技术领域
[0001] 本
发明涉及一种预装配式变电站技术领域。
背景技术
[0002]
电网作为城市重要的
基础设施，是城市总体规划发展的重要组成部分，随着国民经济和社会的快速发展，全社会对电
力能源的需求越来越大。随着国家法律法规的完善，国民经济和社会的快速发展，公民维权意识在不断增强，城市土地、空间等资源越来越稀缺，城市对变电站施工期间的噪声、粉尘、泥浆等环境要求也在不断提高。随着
云南省“桥头堡”战略和“城镇上山”政策的实施，将来云南省内各个
城市规划将向周边山地发展，变电站的规划选址将不可避免的面临与城市规划区域距离较近，土地需求较为紧张，地形条件较差，周边不可控因素增多，对供电可靠性要求较高等问题。因此，电网规划建设时，往往面临既要满足社会发展需要建设高
质量的变电站以保证供电可靠性，又要满足少占土地，尽量不对周边居民生活环境、城市规划造成影响的矛盾。上述矛盾常常导致变电站的站址、线路通道的落实愈加困难，施工期间由于对外界干扰较大，经常受到外界因素制约，工期、工程质量、工程造价控制较为困难。
[0003] 由于传统的变电站是将各种电气设备在土建施工后再运抵现场进行安装调试，由于采用现浇
钢筋
混凝土框架结构、砌体填充墙、现场安装电气设备，现场连接设备
导线等建设模式。由于上述模式在施工时，受力构建需要现场搅拌混凝土浇注成型，施工时现场噪声较大，粉尘较多，施工时间较长，且随着城市发展对市容市貌的要求以及周边居民维权意识提高，上述施工模式容易受外界因素制约，施工周期不可控因素较多。此外，由于采用了现场浇注施工，现场安装电气设备、现场连线等施工方式，施工条件受现场条件制约，其质量控制
盲点较多，质量控制
精度较差，
建筑材料难于
回收利用，浪费较多。因此，从长远来看，随着电网项目建设协调难度增大，外界制约因素增多，如按照目前的建设施工技术模式，变电工程建设周期增长，建设过程中制约因素增多，质量、造价不可控因素增多是一个必然的趋势。
[0004] 为此，针对上述问题，迫切需要从电网的实际出发，按照建设资源节约型、环境友好型社会的要求，提高基建
水平，进一步提升变电站基建水平、研究新工艺、新技术，提高土地利用率，减少变电站施工、建设对周边环境的影响，尽可能减少受外部条件制约的因素，提高变电站建设质量，合理控制造价，以满足今后社会发展、城市建设对变电站的要求。
[0005] 全预制装配式变电站，作为一种全新的基建装配模式，通过将以往的“建造”模式提升到了“制造”模式，采用模
块化的设计方式，将一个功能完整的变电站合理模块化，每个模块化的结构功能单元都在现代化工厂中进行预制，在工厂内部完成了连线和模块调试，变电站现场只需要进行外部连接和整体联动调试，大大减少了变电站现场的工作量，同时由于采用了现代化工厂内预制的模式，大大改善了建造条件，减少了由于现场施工技术水平参差不齐导致的工程质量差异，有效提高了建造质量，减少了工程质量的控制盲点。由于建造耗材可以在工厂内就地回收利用，有效降低了工程成本。从省外经验来看，通过采用装配式变电站的建造模式，其施工时间较普通施工周期缩短30％—60％，而工程造价投资基本不变或略有提高，且建设过程中质量控制、资金控制、工期控制中的不可控因素大大减少，工程质量、工程建设效率大大提高，变电站对外界的影响大大降低，资源消耗明显减少，土地利用率有了明显提升。因此，采用预装配式变电站，是解决上述矛盾非常值得借鉴参考的一个思路。
[0006] 云南地处高海拔、多
地震带、多山地地区，而预装配式变电站目前多应于海拔1000米以下的平原地区，地震烈度较低，地形条件较好，尚无在高海拔、高地震烈度、山地区域的建设经验。因此，开展研究预装配式变电站在云南电网实际条件下的相关设计、建设研究，投资对比分析，对于日后在云南电网内开展预装配式变电站的建设，减少对资源的消耗、占用，降低对环境的影响，提高建设质量等具有非常现实的指导意义。
发明内容
[0007] 本发明要解决的技术问题是：提供一种预装配式变电站构建方法，研究预装配式变电站的相关设计、建设研究、投资对比分析，对于日后开展预装配式变电站的建设，减少对资源的消耗、占用，降低对环境的影响，提高建设质量等具有非常现实的指导意义。
