尹 星，董彬政，王 維，郭朝云

(河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050031)

適應(yīng)于寒冷地區(qū)的戶(hù)外變電站預(yù)制艙艙體優(yōu)化設(shè)計(jì)

尹 星，董彬政，王 維，郭朝云

(河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050031)

針對(duì)寒冷地區(qū)的氣候特點(diǎn)，通過(guò)四個(gè)方面對(duì)預(yù)制艙艙體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：首先，對(duì)預(yù)制艙外壁進(jìn)行熱力學(xué)建模分析，通過(guò)對(duì)比選擇巖棉板作為預(yù)制艙保溫材料，并經(jīng)傅里葉熱傳導(dǎo)定律計(jì)算合理選擇保溫材料厚度；其次，考慮在極寒狀況下空調(diào)制熱模式啟動(dòng)困難，選擇電加熱膜作為熱量補(bǔ)償器，保證極寒溫度下光纖熔接的正常施工；再次，優(yōu)化設(shè)計(jì)預(yù)制艙屋頂，采用電伴熱帶實(shí)現(xiàn)預(yù)制艙屋頂?shù)淖詣?dòng)融雪功能；最后，推薦預(yù)制艙內(nèi)設(shè)置集中接線(xiàn)屏，底部進(jìn)線(xiàn)方式，避免“冷橋”現(xiàn)象。

變電站；預(yù)制艙；寒冷地區(qū)；模塊化

1 概述

隨著資源節(jié)約型與環(huán)境友好型社會(huì)建設(shè)的逐步推進(jìn)，智能變電站的設(shè)計(jì)技術(shù)逐步向模塊化發(fā)展。預(yù)制艙在變電站中的應(yīng)用，加快了整站施工進(jìn)度，提高了工程質(zhì)量，節(jié)約用地，降低成本，為變電站“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化加工、模塊化建設(shè)”提供了有力支撐，符合“資源節(jié)約型和環(huán)境友好型”變電站建設(shè)的要求。我國(guó)幅員遼闊，氣候差異大的特點(diǎn)，對(duì)預(yù)制艙的環(huán)境適應(yīng)性提出了較高的要求。

“構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)，服務(wù)人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展”的理念被越來(lái)越多的國(guó)家認(rèn)可。全球能源互聯(lián)網(wǎng)是以特高壓交流輸電網(wǎng)以及特高壓直流輸變電系統(tǒng)作為全球能源傳輸通道，特高壓直流輸變電系統(tǒng)的建設(shè)將會(huì)涉及全球各大洲，而特高壓直流換流站(或柔性直流換流站)接地極一般為無(wú)人值守模式，其中二次設(shè)備可布置于預(yù)制艙內(nèi)。預(yù)制艙戶(hù)外環(huán)境的復(fù)雜性不可預(yù)測(cè)。由此可知，無(wú)論在國(guó)內(nèi)還是在國(guó)際，預(yù)制艙的應(yīng)用前景廣泛。由于其應(yīng)用的環(huán)境復(fù)雜多變，因此對(duì)預(yù)制艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以適應(yīng)各種低溫環(huán)境具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 寒冷地區(qū)預(yù)制艙運(yùn)行及施工溫度需求

預(yù)制艙通常是預(yù)制艙組合設(shè)備的簡(jiǎn)稱(chēng)，主要由預(yù)制艙體、電氣設(shè)備、艙體輔助設(shè)施等組成[1]。各預(yù)制艙組合設(shè)備作為功能獨(dú)立的配電裝置模塊，全工廠化預(yù)制安裝調(diào)試，現(xiàn)場(chǎng)即插即用，各不同模塊現(xiàn)場(chǎng)就位組成完整的變電站或換流站接地極。

國(guó)家電網(wǎng)公司《預(yù)制艙式二次組合設(shè)備技術(shù)規(guī)范》中要求預(yù)制艙環(huán)境溫度為(-25)～(+55) ℃，極端溫度(-40)～(+55) ℃。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司監(jiān)控系統(tǒng)招標(biāo)技術(shù)規(guī)范書(shū)，監(jiān)控服務(wù)器正常工作溫度為(-5)～(+45) ℃。根據(jù)二次設(shè)備說(shuō)明書(shū)，220 kV間隔層二次設(shè)備工作溫度為(-25)～(+55) ℃，儲(chǔ)存運(yùn)輸溫度為(-40)～(+55) ℃[1]。

