户内变电站GIS 室土建先行方案研究

程拥军，田效军，李国尧，金 诚，安春秀

(1.国网浙江省电力有限公司衢州供电公司，浙江 衢州 324000；2.中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司，浙江 杭州 310012)

0 引言

为有效缓解城市空间资源与变电站用地日益紧张的矛盾，推动变电站建设与城市环境协调发展，许多城市均开展了变电站“入公建”建设。在此模式下，政府将变电站建设直接纳入区块规划，引进投资主体对地块进行同步开发、同步建设，待变电站建筑工程完工后移交给电网主体，再实施电气工艺配套项目。

户内变电站设备布置紧凑、工艺复杂，受电气设备资料制约明显。在以往工程中，需要待业主完成设备招标并确认设备资料后才开始土建设计。由于设备型号多、设备招标以及资料确认环节时间长，专业配合和图纸设计周期长，严重影响了变电站建设周期，也制约了变电站“入公建”项目建设的推进。

马晓元[1]对220 kV 变电站土建先行的必要性和可行性进行了论证和探讨，建议一期施工时，220 kV 户内气体绝缘金属封闭开关设备室(gas insulated metal-enclosed switchgear room，GIS室)先不布置框架梁，等设备确定后再根据工艺要求采用植筋的方式布置框架梁和楼板。夏泉[2]等提出GIS 房间预留大孔洞，土建先行时不对设备布置区的楼板进行设计，二期再对GIS楼板进行结构设计。赵平[3]等针对预埋件焊接方式的缺点，提出了采用化学锚栓锚固作为GIS间隔和基础之间固定的新型固定方法，通过计算分析满足强度要求。张博等[4]提出了一种户内变电站GIS 设备基础双向可调控埋件，其原型为哈芬埋件。

以往研究对变电站土建先行提出了很多有益的思路，值得借鉴。但往往设备区域的结构梁板需在设备确定后再实施，后期工作量偏大；110 kV 及以上GIS 室预留大孔洞等思路，缺少厂家资料支撑和工程实施的具体建议。在设备资料完全未定的情况下，如何确定设备基础、设备埋件、结构留孔、电气埋管等，缺少成熟的土建先行模式。

户内变GIS 室[5]由于布置方式不同、设备厂家众多、安装方式各异，给土建设计带来的制约因素最多，一旦出现土建设计、施工与最终设备基础要求不匹配的情况，现场修改非常困难。有必要积极开展户内变GIS 室土建先行方案研究，具有广泛的应用前景和管理效益。

1 户内变GIS室土建接口研究

不同厂家的GIS 布置差异较大，制约土建设计。因此，首先有必要对GIS 厂家进行深度调研，确定设备与土建接口，减少设计前期对设备资料的依赖。

1.1 220 kV GIS电气与土建接口

经过调研，220 kV GIS 断路器主要分为卧式布置和立式布置两种。以常规220 kV GIS 电缆间隔为例，220 kV GIS 断路器布置如图1 所示，卧式布置220 kV GIS 断路器范围统计见表1 所列，立式布置220 kV GIS断路器范围统计见表2所列。

表1 卧式布置220 kV GIS断路器范围统计 mm

表2 立式布置220 kV GIS断路器范围统计 mm

图1 220 kV GIS断路器布置图

通过整理不同厂家的电气设备要求，GIS室土建先行建设时，220 kV GIS 电缆筒中心至汇控柜中心总长定为7 700 mm 可以包络不同厂家要求，这样就保证了电缆开孔位置与二次电缆沟之间的位置，从而为后续的土建设计提供了依据。

1.2 110 kV GIS电气与土建接口

经过调研，110 kV GIS 断路器均为立式布置，以常规110 kV GIS 电缆出线间隔为例，110 kV GIS 断路器布置见图2 和表3。

表3 110 kV GIS断路器范围统计 mm

图2 110 kV GIS断路器布置图

同理，通过整理不同厂家的电气设备要求，GIS 室土建先行建设时，110 kV GIS 电缆筒中心至汇控柜中心总长定为6 200 mm 可以包络不同厂家要求。

1.3 500 kV GIS电气与土建接口

经调研，500 kV GIS 断路器布置有Z 字型和一字型两种型式。以常规500 kV GIS 串为例，500 kV GIS 断路器布置范围统计见表4 所列。

表4 500 kV GIS断路器范围统计 mm

同理，通过整理不同厂家的电气设备要求，GIS 室土建先行建设时，500 kV GIS 断路器至汇控柜中心总长定为8 200 mm 可以包络不同厂家要求。

1.4 330 kV GIS电气与土建接口

经调研，330 kV GIS 断路器接线有双母线和一台半断路器接线，以典型330 kV GIS 线路间隔为例，330 kV GIS断路器布置范围统计见表5所列。

表5 330 kV GIS断路器范围统计 mm

同理，通过整理不同厂家的电气设备要求，GIS 室土建先行建设时，330 kV GIS 断路器至汇控柜中心总长定为8 200 mm 可以包络不同厂家要求。

2 户内变GIS室结构留孔布置方案

对主流的220 kV GIS 设备、110 kV GIS 设备资料整理，户内变GIS 室先行建设时结构留孔按包络设计，根据研究，土建先行阶段可以确定一次电缆开孔和主电缆沟定位，建议布置方案如下：

1) 220 kV GIS 设备的地面一次电缆开孔宽度1 500 mm，孔中心离出线方向墙体距离2 000 mm，一次开孔长度覆盖相邻电缆间隔。架空出线时外墙开长孔，孔中心离室内标高2 500 mm，孔高800 mm，孔上方预留过梁，长度覆盖所有架空间隔。

