羌丁建 李海烽 熊 靜 陳 斌

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，南京 210000）

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市地區(qū)用電負(fù)荷日益增長(zhǎng)，變電站建設(shè)越來(lái)越深入城市中心地區(qū)。如何解決變電站占地面積大、選址困難以及與城市規(guī)劃之間的矛盾，成為電力建設(shè)中的一個(gè)難題。因此，有必要針對(duì)城市變電站的優(yōu)化設(shè)計(jì)展開研究，合理優(yōu)化布置方案，充分利用有限的土地資源，滿足變電站建設(shè)與城市總體規(guī)劃的協(xié)調(diào)發(fā)展[1-2]。

傳統(tǒng)的變電站布置方案優(yōu)化研究主要立足于小型化集成化設(shè)備的選用、間隔寬度的合理壓縮、設(shè)備布置的局部?jī)?yōu)化等[3-8]。文獻(xiàn)[5]通過(guò)220kV HGIS配電裝置設(shè)備布置優(yōu)化、局部雙層出線，有效減少占地面積34%。文獻(xiàn)[6-7]研究了集成式隔離斷路器在智能變電站中的應(yīng)用，壓縮間隔縱向尺寸。文獻(xiàn)[8]提出了220kV GIS風(fēng)帆聯(lián)合式出線型式，有效壓縮出線間隔寬度。

近年來(lái)，裝配式設(shè)計(jì)和建造技術(shù)在變電站工程中得到了較為廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)[9]介紹了上海市首座裝配式變電站。文獻(xiàn)[10]研究了裝配式技術(shù)在預(yù)制柱、圍墻及防火墻的應(yīng)用。裝配式變電站通過(guò)工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)裝配，有效提高了工程建設(shè)效率，是節(jié)約用地、集約設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)化施工的典型。

本文基于現(xiàn)有的裝配式技術(shù)，突破傳統(tǒng)變電站優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路，提出基于“大開間”理念的220kV全戶內(nèi)變電站布置方案。

1 “大開間”模塊化設(shè)計(jì)理念

1.1 “大開間”理念設(shè)計(jì)構(gòu)想

“大開間”理念的設(shè)計(jì)構(gòu)想，源于對(duì)220kV戶內(nèi)變電站各級(jí)配電裝置按電壓等級(jí)和設(shè)備型式進(jìn)行分層分區(qū)、科學(xué)整合的思路，實(shí)現(xiàn)了各層級(jí)配電裝置布置的功能集約化，提高了生產(chǎn)綜合樓空間的利用率。其基本思想是，將各級(jí)配電裝置、無(wú)功補(bǔ)償裝置、二次屏柜等進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)、組合拼接，布置于同一“大開間”內(nèi)，實(shí)現(xiàn)共用運(yùn)維通道、檢修空間，充分優(yōu)化平面、空間布置型式，從根本上減小配電裝置室的建筑面積。

1.2 工程規(guī)模及設(shè)備選型

本文“大開間”布置方案研究，基于南方電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)[11]典型 220kV全戶內(nèi)變電站方案（CSG-220B-GN2b）展開。該方案建設(shè)規(guī)模及設(shè)備選型見表1，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的平面布置及斷面分別如圖1、圖2所示。

表1 建設(shè)規(guī)模及設(shè)備選型

圖1 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方案電氣平面布置圖

圖2 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方案電氣斷面圖

1.3 總體設(shè)計(jì)方案

對(duì)于220kV全戶內(nèi)變電站，配電裝置的緊湊化布置是減少建筑面積以及變電站總占地面積的關(guān)鍵。本設(shè)計(jì)方案以《高壓配電裝置設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5352—2006）[12]相關(guān)規(guī)定為設(shè)計(jì)原則，具體如下。

1）高壓配電裝置的設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)電力負(fù)荷性質(zhì)、容量、環(huán)境條件、運(yùn)行維護(hù)等要求，合理選用設(shè)備和制定布置方案。在技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理時(shí)應(yīng)選用效率高、能耗小的電氣設(shè)備和材料。