因此預(yù)制艙需保證在極端溫度-40 ℃時(shí)，預(yù)制艙內(nèi)設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)下，艙內(nèi)溫度保持在-5 ℃以上。

而在施工過(guò)程中對(duì)于光纖熔接和尾纜連接，其環(huán)境溫度要求為(-20)～60 ℃。在低溫環(huán)境下光纖會(huì)變得脆弱，在施工過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生光纖斷裂的情況。因此，在艙內(nèi)設(shè)備退出運(yùn)行時(shí)，艙內(nèi)溫度需保持在-20 ℃以上。

3 預(yù)制艙外壁熱傳導(dǎo)建模

3.1 熱傳導(dǎo)原理

3.1.1 傅里葉定律

3.1.1.1 溫度場(chǎng)和等溫面

溫度場(chǎng)為某一時(shí)刻物體內(nèi)各點(diǎn)溫度分布的總和。物體的溫度分布是空間和時(shí)間的函數(shù)，可表述為下式。

t=f(x,y,z,θ)

(1)

式中：t為溫度；x,y,z為空間坐標(biāo)；θ為時(shí)間。

對(duì)于一維場(chǎng)的溫度分布表達(dá)式為t=f(x,θ)。3.1.1.2 溫度梯度

相鄰兩等溫面的溫度差Δt與兩面間的法向距離Δx之比的極限稱(chēng)為溫度梯度，即溫度梯度是向量，規(guī)定其以溫度增加的方向?yàn)檎?，與熱量傳遞方向相反。對(duì)穩(wěn)定的一維溫度場(chǎng)，溫度梯度可表示為dt/dx。

3.1.1.3 傅立葉定律

傅里葉定律可表述為單位時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量與溫度梯度及垂直于熱流方向的截面積成正比。

(2)

式中：Q為單位時(shí)間傳導(dǎo)的熱量，簡(jiǎn)稱(chēng)傳熱速率，W；A為導(dǎo)熱面積，即垂直于熱流方向的表面積，m2；λ為比例系數(shù)，稱(chēng)為物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)(或W/(m2·℃)。

式(2)中的負(fù)號(hào)是指熱流方向和溫度梯度方向相反，即熱量從高溫向低溫傳遞。傅立葉定律是熱傳導(dǎo)的基本定律[3]。

3.1.2 平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)

假設(shè)平壁材質(zhì)均勻，λ導(dǎo)熱系數(shù)視為常量(或取平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù))， 溫度只沿著壁厚度方向變化，是一維熱傳導(dǎo)，等溫面為垂直于x軸的平行面。

所謂穩(wěn)定熱傳導(dǎo)，導(dǎo)熱量Q為常量，在x軸對(duì)傅里葉定律積分可得：

(3)

3.2 預(yù)制艙工程熱傳導(dǎo)模型

預(yù)制艙艙體外壁導(dǎo)熱系數(shù)為保溫板的30～40倍，且預(yù)制艙艙體外壁的厚度與保溫板相比，可以忽略。因此從熱傳導(dǎo)原理考慮，預(yù)制艙工程熱傳導(dǎo)可采用平壁熱傳導(dǎo)模型計(jì)算。

當(dāng)預(yù)制艙投入運(yùn)行后，短時(shí)間內(nèi)，外部環(huán)境溫度不會(huì)突變，可設(shè)為常量，根據(jù)傅里葉定律可得Q=f(t1)，艙內(nèi)溫度t1與Q為一一對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系。當(dāng)艙內(nèi)補(bǔ)償功率Q1應(yīng)等于散熱量Q2時(shí)，艙內(nèi)溫度t1將會(huì)恒定，可用平壁穩(wěn)定熱傳導(dǎo)模型。