[0008] 本发明要解决的问题是通过如下技术方案来实现的。
[0009] 一种预装配式变电站构建方法，本发明包括预装配式变电站的设备选择、建设施工和预装配式变电站
箱体受力安全性检测；
[0010] 其中，
[0011] 预装配式变电站的设备选择，中低压配电装置采用了“预装式”、“模块化”的思路，集成于预装式厂房内，高压配电装置采用户外GIS的布置形式；预装式变电站的110Kv主变采用油浸自冷型式的冷却方式；主变高、中、低压三侧均采用
电缆进线方式；
[0012] 在预装配式变电站的施工中，由于预装配式变电站采用工厂预制箱的方式，在站内只需建设警卫室或同样采用工厂预制箱式，现场设备基础采用常规混凝土处理；整个站区除了进行场地平整外，只进行主变、GIS设备及中低压预制箱体基础施工；在施工过程中，需要对基础四周设置散水，对应箱体开
门处按照前期设备集成商提资，合理设置
踏板台阶；对于箱体露出地面部分根据暖通要求开设
百叶窗孔，百叶窗孔后采用钢丝网封闭；在厂房下设置电缆夹层及电缆孔洞，电缆孔洞在混凝土壁上采取防火封堵材料封堵；预装式变电站电缆沟采用整体U型分段电缆沟，电缆沟壁与
底板在工厂内整体浇筑完成，在电缆沟壁与底板在工厂内整体浇筑完成的内部预制电缆
支架，连接时采用预制件进行栓接；预装配式围墙由杯口基础、带有
槽口的预制混凝土柱和ALC板构成，采用现浇杯口基础；带有槽口的预制混凝土柱运送到施工现场后，将其插入杯口基础，然后调整垂直度后进行稳固，围墙板与柱体槽口间的缝隙用高标号
水泥砂浆填缝处理；
[0013] 预装配式变电站箱体受力安全性检测包括：
[0014] (1)预装配式变电站箱体运输安全性检测，为检验箱体在运输过程中的受力情况，采用有限元仿真
软件ANSYS对预装配式变电站的箱体进行建模，在建模过程中，分别对箱体设备部分及箱体走廊部分进行了建模，同时对模型X向、Y向，Z向施加
加速度，选取
重力加速度，以箱体与车厢固定处吊装杆为固定约束，进行仿真；根据模型类型，选择SOLID197单元类型，对仿真模型进行自由网格划分，划分精度为默认精度，经过仿真计算，得到预制箱体设备部分和走廊部分的运输强度仿真整体
变形量、整体
应力量；
[0015] (2)预装配式变电站箱体在起吊过程中的受力情况，采用前述
有限元分析所建立的模型，对预装式变电箱体吊装杆施加吊绳方向的拉力，对箱体施加自身重力，对吊装杆轴向和垂向与吊装孔结合面施加约束，进行结构静力仿真，计算箱体设备部分和走廊部分在起吊过程中的整体变形量及吊装应力；
[0016] (3)预装配式变电站箱体拼装安全性检测，采用ANSYS有限元仿真软件对整个箱体进行建模，对模型进行网格划分，对预制箱体施加重力
载荷，约束端选择预制箱体底托与地基
焊接处为固定约束，设置预制箱体质量以及每台设备按预留质量计算，进行结构静力有限元计算，计算后得到预制箱体整体变形量、预制箱体整体应力及关键点的形变量、应力值；
[0017] (4)预装配式变电站箱体的抗
风能力检测，采用ANSYS软件对预装式变电站整个箱体进行建模；根据地区风压带状况，校核正常风速情况下，根据风压区间，对预制箱体外表面施加变载荷，设定时间区间，并考核极端情况下预装配式变电站箱体的形变及受力。
[0018] 高海拔环境下，本发明预装配式变电站的构建方法还包括：
[0019] (1)电气设备外绝缘强度
[0020] 110kV配电装置：预装式变电站110kV配电装置采用SF6作为绝缘介质的GIS设备，设备内部各个元件耐压水平可不做修正，按照国标海拔1000米以下标准使用；GIS设备
套管之间的间距、套管对地间距对海拔影响作出修正；
[0021] 主
变压器部分：预装式变电站主变压器主变套管外绝缘需要根据外绝缘海拔高度进行修正，相关修正系数按照国标及IEC标准，按照以下公式进行修正：
[0022] U＝KaU0 (2.1)
[0023]
[0024] 其中，U为设备实际
耐受电压值，U0为设备在1000m海拔下的标准耐压值，Ka为海拔修正系数，H2为站址实际海拔。m为海拔修正因子，对于工频及雷电过电压，取1.0，对于操作过电压取0.75，相关套管的相与相间距、相对地间距需要进行修正；