2）高壓配電裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)工程特點(diǎn)、規(guī)模和發(fā)展規(guī)劃，做到遠(yuǎn)、近期結(jié)合，以近期為主。

3）高壓配電裝置的設(shè)計(jì)必須堅(jiān)持節(jié)約用地的原則。

4）配電裝置設(shè)計(jì)應(yīng)重視對(duì)噪聲的控制，降低有關(guān)運(yùn)行場(chǎng)所的連續(xù)噪聲級(jí)。

依據(jù)上述主要設(shè)計(jì)原則，并充分融合“大開間”的設(shè)計(jì)理念，形成總體設(shè)計(jì)方案，如圖3所示。

圖3 基于“大開間”理念的電氣平面布置圖

1）全站僅設(shè)置一幢單層生產(chǎn)建筑，基于模塊化裝配式理念，形成2大功能區(qū)域一級(jí)模塊（變壓器室模塊+“大開間”主設(shè)備室模塊）。

2）變壓器室模塊，包含變壓器本體、散熱器、電容器等3個(gè)二級(jí)模塊；變壓器采用一列式布置，構(gòu)成單層生產(chǎn)建筑長(zhǎng)度方向尺寸控制因素。

3）“大開間”主設(shè)備室模塊，包含220kV GIS、110kV GIS、10kV開關(guān)柜、二次設(shè)備、電抗器、功能用房等6個(gè)二級(jí)模塊；其中，220kV及110kV GIS一列布置，位于大開間外側(cè)；10kV開關(guān)柜、二次設(shè)備雙列布置，位于大開間內(nèi)側(cè)，緊鄰變壓器室。

經(jīng)優(yōu)化，全站總建筑面積為2036m2，圍墻內(nèi)占地面積為0.477hm2，較南網(wǎng)公司標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方案分別減少81.4%和38.3%。此外，與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方案相比，本優(yōu)化方案優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)如下。

1）由多層建筑簡(jiǎn)化為單層建筑，適應(yīng)了裝配式建筑物的建設(shè)特點(diǎn)及要求，有效降低土建建設(shè)成本。

2）主要電氣設(shè)備均布置于室內(nèi)一層，極大地方便了設(shè)備安裝、運(yùn)行維護(hù)。

3）設(shè)備同層布置，電纜敷設(shè)路徑得以優(yōu)化，取消電纜豎井，節(jié)省大量電纜材料量。

2 “大開間”模塊化平面布置方案研究

基于“大開間”布置方案，220kV、110kV、10kV配電裝置及二次設(shè)備同層共室布置，充分合并共享各電氣設(shè)備的安裝及運(yùn)維通道，通過(guò)對(duì)GIS設(shè)備不同期間隔建設(shè)的合理規(guī)劃，合理滿足各期建設(shè)的設(shè)備室內(nèi)運(yùn)輸條件。

2.1 220kV GIS模塊優(yōu)化布置

1）220kV GIS間隔本體模塊尺寸確定

220kV GIS模塊優(yōu)化布置的主要影響因素包括：配電裝置規(guī)模、GIS間隔本體尺寸、運(yùn)維通道尺寸要求等。為優(yōu)化GIS模塊總體尺寸，本方案擬采用小型化 GIS設(shè)備。選取國(guó)內(nèi)主要廠家進(jìn)行220kV小型化GIS設(shè)備尺寸調(diào)研，結(jié)果見表2。

表2 220kV GIS尺寸調(diào)研表

綜合主要廠家的設(shè)備制造水平，選用常規(guī)小型化GIS設(shè)備。220kV GIS間隔本體模塊尺寸按2.0m×5.4m考慮。

2）220kV GIS模塊縱向尺寸確定

DL/T 5352—2006《高壓配電裝置設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》第9.3.4條規(guī)定：屋內(nèi)GIS配電裝置兩側(cè)應(yīng)設(shè)置安裝檢修和巡視的通道，主通道宜靠近斷路器側(cè)，寬度宜為2～3.5m；巡視通道不應(yīng)小于1m[12]。據(jù)此確定GIS模塊縱向尺寸計(jì)算如下：

