淺談110kV裝配式模塊化變電站的發展與應用

莫海勇

中冶賽迪電氣技術有限公司 重慶 400013

自2009年初國家電網公司推出智能變電站試點工程建設以來，智能變電站在工程建設效率、系統可靠性、運行維護效率方面較傳統變電站取得一定突破，在一次設備智能化、電子式互感器、狀態在線檢測、二次系統網絡化、信息一體化平臺等主要方面取得了一系列研究成果。與此同時，受技術應用、建設模式、外部環境等多種客觀因素制約，智能變電站的大規模建設運行逐漸暴露了一些工程質量和建設效率等問題，如：

（1）由于設備購置分散于不同生產廠家，保證設備通用性和信息兼容性難度較大，且工程設計、施工、安裝、調試需多專業分工協作，各工序、各專業間銜接配合度不高。

（2）一次可實現“設備本體+傳感器＋智能組件”的形式，而控制保護、交直流電源等二次設備分散布置，致使變電站占地利用率低，同時給運行維護及后期擴建帶來諸多不便，繼保人員調試工作量大、工期冗長。

（3）光纜熔接受現場工作條件、熔接人員技術水平限制，質量難以控制，質保期限內變電站運行仍存在潛在安全隱患。

因此，迫切需要立足于智能變電站整體視角，對貫穿“設計—生產—調試—運維”環節的設計策略、建設模式更新定位，打造一種建設周期更短、用地、工程造價更低、建設效率更高的新方案。

隨著電力行業良好的發展勢態，新技術、新材料、新設備的應運而生為智能變電站轉型提供了必要技術支持。2013年國家電網公司提出了智能變電站模塊化設計理念，實現設計模式、建設施工、關鍵技術等全方位轉型與創新。

1 裝配式模塊化變電站的發展歷程

1.1 裝配式變電站的前期探索

裝配式變電站的概念最早是由歐美國家提出的，在20世紀60年代到70年代之間，一種戶外成套變電所裝置在歐美國家得到了廣泛應用。這種戶外成套變電所裝置就是早期的預裝箱式變電站。

20世紀80年代中期，在美國出現了整體裝配模塊化的33kV變電站，20世紀90年代在日本出現了整體裝配模塊化的66kV變電站。這種新的建設模式具有簡單、快速、占地少等優勢，其工程質量和建設效率成為電力行業專家關注的焦點。

2006年，在達拉斯IEEE電力展覽會上，許多電氣生產廠商展出了與變電站建設相關的模塊化裝配式產品，模塊化裝配式變電站相關技術取得了很大進步，相關產品也得到廣泛的認可和應用。

1.2 我國裝配式模塊化變電站發展歷程

從20世紀末期至今，我國的裝配式模塊化變電站的發展歷經了四個階段。

1998年到2000年為預制艙原型初期階段。該階段采用單側箱體布置，主要是將10kV高壓柜以及相對應的保護、控制等二次設備集中布置于預制式箱體內。但是該階段存在的主要問題為：箱內選用常規開關柜，體積較大，箱體內操作走廊小，安全性低，運輸和吊裝不方便，而且外層鋼板選用金屬材料，使箱體的保溫、隔熱、防潮不夠。

2000年到2005年為預制艙原型中期階段。該階段采用兩側箱體布置，箱體內布置的設備電壓等級相對提高，35kV、10kV高壓柜布置于預制式配電箱體內。設備集成方面仍有極大優化和提升的空間。

2005年到2013年為模塊化萌芽階段。預制艙艙體進一步發展和完善，GIS組合電器研制成功意味著預制艙原型發展已進入真正實質性飛躍的階段。66kV～220kV設備應用GIS組合電器，變電站進線、出線采用插拔式高壓電力電纜，35kV（10kV）布置于預制艙內，在生產廠家進行分析設計、批量生產、內部安裝以及簡單的接線連接，完成后進行整組聯調，合格通過后，才可以送至現場后，在現場組裝且通過整體調試。

2013年正式進入模塊化階段。該階段實現了220kV及以下變電站除主變壓器放置在戶外，其余所有均放置在預制倉內，并且在各個功能模塊的設計之初可以將相似或者聯系緊密的部分進行簡單整合，在生產廠家完成生產得到各個模塊，在安裝現場僅僅需要應用插拔式電纜把一、二次設備接線相連，實現模塊化。

1.3 我國裝配式變電站的現狀

2013年初，在遵循“安全性、適用性、通用性、經濟性”原則的前提下，國家電網公司提出裝配模塊化式智能變電站的建設理念，即“標準化設計、工廠化加工、裝配式建設”。

（1）標準化設計：將通用設計和通用設備給應用過來，這樣設備型式、回路接線和土建設計標準化就可以得到實現，標準化連接一次設備、二次設備，可以即插即用二次接線；統一采集信息，綜合分析，高級應用功能可以得到順序控制。