2) 110 kV GIS 设备的地面一次电缆开孔宽度1 000 mm，孔中心离出线方向墙体距离2 400 mm，一次开孔长度覆盖所有间隔。

3)所有一次电缆开孔范围前期预留插筋和企口，后续根据设备资料二次现浇楼板。

以某220 kV 户内变电站为例，220 kV 和110 kV GIS 室电气留孔和电缆沟平面布置如图3 和图4 所示。220 kV GIS 室设备布置断面如图5 所示。

图3 220 kV GIS室电气留孔和电缆沟平面布置图

图4 110 kV GIS室电气留孔和电缆沟平面布置图

图5 220 kV GIS室设备断面布置图

3 户内变GIS室结构埋管布置方案

户内变GIS 室先行建设时，本研究建议结构埋管布置方案如下。

110 kV 及220 kV GIS 室采用结构降板，在汇控柜前预留2 条600 mm×400 mm 的二次电缆沟。汇控柜柜底开孔与二次浅沟采用埋管形式连接，埋管分别埋设至两条小电缆沟。沟壁采用素混凝土，电缆沟盖板覆盖。二次电缆通道详图如图6 所示。

图6 二次电缆通道详图

二次电缆沟采用浅埋式电缆沟方式，主要设备区域二次电缆不再进入电缆层，做到电缆层动力电缆和控制电缆敷设在不同区域的要求。

4 户内变GIS室埋件布置方案

GIS 基础及埋件数量众多，不同厂家GIS基础及埋件相差很大，目前尚无通用的可能。GIS 设备的埋件主要承担向下的荷载，但在断路器的位置可能承担20～30 kN 的上拔荷载。户内变GIS 先行建设时，很难确定埋件定位，本研究建议结构埋件布置方案如下：

考虑土建先行阶段暂不实施埋件，利用GIS 室降板，为减少自重并满足受力要求，结构板上浇筑高强度轻骨料混凝土层，强度等级为LC20～LC30。待GIS 招标确定之后，采用化学锚栓等后锚固方式固定。220 kV、110 kV GIS 室埋件多、布置分散，采用化学锚栓方式固定，可以灵活适应不同厂家要求，便于土建先行施工。

5 技术方案论证

在土建先行阶段，户内变GIS 室完成结构梁板和轻骨料混凝土层施工，布置一次电缆孔和二次电缆沟；根据设备全部上齐的原则，建筑电气专业将动力照明、接地干线、火灾报警等设施一次性上齐；暖通专业完成预估的通风量计算及风机设置。

在后续实施阶段，根据最终电气设备安装需求，采用化学锚栓固定GIS 埋件，完成建筑面层施工，并完善汇控柜至二次电缆沟的埋管和空调冷凝水排水系统。

通过调研GIS 厂家资料包络设计，本方案结构留孔、埋管等布置方案，可灵活适应不同厂家要求，无技术制约因素，可实施性强。

采用化学锚栓后锚固的研究相对较少，为进一步验证技术方案的可行性，课题开展了化学锚栓在轻骨料混凝土基材中的受力性能试验。通过试验研究，通丝化学锚栓在轻骨料混凝土的破坏模式一般是拔出+混凝土椎体的混合型破坏，在试验基础上，通过对规范及相关文献公式进行总结和数据拟合，得到混合型破坏抗拉承载力的计算公式为：

式中：NRd为混合型破坏受拉承载力设计值；NRk为混合型破坏受拉承载力标准值；γRp为混合型破坏受拉承载力分项系数，参考JGJ 145—2013《混凝土结构后锚固技术规程》按结构构件，γRp取为3.0；d为化学锚栓直径；hef为锚固深度；τu为粘结强度，根据轻骨料混凝土强度的线性回归τu= 0.297fc；α为破坏锥体角度，取35°；fc为轻骨料混凝土实测抗压强度值；ft,k为混凝土抗拉强度标准值。

为方便工程应用，以16 mm 直径化学锚栓为例，给出化学锚栓抗拉承载力的设计值，见表6 所列。轻骨料混凝土强度及粘接锚固性能满足化学锚栓的要求，考虑预埋件的抗拔性能，建议轻骨料混凝土强度等级不低于LC20。

表6 8.8级16 mm直径化学锚栓抗拉承载力设计值

与常规方案相比，本方案保证主体建筑结构不受设备资料制约，提高了专业配合效率，缩短了设计周期，并有效减少了后期土建工作量。但采用化学锚栓固定埋件，工程投资会略高于常规方案；预留孔洞也会多于常规方案，多余孔洞需在电气安装阶段进行封堵。

6 结论

本文通过开展户内变电站GIS 室土建先行方案研究，得到的主要结论如下：

1)通过整理不同厂家的电气设备要求，GIS 室土建先行建设时，220 kV GIS 电缆筒中心至汇控柜中心定为7 700 mm，110 kV GIS 电缆筒中心至汇控柜中心定为6 200 mm，可以包络不同厂家要求。

2)根据通用设备资料，GIS 室高压电缆出线开孔及架空出线穿墙开孔，采用留长孔的形式，满足不同厂家要求，且留孔覆盖所有出线间隔。一次电缆开孔范围前期预留插筋和企口，后续根据设备资料二次现浇楼板。

3) GIS 室结构降板，二次电缆沟采用浅埋式电缆沟方式，主要设备区域二次电缆不再进入电缆层，做到电缆层动力电缆和控制电缆敷设在不同区域的要求。

4) 试验验证表明，采用化学锚栓后锚固方式固定GIS 埋件，可以灵活适应不同厂家要求。