預(yù)制艙的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)示意如圖1所示。

圖1 預(yù)制艙穩(wěn)定熱傳導(dǎo)示意

4 預(yù)制艙抗低溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

4.1 保溫材料的選擇

4.1.1 防火要求

我國(guó)現(xiàn)行的GB 8624—2006《建筑材料及制品燃燒性能分級(jí)》將建筑材料分為A1、A2、B、C、D、E和F 7個(gè)等級(jí)。GB 8624—1997《建筑材料燃燒分級(jí)方法》中，將建筑材料分為A級(jí)不燃材料(勻質(zhì)材料)、A級(jí)不燃材料(復(fù)合材料)、B1難燃材料、B2可燃材料和B3級(jí)易燃材料5個(gè)等級(jí)。由于新舊版本對(duì)燃燒材料性能的分級(jí)劃分和評(píng)價(jià)體系有較大差異，2007年公安部消防局下發(fā)了《關(guān)于實(shí)施國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 8624-2012<建筑材料及制品燃燒性能分級(jí)>若干問(wèn)題的通知》，規(guī)范了新舊標(biāo)準(zhǔn)中不同分級(jí)劃分的對(duì)應(yīng)關(guān)系[2]。新舊標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)表如下表1所示。

表1 新舊標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比表

名稱(chēng)級(jí)別GB8624—1997GB8624—2006不燃材料(勻質(zhì)材料)不燃材料(復(fù)合材料)難燃材料可燃材料易燃材料AB1B2B3A1A2BCDEF

預(yù)制艙一般布置于配電裝置區(qū)，對(duì)隔熱材料還要求有防火性能有較高的要求，需按照不燃材料進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.1.2 常見(jiàn)保溫材料的種類(lèi)及特點(diǎn)

二次設(shè)備預(yù)制艙應(yīng)盡可能采用熱導(dǎo)系數(shù)小的高效保溫隔熱材料，以減少保溫層的厚度，提高室內(nèi)使用面積。目前主要的保溫材料有聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料、巖棉板、玻璃棉等。其材料性能對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 保溫材料性能對(duì)比表

保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)燃燒等級(jí)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)聚苯板0.038～0.041B1/B2保溫效果好,價(jià)格便宜燃燒等級(jí)低石墨聚苯板0.038～0.032B1保溫效果好燃燒等級(jí)較低擠塑聚苯板0.028～0.032B1/B2保溫效果好,強(qiáng)度高,耐超濕施工表面需處理,燃燒等級(jí)低聚氨酯泡沫塑料0.025～0.028B1/B2保溫效果好,強(qiáng)度高,耐超濕價(jià)格較貴,燃燒等級(jí)低酚醛泡沫板0.023～0.030B1保溫效果好,強(qiáng)度高,耐超濕施工表面需處理,燃燒等級(jí)較低巖棉板0.037～0.046A防火,耐老化,不燃燒強(qiáng)度較低,吸濕性能較強(qiáng)珍珠巖等漿料0.07～0.09A防火,耐高溫,耐老化,不燃燒保溫效果差,吸水性能高

4.1.3 材料選擇

由表2可知，聚氨酯的熱阻性能和環(huán)保性能均優(yōu)于巖棉板，但防火性能次于巖棉板，且目前巖棉板在加工工藝和施工成本方面均占有較大優(yōu)勢(shì)，因此，現(xiàn)階段二次設(shè)備艙普遍采用巖棉板作為保溫材料。待技術(shù)發(fā)展后，可考慮用性能更優(yōu)的材料替代。

4.1.4 保溫材料厚度設(shè)計(jì)計(jì)算

取極端溫度最低值t2=-40 ℃，設(shè)置目標(biāo)艙內(nèi)溫度t1=-5℃，取巖棉熱傳導(dǎo)系數(shù)最大值λ=0.046，即保溫性能最差時(shí)。采用II型預(yù)制艙計(jì)算，尺寸為12 m×2.8 m×3.2 m，其散熱面積按最大計(jì)算，則A=162 m2。

預(yù)制艙內(nèi)補(bǔ)償熱功率主要有艙內(nèi)二次設(shè)備運(yùn)行時(shí)所散發(fā)的熱量以及空調(diào)(或加熱器)補(bǔ)償熱功率。