（2）工廠化加工：將工廠預制結構型式作為建筑物的主要構件，按照電器功能單元將預制艙式組合二次設備作為保護、通信和監控等二次設備，在工廠內完成艙內接線及單體設備調試，在工廠內規模生產一二次集成設備，可以較為方便的安裝，并且工期也可以有效的縮短。

（3）裝配式建設：將裝配式結構應用到建筑物中，現場濕作業得到減少，環保施工得到實現，施工效率得到提升；將通用設備基礎應用過來，對基礎尺寸進行統一，混凝土的澆筑，利用的是標準化定型鋼模，工藝水平得到提升；將現場機械化施工給推廣下去，不需要投入較多的勞動力成本，現場施工安全得到保證，工程質量得到提升。

到目前為止，應用于變電站的多類型模塊化設備已得到開發，模塊化技術的應用范圍正在不斷擴大。110kV及以下裝配式模塊化變電站技術已經逐漸趨于成熟完善，并且也逐步應用于220kV及以上電壓等級的變電站中。

2 裝配式模塊化變電站技術特點

裝配式模塊化變電站改變了變電站傳統的電氣系統布局、土建設計和施工模式，通過工廠預制、現場安裝兩大階段來建設變電站。其標準化設計、模塊化組合、工業化生產、集約化施工，使變電站建設走向科技含量高、資源消耗低、環境污染少、精細化建設的道路。

2.1 裝配式模塊化變電站土建模塊技術特點

裝配式模塊化變電站在土建方面，改變了傳統的電氣系統布局，貫徹建筑節能、節材、節水、節地方針，力求使建筑結構輕型化，利用現場快速拼裝工藝，變施工串聯流程為并聯流程來縮短施工周期。裝配式模塊化變電站的土建工程設計應遵循以下幾個原則：①裝配式建筑應采用工業建筑標準設計，統一相關標準。②建筑物緊湊、規整，外立面與周邊環境相協調。③建筑設計按無人值守運行要求，合理配置生產用房。④建筑預留洞口位置，與裝配式建筑外墻板尺寸相適應，采取密封及節能等措施。⑤結構體系的選擇，綜合考慮地質條件、使用功能、抗震類別等因素，安全可靠、經濟合理。柱距、層高、跨度宜統一標準。⑥圍護結構便于安裝，選用經濟環保的材料；滿足工藝規范要求；材料尺寸應統一標準。

裝配式變電站多采用鋼結構的形式。與傳統變電站采用的鋼筋混凝土結構相比，鋼結構具有安裝工期短、抗震性好和回收率高等特點。鋼結構比鋼筋混凝土的強度要高出很多倍，在相同荷載的條件下，鋼構件質量更輕。此外，由于鋼結構屬于延性破壞結構，破壞之前會有較大變形預兆，能夠預先被發現，可以避免因脆性破壞引起的損失。但鋼結構的防腐防火性能比混凝土結構的略差一些，造價會略有增加，與常規模式相比約增加10%～20%。綜合考慮各方面因素，尤其是工期優勢，鋼結構的優勢非常突出。

（1）裝配式圍墻。傳統變電站圍墻的建造形式通常為磚墻，每隔3m左右用鋼筋混凝土構造柱加強。但由于變電站的圍墻較長，傳統砌筑方法人工砌筑以及粉刷等作業量大，浪費現場建設周期，而且容易產生開裂及泛堿情況。裝配式變電站的圍墻與傳統變電站不同，采用預制形式，圍墻預制柱承插式基礎在現場澆筑，承插式預制柱及墻板在工廠內加工生產。預制柱及墻板運抵現場后進行拼裝作業，可以大幅縮短工期、減少施工作業量，而且標準化的批量生產提升了工程質量。

（2）裝配式防火墻。裝配式防火墻目前通常采用現澆框架結構加工廠化預制FC墻板方式。FC板是一種新型建筑材料，以纖維和水泥為主要原材料，配加硅粉、粉煤灰等其他材料合成，FC板具有防火防水、隔音隔熱、輕質耐壓、施工簡易、經濟美觀、安全綠色以及壽命較長等顯著特點，主要使用于工業與民用建筑中的外墻、內墻板、吊頂板、通風道板以及地下室、衛生間等潮濕部位的墻板或吊頂板。

