预制舱式变压器室结构设计研究与应用

广东电网有限责任公司中山供电局 肖 星 王振刚 王晓强 侯 伟 刘文平 张晴晴

随着城市电力负荷需求的不断增大，新建变电站规模与数量迅速增长。为解决传统变电站占地面积广、基建周期长等问题，预制舱式变电站逐渐兴起[1-2]。所谓的预制舱是将变电站的各类设备预先在工厂进行集约化定制和组装，然后将各类设备配置在形似集装箱的舱室中，待变电站完成基础土建作业后，即可进场装配，大大缩短了变电站的建设周期，同时其集约化的设计也将变电站的占地面积大幅缩减，具有显著的经济效益。

变压器是变电站中的核心电气设备。传统变电站中，变压器由于体积较大，普遍处于敞开式环境中，易受到外力破坏，如有飘浮物等飘落在变压器的导电部位，极有可能造成单相接地或相间短路故障，引发变压器内部绕组线圈变形甚至烧损，同时变压器开关跳闸导致所供电母线停电等事故，造成严重的经济损失。也有部分变电站采用户内封闭式变压器室，一方面变压器室的建设周期长，且混凝土墙体不便于更换主变和零部件吊装检修；另一方面，室内变压器无雨水冲刷，易积尘、造成污闪，影响其安全稳定运行。

在变压器的油池隔离方面，目前普遍采用鹅卵石作为油池填充物，具有如下缺陷：其一，当下雨或者有油淋在鹅卵石上，会增加鹅卵石湿滑造成的人身伤害风险；其二，鹅卵石的存在也给检修作业带来了不便，如仪器及设备的放置、搬运，以及更换冷却风扇等主变相关作业；其三，大量鹅卵石的堆积对油水混合物流向事故油池形成一定的阻碍。

目前，对于变压器预制舱的研究与设计较少，大多数预制舱式变电站设计中仍采用传统的户外敞开式变压器布置方式[3]。文献[4]设计了一种预制舱式变压器模块，该变压器预制舱主要为围栏结构，采用自然通风散热，由双层钢制箱体替代传统防火墙，但该结构未考虑变压器运行的安全性。

为保障变压器安全可靠运行，本文综合考虑了变电站变压器的运行特点和运维需求，结合预制舱技术，提出一种预制舱式变压器室，包含半封闭式变压器预制舱和变压器油池隔离装置，该变压器室采用模块化设计，预制化生产，现场建设安装，运行过程中可实现变压器防火、防外力破坏，且兼具消防、散热功能。例如，某地110kV某预制舱式变电站的试运行结果表明，该预制舱结构可为变压器提供良好的运行环境，保障电力系统的安全稳定。

1 预制舱式变压器室结构

1.1 半封闭式变压器预制舱

针对敞开式变压器易受到空中飘浮物、小动物等外力破坏，以及室内变压器难清洁、散热的问题，本文研究并设计了半封闭式的变压器预制舱室，如图1所示，该预制舱室集成了模块化拼接防火墙、可视化格栅门框和易拆装网格式顶盖，具体结构与功能如下。

图1 半封闭式的主变压器预制舱室舱体设计图

模块化拼接防火墙。该墙位于变压器左右两侧及后侧，采用模块化复合预制板拼接而成，起防火隔离作用。预制板采用双层夹心结构，内部填充物采用建设部许可聚氨酯防火保温材料，确保整个预制舱的防火性能，耐火时限≥2h。由于预制舱式变电站均为紧凑型平面布置，变压器与高压室、主控制室的距离较近，故在传统双侧防火墙的基础上，增设后侧防火墙，防止变压器火灾影响旁侧变压器的同时，进一步防止火灾蔓延至周边预制舱，造成事故范围的扩大。

可视化格栅门框。该门框位于变压器前侧，由方钢管焊接为格栅状，在底部左右两侧预留用于人员和设备出入的门。该格栅门框便于运维人员观察变压器运行状况，同时避免了变压器室四壁封闭，有利于变压器的通风散热和消防。实际应用时，应设计将此格栅门框侧布置在站内通道旁，一方面便于运维人员的巡视和消防工作；另一方面，站内通道加大了格栅门框侧与其他设备舱室的距离，避免了火灾范围扩大。

易拆装网格式顶盖。该顶盖采用模块化设计，由横梁、主体框架和网格板组成。若干横梁搭建在墙面上部，并设计支撑架使其与墙面的连接更加稳固。两个横梁之间固定一主体框架，网格板搭建在主体框架上方，并用螺栓连接。格栅式的顶盖可有效防止漂浮物落在变压器导电部位，且有利于消防、散热和变压器的清洁。设备吊装、检修时，只须拆除少量网格板即可进行作业。

此外，半封闭式变压器预制舱舱体底架由型钢焊接而成，舱体骨架为焊装一体式结构，主要钢材材质选用碳素结构钢，屈服强度不小于235MPa，并有足够的机械强度和刚度，在起吊、运输和安装时不会产生变形。预制舱所用钢材均进行防腐处理，采用多道防腐工艺，包括前处理、锌层、中间层、面层等多重处理工艺，前处理须保证钢板表面足够的粗糙度，对于采用热镀锌防腐的舱体构件，热镀锌涂层厚度应满足运行环境要求。预制舱舱体外壳具备盐雾条件或湿热条件下良好的防腐性能，满足户外设备的运行条件。

预制舱的箱体底架外侧设不少于4个专用接地端子，均匀分布，各接地端子与舱体内的环形接地母线可靠连接，舱体安装就位后还应将此端子与变电站主接地网可靠相连。预制舱舱体的所有金属部分采用专用导体做等电位连接，各舱内的金属设备支架及构件均应有符合规范的接地端子，并与专用接地导体可靠地连接在一起。