式中，LZX為GIS模塊縱向尺寸；LSB為GIS間隔本體模塊縱向尺寸，取 5.4m；LXS為巡視通道寬度，取2m；LJX為檢修通道寬度，取1m；LZNG為智能匯控柜柜深及柜后維護(hù)通道尺寸，取0.8m+0.8m。

按式（1）計(jì)算得，220kV GIS模塊縱向尺寸為10m。與CSG-220B-GN2b標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方案220kV GIS室縱向尺寸14.5m比較，本方案220kV GIS模塊縱向尺寸優(yōu)化了4.5m。

3）220kV GIS模塊橫向尺寸確定

依據(jù) DL/T 5352—2006《高壓配電裝置設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》，確定GIS模塊橫向尺寸計(jì)算如下：

式中，LHX為GIS模塊橫向尺寸；LJG為GIS間隔本體模塊寬度，取2m；N為間隔數(shù)，取13。

按式（2）計(jì)算得，220kV GIS模塊橫向尺寸為29m。與CSG-220B-GN2b標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方案220kV GIS室橫向尺寸80m比較，本方案220kV GIS模塊橫向尺寸優(yōu)化了51m。

2.2 110kV GIS模塊優(yōu)化布置

1）110kV GIS間隔本體模塊尺寸確定

110kV GIS模塊優(yōu)化布置的主要影響因素與220kV GIS相同，同樣擬采用小型化GIS設(shè)備。選取國(guó)內(nèi)主要廠家進(jìn)行110kV小型化GIS設(shè)備尺寸調(diào)研，結(jié)果見表3。

表3 110kV GIS尺寸調(diào)研表

綜合主要廠家的設(shè)備制造水平，并結(jié)合《國(guó)家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)備 110（66）～750kV智能變電站一次設(shè)備（2012年版）》[13]中110kV GIS的建議尺寸方案，本方案小型化110kV GIS間隔本體模塊按0.8m×4.3m考慮。

2）110kV GIS模塊縱向尺寸確定

110kV GIS模塊縱向尺寸的確定原則與計(jì)算方法同220kV GIS。按式（1）計(jì)算得，110kV GIS模塊縱向尺寸為8.9m。經(jīng)取整，本方案建議尺寸定為9m，與CSG-220B-GN2b標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方案110kV GIS室縱向尺寸11.5m比較，本方案110kV GIS模塊縱向尺寸優(yōu)化了2.5m。

3）110kV GIS模塊橫向尺寸確定

110kV GIS模塊橫向尺寸的確定原則與計(jì)算方法同220kV GIS。按式（2）計(jì)算得，110kV GIS模塊橫向尺寸為 23m。與 CSG-220B-GN2b標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方案 110kV GIS室橫向尺寸 63.5m比較，本方案110kV GIS模塊橫向尺寸優(yōu)化了40.5m。

2.3 10kV開關(guān)柜、二次設(shè)備模塊優(yōu)化布置

本設(shè)計(jì)方案10kV開關(guān)共含71面開關(guān)柜（30面饋線柜、20面電容器柜、4面電抗器柜、5面母設(shè)柜、3面接地變柜、5面主變進(jìn)線柜、2面分段隔離柜及2面分段開關(guān)柜）。開關(guān)柜布置一般采用單層雙列或者單層單列布置。基于“大開間”的整體布局，10kV開關(guān)柜采用了單列、雙列布置相結(jié)合的方式。局部采用雙列布置形式，單列布置的開關(guān)柜與二次屏柜、接地變柜共同構(gòu)成雙列形式，總體布置緊湊合理。