以220 kV智能變電站為例，預(yù)制艙內(nèi)二次設(shè)備散熱量統(tǒng)計(jì)表[4-5]如表3所示。

表3 預(yù)制艙內(nèi)二次設(shè)備散熱量統(tǒng)計(jì)表

裝置名稱(chēng)正常功耗/W設(shè)備數(shù)量/臺(tái)總正常功耗/W保護(hù)裝置5019950測(cè)控裝置5011550交換機(jī)(16光口)504200交換機(jī)(8/12光口)3016480交換機(jī)(電口)506300網(wǎng)絡(luò)分析單元1202240故障錄波裝置1204480GPS對(duì)時(shí)裝置1202240直流分電屏10110

預(yù)制艙內(nèi)設(shè)備散熱量Q1=3 450 W。

則根據(jù)平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)計(jì)算公式(式3)：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，若不采用其他加熱措施，僅靠二次設(shè)備自身發(fā)熱量，則巖棉保溫層至少76 mm厚。

經(jīng)上述計(jì)算，并且考慮一定裕度，建議預(yù)制艙采用不小于80 mm的巖棉保溫板，即可保證預(yù)制艙內(nèi)二次設(shè)備投入運(yùn)行后，艙內(nèi)溫度維持在-5 ℃以上。

4.2 加熱設(shè)備選擇

當(dāng)預(yù)制艙內(nèi)二次設(shè)備退出運(yùn)行時(shí)，需采取其他加熱措施，保證艙內(nèi)最低工作溫度為-20 ℃。

根據(jù)熱力計(jì)算公式(式3)，需補(bǔ)償熱量為：

因此預(yù)制艙內(nèi)制熱功率應(yīng)不小于1 490 W。當(dāng)外部環(huán)境溫度過(guò)低時(shí)，空調(diào)在加熱模式下啟動(dòng)較為困難，因此可考慮采用電地暖的加熱方式。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，電地暖功率可選2 000 W。

預(yù)制艙電纜夾層高度空間一般為200 mm，考慮到接線(xiàn)維護(hù)的便利性以及加熱系統(tǒng)的可靠性，加熱源的厚度的選擇不宜超過(guò)100 mm，因此可選擇電熱膜式加熱器。經(jīng)計(jì)算，預(yù)制艙地板夾層可用于安裝電熱膜的區(qū)域?yàn)?×1.4=7 m2，分別選擇寬度為500 mm和800 mm的電熱膜1套，則可鋪設(shè)面積為5×1.3=6.5 m2。如下圖2所示。

圖2 預(yù)制艙電加熱示意

4.3 防雪措施設(shè)計(jì)方案

為了避免冬季積雪過(guò)后，產(chǎn)生屋面變形滲水，甚至裂縫，減少因長(zhǎng)期潮濕環(huán)境對(duì)艙體結(jié)構(gòu)和支撐件的腐蝕，應(yīng)保持天溝的通暢，及時(shí)將融雪排走。因此預(yù)制艙采用雙坡屋頂，部分頂部結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)搭建，增大屋面坡度。屋面采用散排水方式，屋檐不設(shè)女兒墻。同時(shí)在屋面敷設(shè)自限溫式電伴熱帶，在艙頂相關(guān)位置安裝結(jié)冰(或溫濕度)傳感器，由艙內(nèi)溫控器通過(guò)控制電伴熱帶加熱電源功率實(shí)現(xiàn)自動(dòng)融雪功能。

4.4 優(yōu)化預(yù)制艙對(duì)外走線(xiàn)以避免“冷橋”現(xiàn)象

“冷橋”現(xiàn)象是指房屋外墻轉(zhuǎn)角、內(nèi)外墻交角、樓屋面與外墻搭接角的區(qū)域范圍，在室內(nèi)溫度高于室外溫度時(shí)，產(chǎn)生水霧吸附于墻面的現(xiàn)象稱(chēng)為“冷橋”現(xiàn)象。北方是“冷橋”現(xiàn)象多發(fā)的地區(qū)，因?yàn)槎毂狈教鞖獗容^寒冷，室內(nèi)外溫度差異較大，在屋內(nèi)外的連接處由于局部的導(dǎo)熱系數(shù)變大，熱傳遞能力增強(qiáng)，導(dǎo)致局部溫度劇降，屋內(nèi)的熱空氣遇冷形成水霧吸附于墻體，便會(huì)出現(xiàn)房屋潮濕、霉變的現(xiàn)象。