（3）裝配式電纜溝。電纜溝主要由電纜溝、溝蓋板兩個部分組成。傳統鋼筋混凝土電纜溝通常采用現澆方式或者工廠化預制單體的方式，澆筑方式現場工作量較大，工廠化預制方式運輸成本高。新型材料裝配式電纜溝采用無機高性能纖維復合材料（UCFC）制作，由預制電纜溝槽、預制整體聯排電纜支架、預制蓋板等組成。具有重量輕、承載高、柔性接口、沉降小、施工周期短、外觀美觀等特點。

（4）裝配式構架。配電裝置的構架采用工廠預制鋼結構，構支架梁和柱采用法蘭螺栓連接，安裝現場無焊接作業。

2.2 裝配式模塊化變電站電氣模塊技術特點

標準的設計方案為裝配式變電站的設計、生產、調試、安裝創造了條件，有利于統一的標準化設計及施工，為裝配式變電站的建設提供了最基礎的保障。國家電網公司于2015年發布了《國網公司輸變電工程通用設計110（66）kV智能變電站模塊化建設》，按變電站功能區域將變電站劃分為主變壓器、各電壓等級配電裝置、二次系統、主要建筑物等基本模塊，再將相應間隔的基本模塊進一步劃分為與各間隔匹配的單元子模塊，盡可能保證每個單元功能配置完整。變電站主體設計原則上可直接應用通用設計方案，而建設需求與基本方案不匹配時，在選用一致或相似“基本模塊”屬性的前提下，可適當增減基本模塊內容。

與常規模式相同，主變壓器仍然布置在室外正常模式中。為了減少施工工作量，有必要優化變壓器的輸入和輸出端子。二次側通過可插拔接頭直接連接到進行模塊，一次側使用電纜或架空方式，但需保證絕緣密封性能。

主變模塊方案主要涉及主變狀態監測、合并單元、智能終端、非電量保護等功能的集中整合。

由于110kV氣體絕緣封閉組合電器（GIS）設備的高度集成，給高壓開關模塊化創造了條件，在裝配式建筑物和預制艙內均可以實現模塊化安裝。采用工廠預制整體電纜套管或可插拔電纜連接器，也可以提高了安裝操作和維護的便利性。

對于35kV及以下中壓開關模塊，采用成熟的手車開關柜，根據出線方式及容量要求，在開關柜廠家訂制后拼接到預制箱體中，工廠內進行生產及調試，現場進行母線連接。為了減少現場安裝的工作量，可考慮在開關柜下增加支架（支架現場與基礎焊接），可多間隔合并運輸。箱體采用中間層填充隔熱材料，防潮隔熱，機柜配有風扇和加熱器等設備。

高壓并聯電容器模塊的結構形式分為箱式結構和柜式結構。箱式結構電容器模塊占地小、結構緊湊，可以實現在工廠內的預組裝，滿足整裝整運的條件，現場工作量小，符合預組裝式變電站的設計理念。但電容器容量比較大時需要考慮箱體內的散熱、通風以及運輸等問題，且裝置現場就位時對變電站的現場安裝條件要求較高，常用于110kV戶外變電站。

柜式電容器模塊可以采用分散運輸，現場組柜的形式，兼顧了最大化工廠預制的理念和現場運輸吊裝的限制，廣泛用于110kV戶內和半戶內變電站，在加裝防護外殼后也可用于110kV戶外變電站。

目前中壓系統主要采用的接地方式有不接地、消弧線圈和小電阻接地三種方式，接地裝置主要采用消弧線圈接地成套裝置或小電阻接地成套裝置。

接地成套裝置主要由接地變（或兼站用變）、消弧線圈（或小電阻）及控制器組成，多采用戶內組合柜結構，為拼接式結構，出廠時已經完成柜子內部線路的連接；運輸時，柜內一次連接、柜子間互聯地線、柜子之間二次連接需要斷開，再現場重新連接。

變電站二次系統為三層兩網結構，二次設備相應分為站控層設備、間隔層設備、過程層設備。變電站二次系統模塊劃分需以“安全性、獨立性、適應性、靈活性、通用性、先進性、經濟性”為原則。對于二次設備模塊，從功能上、布置上可劃分成不同的模塊，實現工廠內規?；a、集成調試、模塊化配送及二次接線“即插即用”。有效減少現場安裝、接線及調試工作量。

（1）預制艙式二次組合設備。預制艙式二次組合設備由預制艙艙體、二次設備屏柜（或機架）、艙體輔助設施等組成，設備在出廠前完成二次設備的柜內、柜間配線、屏柜的安裝，并二次設備屏柜連同預制艙一起整體運至現場。艙內二次屏柜宜采用雙列布置，可有效減少設備艙體數量，大幅減少跨艙接線，減少占地面積和投資；站控層設備、公用設備、交直流電源設備、通信設備預制艙可采用二次屏柜單列布置。預制艙式二次組合設備應利用配電裝置附近空隙場地布置。