2.4 “大開間”模塊組合優(yōu)化

基于上述各子模塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)行“大開間”模塊組合優(yōu)化。

1）220kV GIS與110kV GIS模塊組合方式

220kV GIS模塊與110kV GIS模塊的組合方式有3種，即L型布置、平行布置及一字型布置：①考慮到4個(gè)主變室的布置形式為一字型布置，220kV GIS模塊與110kV GIS模塊采用L型布置不利于節(jié)省占地，故不采用；②平行布置方案的配電裝置室橫向尺寸為29m，縱向尺寸為17m，該布置方案存在以下缺點(diǎn)：一次、二次電纜交叉嚴(yán)重，與主變壓器室模塊的尺寸不匹配，配電裝置室面積不能得到充分利用；③一字型布置方案的配電裝置室橫向尺寸為42m，縱向尺寸為 10m，能實(shí)現(xiàn)功能整合，共用維護(hù)主通道或巡視通道，進(jìn)一步壓縮配電裝置室橫向及縱向尺寸的大小，整個(gè)配電裝置室場(chǎng)地均能得到充分利用。

2）GIS模塊與開關(guān)柜模塊組合方式

經(jīng)初步整合，形成GIS與開關(guān)柜兩大組合模塊，根據(jù)其特點(diǎn)，應(yīng)采用平行布置方案?？紤]到開關(guān)柜主變進(jìn)線柜需通過(guò)母線橋與主變低壓側(cè)連接，故開關(guān)柜模塊應(yīng)鄰近主變壓器室布置；同時(shí)GIS模塊布置于“大開間”外側(cè)，便于220kV、110kV電纜出線。

3 “大開間”層高優(yōu)化研究

參考南方電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)[11]、國(guó)家電網(wǎng)通用設(shè)計(jì)[13]典型方案，220kV戶內(nèi)變電站GIS室高度一般在8～10.5m，需要占據(jù)主廠房?jī)蓪痈叨?。合理?yōu)化 GIS室層高，充分利用GIS上方空間，對(duì)減少變電站的建筑體積、占地面積及工程投資均有著重要的意義。GIS本身為氣體絕緣設(shè)備，不必考慮外絕緣。因此，影響本方案“大開間”層高的主要因素有：①GIS設(shè)備吊裝層高；②GIS設(shè)備工頻耐壓試驗(yàn)安全凈距要求。

本方案110kV及220kV GIS同室布置，因此建筑層高的受控因素主要來(lái)源于220kV GIS。本節(jié)僅針對(duì)220kV GIS作出分析。

3.1 GIS設(shè)備吊裝層高要求

1）GIS間隔高度

選取國(guó)內(nèi)主要廠家進(jìn)行小型化GIS間隔高度調(diào)研，結(jié)果見表4。

綜合主要廠家的設(shè)備制造水平，本節(jié)分析 GIS間隔高度按3.8m考慮。

2）移動(dòng)式GIS吊裝

通常情況下，戶內(nèi)GIS設(shè)備主要部件采用屋頂工字鋼梁懸掛電動(dòng)葫蘆的移動(dòng)型吊裝方式實(shí)現(xiàn)。層高要求計(jì)算如下。

表4 220kV GIS間隔高度調(diào)研表

（1）GIS設(shè)備起吊高度：3.8m（間隔高度）+1.5m（運(yùn)輸小部件所需空間）=5.3m。

（2）GIS室上空安裝工字鋼梁，吊重為 5t，工字鋼梁底距GIS結(jié)構(gòu)主梁為0.6m。

（3）電動(dòng)葫蘆吊鉤底距工字鋼梁底為1.8m。

綜合（1）、（2）、（3）高度要求，移動(dòng)式GIS吊裝方式所需的GIS室凈高為5.3m+0.6m+1.8m=7.7m。

3）固定式GIS吊裝

固定式吊裝方式，即在設(shè)備室頂板裝設(shè)吊環(huán)，則可以不用考慮架設(shè)工字鋼梁時(shí)需要計(jì)算在內(nèi)的一些數(shù)據(jù)，從而有效降低設(shè)備間整體高度。采用吊環(huán)的吊裝方式層高計(jì)算如下。