1.2 油池隔离装置

为避免传统鹅卵石油池隔离存在的人身安全风险，本文研究并设计了一种油池隔离装置，以提供平整的变压器油池隔离面，便于人员行走和检修作业时的仪器放置、搬运工作，有效防范了因鹅卵石湿滑导致的人身安全事故。如图2所示，设计的油池隔离装置集成了一体式支撑钢架和模块化网格盖板，代替鹅卵石实现变压器渗漏油隔离功能。该装置采用螺纹防滑设计、易拆装模块化定制网格板设计，具体结构及功能如下。

图2 油池隔离装置支撑钢架设计图

一体式支撑钢架。材料为镀锌方钢管，由纵向立柱和水平框架焊接组成，位于泄油池内，作为网格盖板的基础支撑。纵向立柱沿变压器的混凝土基础及油池边缘布置，可依据油池面积适当增加其数量，水平框架为方形，镂空面积略小于网格盖板，用于搭放网格盖板。水平框架上设计有浅凹槽，对网格盖板起到固定作用。

模块化网格盖板。为钢质材料、模块化设计，若干网格板搭接铺设于支撑钢架上方，并沿水平方向设计螺纹防滑结构。网格状的设计在有效隔离泄漏油的同时，可通过观察池底鹅卵石直观掌握变压器油的泄漏情况和油池状态，及时发现泄油口堵塞等状况。多数网格板大小一致，基础边框衔接部位、下穿立柱处的网格板可进行局部边角定制加工，适应性强，易推广应用至其他同类场景。模块化的网格板无需螺栓连接，可实现工厂化生产，现场铺设安装，便于拆卸检修；鹅卵石：少量鹅卵石铺设在泄油池底部，起到冷却变压器泄漏油的作用。

2 预制舱式变压器室特点

变压器预制舱辅助设施设计：配电箱。在预制舱式变压器室内设置户外配电箱，为舱内照明设施、告警设施以及检修工作提供电源；照明设施。在三侧墙面安装照明灯具，并加装防雨盖。在顶盖上预留检修照明电源插座，并加装防雨盖；消防设施。除变压器四周喷淋设施外，在预制舱式变压器室内设置消防报警器和火灾探测器，并在靠近出入口的角落放置消防器材；视频监控。在预制舱式变压器室内左右两侧墙面上各加装一“高清可见光+红外热成像双目摄像头”，并接入变电站视频监控系统和测温系统。

缩短变压器室的建设周期：该预制舱式变压器室的防火墙、顶盖、油池隔离装置等部件均采用模块化设计，可在预制舱式变电站完成设计后，在工厂进行模块化部件的加工制作，待现场土建施工完毕后，即可进场快速组装，相比混凝土变压器室，极大地缩短了建设工期，提高了建站效率；保障变压器运行安全：网格式的顶盖和镂空的门框能有效防止空中飘浮物造成的变压器短路或接地等电气事故，镂空门框便于运维人员巡视，及时发现变压器的运行异常。网格式的顶盖也利于雨水冲刷清洁变压器，防止积尘和污闪，保障变压器安全稳定运行。

利于控制变压器火灾及消防：该预制舱式变压器室相比传统户外敞开式变压器增设了后侧防火墙，可以防止预制舱式变电站中变压器火灾对集约化布置的邻近设备舱室造成损伤。该预制舱式变压器室镂空的门板和网格式的顶盖相比封闭式的变压器室增加了通风量，有利于变压器的散热，也便于在变压器发生火灾时进行远距离消防操作；便于主变吊装检修：拆除顶盖的部分网格板，即可进行主变的零部件吊装、检修工作，夜间检修时，可将检修光源布置在顶盖横梁上，便于检修人员操作。拆除部分网格盖板，即可对变压器泄油池进行查看、检修。

保证运维检修人身安全：油池隔离装置提供了平整的变压器油池隔离面，且具有螺纹防滑结构，解决了鹅卵石填充路面凹凸不平不利于行走的问题，避免了工作人员的摔伤和崴脚风险，避免了下雨或渗漏油导致鹅卵石湿滑存在的人身伤害风险。平整的网格面便于检修作业中仪器的放置、搬运，以及更换冷却风扇等主变相关作业的开展。该油池隔离装置有效降低了变压器相关工作的人身风险，有助于提升工作效率和作业质量。

3 结语

本文研究设计的预制舱式变压器室已于2021年8月试点应用在某地110kV某预制舱式变电站，并建设了2座63MVA主变压器预制舱室。工程初期，进行全站设备舱室混凝土基础、电缆沟、基础管线建设，同时工厂生产电气设备及设备舱室预制件，待基础建设完工后，设备及预制件进场，进行吊装、搭建与拼接。工程后期，进行电气设备二次线缆连接，经专业技术人员试验、验收合格后即可投入运行。该主变压器室投运至今，运行良好，未发现重大缺陷，充分验证了技术有效性。

为解决传统变压器室通风散热不良、不便检修维护，以及户外变压器易受外力破坏、鹅卵石地面存在人身安全风险的问题，本文综合考虑了变电站变压器的运行特点和运维需求，结合预制舱技术，提出一种预制舱式变压器室，包含半封闭式变压器预制舱和变压器油池隔离装置。该变压器室采用模块化设计，预制化生产，现场建设安装，运行过程中可实现变压器防火、防外力破坏，且兼具消防、散热功能。该预制舱式变压器室结构的应用，有效缩短了变压器室的建设周期，保障了运维人员的人身安全以及变压器的安全稳定运行，为预制舱式变电站中变压器室的设计和布置提供了范例。