要足够大，承载能力足够强，因此在安装，调试、造价、耗时方面不如户外式变电站。地下或半地下式变电站，顾名思义就是一部分建筑建设在地下或半地下，这种模式相比之前的形式更加环保，但也存在费用高，施工难等问题，适合土地资源紧缺的发达城市。

模块化变电站模式采用装配式技术和应用模块化设备，主要包含土建部分和电气部分。模块化变电站的建设模式应用在电网中已初见成效，比如在缩短建造时间、经济效益、环保以及检修管理方面具有很好的优势。

2 装配式变电站技术

与传统变电站的主要区别是装配式变电站采用钢结构，因此钢结构的选型设计、施工方案、结构安装是装配式变电站综合楼建设的关键环节。电气模块化设备安装也存在一定的技术难度。

2.1 综合楼钢结构设计安装

变电站综合楼采用装配式建筑技术，框架结构常见的有钢筋混凝土框架结构、预制式混凝土框架结构及钢结构，三种结构模式的对比情况如表2所示。

表2 综合楼结构对比

通过表2可以看出，钢结构无论在结构性能、制造拼接技术还是建筑防火能力方面都体现了很好的性能，价格层面预制式混凝土框架结构和钢筋混凝土框架结构要高一些，但综合性能最好。

由于混凝土需要保养，时间一般不少于2周，因为钢结构相比其他结构施工周期也将大幅度降低。

综合楼的钢框架主要采用双向压弯构件，常用的钢材包括：方钢、热轧H型钢、焊接H型钢等材料中选择，方钢及H型钢截面的力学性能，如表3所示。

表3 方钢和H型钢的截面形式框架结构对比

如表3所示，两种钢整体表现相差不大，第一周期、第二周期及第三周期数据基本一致。由于综合楼是双向压弯构件，H型钢变形小，方便使用，因此可优先采用H型钢。

钢材防腐蚀是必要的。最常用的防腐蚀方法有冷喷锌防腐、热镀锌防腐以及有机涂层防腐。一般而言，冷喷锌防腐方案的性价比更优，防腐性能相对较好优秀、适用领域广泛，全寿命周期内成本更低、绿色环保，施工条件要求不高。

2.2 装配式电缆沟及围墙的设计技术

电缆沟：采用模块化设计，首先需要按照设计图制作电缆沟单体，然后在现场组装。电缆沟的形状采用梯形结构，即上边窄下边宽。在电缆沟的底部需要刷一层50 mm到60 mm厚的水泥。然后将单体放到电缆沟中，各单体间需要存留缝隙，缝隙的尺寸一般为5 mm，为了防水需要做防水处理。电缆要放在支架上，支架一般采用碳素钢，能够兼顾稳定、防腐蚀、韧性好等性能。同时要做好符合消防规范的防火措施。

围墙：围墙采用ALC墙板，这种材质密度小、质量轻，能有效降低承载物的重量。拼接而成，便于安装和维护，有效缩短了施工周期。每道围墙间设置沉降缝，沉降缝处的围墙设置双柱。

2.3 电气模块化设备安装设计技术

装配式变电站采用模块化的电气设备，同样具有安装简单、安装工期短等特点。但是调试的时间一般比较长，多见各模块间的连接匹配问题较多。在具体电气设备安装部件上与常规变电站一致。

3 结语

装配式变电站不同于传统变电站建设模式，它采用模块化设计，是变电站设计的一种全新的理念，具有智能化、环保、施工周期短、成本高、简洁便利等优点。文章通过总结部分输变电工程的设计经验，对模块化变电站装配式设计相关理念进行了介绍。通过文章的介绍和研究，为同类变电站的设计提供思路。