（1）GIS設(shè)備起吊高度：3.8m+1.5m=5.3m。

（2）吊鉤的長(zhǎng)度及頂板次梁的高度0.6m。

綜合（1）、（2）高度要求，固定式GIS吊裝方式所需的GIS室凈高為5.3m+0.6m=5.9m。

4）推薦層高

本方案推薦采用固定式GIS吊裝方式，以充分降低GIS室層高要求。考慮一定的裕度，“大開間”層高暫按6.5m考慮。

3.2 GIS設(shè)備工頻耐壓試驗(yàn)安全凈距要求

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）在運(yùn)輸和安裝過(guò)程中可能存在的自由微粒侵入、安裝工藝不良、絕緣件制造缺陷、電極表面損傷、運(yùn)輸中損壞等問題都會(huì)導(dǎo)致絕緣缺陷。為了保證設(shè)備安全可靠運(yùn)行，GIS新安裝、擴(kuò)建和解體檢修部分按標(biāo)準(zhǔn)必須進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)耐壓試驗(yàn)。

本方案GIS均采用電纜出線形式，無(wú)架空出線套管。故現(xiàn)場(chǎng)耐壓試驗(yàn)需要在GIS間隔電纜終端上部安裝耐壓試驗(yàn)套管（一般采用空氣套管）。按此種方式進(jìn)行短時(shí)工頻耐壓試驗(yàn)時(shí)，需要考慮空氣套管管對(duì)設(shè)備四周墻壁及上方頂板的帶電距離（按220kV帶電部分至接地部分最小安全凈距 A1=1.8m考慮）。

常規(guī)的耐壓試驗(yàn)套管布置方式如圖4所示，一般采用斜向布置方案，滿足了在與GIS設(shè)備保持合理距離的前提下，盡量降低了耐壓試驗(yàn)套管帶電部分對(duì)凈高的要求。

圖4 GIS耐壓試驗(yàn)套管姿態(tài)（斜向布置）

本文提出耐壓試驗(yàn)套管橫向布置方案，在常規(guī)套管上加裝GIL氣管，使其橫向延伸至“大開間”中部共享運(yùn)維通道，如圖5所示。橫向布置方案，充分利用了“大開間”布置型式下運(yùn)維通道作為耐壓試驗(yàn)的空間，有效降低層高要求。需要特別注意的是，當(dāng)采用常規(guī)斜向布置方案時(shí)，試驗(yàn)套管自重由其與GIS連接法蘭支撐；當(dāng)采用橫向布置方案時(shí)，由于增加了GIL氣管，所以需在GIS間隔對(duì)應(yīng)位置預(yù)置吊鉤，用作輔助固定試驗(yàn)套管。

圖5 GIS耐壓試驗(yàn)套管姿態(tài)（橫向布置）

通過(guò)上述耐壓試驗(yàn)套管設(shè)計(jì)型式優(yōu)化，經(jīng)校驗(yàn)，當(dāng)層高取6.5m時(shí)，能夠滿足工頻耐壓試驗(yàn)的最小凈距要求。

4 結(jié)論

本文提出基于“大開間”理念的220kV全戶內(nèi)變電站布置方案。全站僅設(shè)置一幢單層生產(chǎn)建筑，采用模塊化思路，形成變壓器室、“大開間”主設(shè)備室兩大模塊。各級(jí)配電裝置同層共室布置于“大開間”，合理布局，緊湊布置，共享運(yùn)行維護(hù)通道，有效減少建筑面積，降低層高。經(jīng)優(yōu)化，全站總建筑面積為2036m2，圍墻內(nèi)占地面積為0.477hm2，較南網(wǎng)公司標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方案分別減少81.4%和38.3%。

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