對(duì)于預(yù)制艙而言，避免“冷橋”現(xiàn)場(chǎng)的發(fā)生，對(duì)于艙體的保溫性，及艙體的使用壽命具有重要的意義。目前，預(yù)制艙對(duì)外走線(xiàn)有2種方案：一種為艙內(nèi)外開(kāi)門(mén)，設(shè)置防雨棚，可在預(yù)制艙外施工接線(xiàn)，此方案便于施工，但由于需改變艙體結(jié)構(gòu)，內(nèi)外開(kāi)門(mén)增加轉(zhuǎn)角數(shù)量，易發(fā)生“冷橋”現(xiàn)場(chǎng)，且對(duì)于艙體的保溫性有較大損傷，因此不推薦采用；另一種為預(yù)制艙內(nèi)設(shè)置集中接口柜，底部進(jìn)線(xiàn)方式。此方案不破壞艙體結(jié)構(gòu)，保溫性能好，可以避免“冷橋”現(xiàn)象以及沙塵侵入，可推薦采用。預(yù)制艙對(duì)外走線(xiàn)如圖3所示。

圖3 預(yù)制艙對(duì)外走線(xiàn)示意

5 結(jié)束語(yǔ)

預(yù)制艙式二次組合設(shè)備具有施工簡(jiǎn)便，施工周期短，可維護(hù)性高的特點(diǎn)，適用于無(wú)人值守的戶(hù)外模塊化變電站及換流站或柔性直流換流站的接地極。通過(guò)合理優(yōu)化預(yù)制艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以適應(yīng)低溫運(yùn)行及施工環(huán)境，可以提高預(yù)制艙的環(huán)境適用范圍，推廣應(yīng)用前景廣泛。

[1] Q/GDW 11157—2014，預(yù)制艙式二次組合設(shè)備技術(shù)規(guī)范[S].

[2] GB 8624—2012，建筑材料及制品燃燒性能分級(jí)[S].

[3] 沈維道，童鈞耕. 工程熱力學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，2016.

[4] 國(guó)家電網(wǎng)公司. 國(guó)家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計(jì)：35 kV～110 kV智能變電站模塊化建設(shè)施工圖設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2016.

[5] 包紅旗.智能模塊化變電站[M]. 北京：中國(guó)水利水電出版社，2016.

Prefabricated Cabin Structure Optimized Design in Outdoor Substation for Adapting to Cold Region

Yin Xing，Dong Binzheng，Wang Wei，Guo Chaoyun

(Hebei Electric Power Design & Research Institute，Shijiazhuang 050031，China)

According to the climate characteristics, optimizes the design of the prefabricated cabin structure in four aspects.First,the thermal modeling of the outer wall of the prefabricated cabin is carried out.Through comparison,the rock wool board is selected as the insulation material of the prefabricated cabin, and the thickness of the insulation material is reasonably selected by the Fourier heat equation.Secondly,in the extreme cold condition, it is difficult to start the air conditioning heating mode, and the electric heating screen is selected as the heat compensator to ensure the normal construction of the optical fiber welding under the extremely cold temperature. Thirdly, the roof of prefabricated cabin is optimized,and the automatic snow melting function of prefabricated cabin roof is realized by adopting electric heating belt.Finally, it is recommended that the centralized wiring panel and the bottom line approach be installed in the prefabricated cabin to avoid the "cold bridge" phenomenon.

substation;prefabricated cabin;cold region;modular

2017-08-25

尹 星(1988-)，男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、自動(dòng)化及二次系統(tǒng)方面的設(shè)計(jì)和研究工作。

TM63

B

10001-9898(2017)06-0039-03

本文責(zé)任編輯：齊勝濤