（2）預制式二次組合設備。預制式二次組合設備由二次設備屏柜（或機架）及具備承載機柜、行線、收納線纜、接地等的一體化框架組成，以模塊為單位，在工廠內完成集成和調試后，整體運輸至工程現場，大幅減少現場工作量。底座整體采用合理的防腐措施；完成模塊內部屏間接線、工廠調試后，安裝輔助框架用于加固二次組合設備模塊，防止模塊運輸以及現場吊裝過程中的沖擊、振動對模塊化二次組合設備產生不良影響；二次設備就位后與傳統方案外觀一致，且單個屏柜增加或更換方便，利于工程擴建或改造；按功能進行模塊劃分，各功能模塊安裝于二次設備室；二次設備屏柜采用統一規格。預制式二次組合設備適用于裝配式建筑物內的站控層設備、公用設備、交直流電源設備、通信設備。其優點是每個模塊由廠家在廠內配置好內部接線并完成調試，設備運到現場后只需完成模塊外部的接口工作即可，方便施工和后期改擴建。

（3）預制式智能控制柜。預制式智能控制柜將就地布置的保護、測控、計量和智能組件等設備按間隔與一次設備本體一體化設計、安裝，實現一、二次設備的高度集成。至一次設備本體采用預制電纜，至二次設備室采用預制電纜（預制光纜或尾纜），實現智能控制柜“即插即用”，現場零接線。預制式智能控制柜適用于戶內GIS變電站，過程層、間隔層設備下放安裝。

3 裝配式模塊化變電站與傳統變電站的比較優勢

3.1 建設周期短

裝配式模塊化變電站采用高可靠性的一、二次航插連接技術，現場即插即用，安裝快速簡捷，交付后只需在現場進行各模塊就位、連接和調試即可

3.2 占地面積小

裝配式模塊化變電站采用小型化設備，緊湊布置，可最大程度節省變電站占地面積。

3.3 節省土建費用

裝配式模塊化變電站采用集裝箱箱體或者鋼結構作為變電站的空間載體，直接代替建構筑物；各電氣模塊均采用獨立基礎方式，基礎量降低；整體土建基礎工作量大大降低，從而降低土建的費用。

3.4 經濟技術指標比較

由于裝配式模塊化變電站占地面積小、建設工期短、材料可回收率高、維護成本低等特點，具有較好的經濟性。以一般規模的110kV變電站作為研究對象，其經濟技術指標比較結果見下表1。

表1 裝配式模塊化變電站和傳統變電站經濟技術指標比較表

4 裝配式模塊化變電站目前存在的技術問題

4.1 建筑壽命與耐久性

鋼結構裝配式變電站建筑壽命和耐久性是工程設計、建造的重要關注點。傳統變電站的建筑設計使用年限為50年，裝配式變電站在設計時，采用的是建筑行業已廣泛應用的材料，材料本身的耐用性能超過50年。但鋼結構裝配式變電站的建筑設計使用年限能否達到50年，使用周期中維護費用是否經濟等問題缺少實踐驗證。

4.2 安全防火性能

不采取任何防火保護措施的鋼結構耐火極限只有大約15分鐘，變電站內含有的帶油設備和電纜等易燃部件，根據防火規范的相關要求，目前絕大部分戶內變電站的建筑物火災危險性為丙類或丁類，耐火等級為二級，這就要求建筑物框架結構及附屬結構柱、支撐的耐火極限時間至少為2.5小時，梁為1.5小時，樓板為1.0小時。因此需要采用涂刷防火涂料和包裹防火板等專門的措施使其滿足防火要求。

4.3 建筑的防水

鋼結構裝配式變電站外墻板本身具有一定的強度和剛度，材料本身一般不會漏水，漏水的原因主要在節點處理不當，主要體現在屋面、雨篷、窗戶和外墻板接縫等地方。因此，需要采用專門的設計和施工工藝。

5 結語及展望

標準配送式變電站是一種創新的變電站建設模式，通過應用標準化設計、實施工廠化加工、組織裝配式建設，極大地縮短了建設周期及施工成本。隨著標準配送式變電站建設的推廣，能夠很好地解決電力資源的利用效率，保護好生態環境。隨著技術的不斷進步，裝配式模塊化變電站技術未來會在儲能、光伏、風電等新能源領域大面積使用。在國家電網、南方電網對智能電網進行建設的大背景下，裝配式變電站也會逐漸轉向更智能化、更靈活化和更高電壓等級方向延伸。