[0025] 低压配电装置：在海拔3000米以内，采用常规户内
开关柜；相关电气设备耐压水平、安全距离均外绝缘修正，其中设备耐压水平参照公式(2.1)及(2.2)进行修正，同时修正设备空间安全距离；
[0026] 对于低压开关柜，当海拔高度低于3000米时，根据站址交通运输条件和修正结果，通过技术经济比较，选择运输方案及开关柜绝缘型式；当海拔高于3000米时，采用SF6绝缘的充气式开关柜；
[0028] 在预装配式变电站的户外和户内设备的关键部位，增设带压力指示功能的
密度继电器，且该类型的指示器需处于便于观察的
位置，一旦压力下降，继电器及时发出报警
信号；
[0029] (3)抗紫外线照射及凝露
[0030] 对于户外设备，在对于运行安全性较重要的带电部位，涂刷防紫外线防护漆；在户外相关表计、指示仪表处，配备相关防紫外线防护膜；对于户内设备，在预装式的厂房防护墙门窗，合理布置紫外线防护膜；
[0031] 对于日温差较大，且湿度较高的地区，在设计阶段，合理增加户外设备
端子箱、LCP汇控柜的加热功率；同时，对于极端低温的地区，户外SF6设备设置加热器，以防止SF6气体
液化。
[0032] 在高地震烈度环境下，本发明所述的预装配式变电站的构建方法还包括：
[0033] (1)电气设备
[0034] 预装配式变电站中，高压开关采用组合式封闭电气设备将
断路器、
隔离开关、互感器设备集成在封闭桶内，而设备的进出线采用插拔式电缆连接方式，主变压器高压侧采用插拔式电缆进线，而中压侧采用插拔式多股电缆连接或者绝缘管
母线连接；
[0035] (2)建构筑物
[0036] 采用工厂预制式轻钢型箱体，箱体采用轻钢龙骨结构设计；
[0037] 采用有限元仿真手段对变电站的箱体受力进行仿真研究，来验证高地震烈度下预制箱体的可靠性：
[0038] 首先，根据不同的地区，设置预制箱体抗震力学计算标准；地震状态下，横波对预制箱体影响最大，根据地区抗震设防烈度等级，设计地震基本加速度值、对底托与地基连接处
钢筋施加水平方向载荷，钢筋与地基连接处为约束端，进行模态分析，求出六阶振型，并对二阶振型仿真数据进行力学强度校核，建立仿真模型，计算二阶振型下预制箱体抗震仿真模型变形量和应力值。
[0039] 本发明所述预装式变电站中低压侧的低压开关柜采用紧凑型XGN固定柜。
[0040] 本发明所述110kV主变噪音水平不高于65(ONAF)/60(ONAN)dB。
[0041] 本发明所述110kV主变噪音水平不高于63(ONAF)/58(ONAN)dB。
[0042] 与
现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0043] 开展研究预装配式变电站在不同环境下的相关设计、建设研究，对于日后在不同环境下开展预装配式变电站的建设，减少对资源的消耗、占用，降低对环境的影响，提高建设质量等具有非常现实的指导意义。
具体实施方式
[0044] 下面结合
附图对本发明的内容作进一步详细说明。
[0045] 一种预装配式变电站构建方法，本发明包括预装配式变电站的设备选择、建设施工和预装配式变电站箱体受力安全性检测；
[0046] 其中，
[0047] 预装配式变电站的设备选择，中低压配电装置采用了“预装式”、“模块化”的思路，集成于预装式厂房内，高压配电装置采用户外GIS的布置形式；预装式变电站的110Kv主变采用油浸自冷型式的冷却方式；主变高、中、低压三侧均采用电缆进线方式；
[0048] 预装配式变电站的施工中，由于预装配式变电站采用工厂预制箱的方式，在站内只需建设警卫室或同样采用工厂预制箱式，现场设备基础采用常规混凝土处理即可。整个站区除了进行场地平整外，只进行主变、GIS设备及中低压预制箱体基础施工。在施工过程中，需要对基础四周设置散水，对应箱体开门处按照前期设备集成商提资，合理设置踏板台阶，使箱体与地面连接，方便运行人员进出。对于箱体露出地面部分根据暖通要求开设百叶窗孔，百叶窗孔后采用钢丝网封闭，防止小动物钻入电缆层内；
[0049] 由于预装式变电站采用了预制厂房，故无法采用防静电地板，需要在厂房下设置电缆夹层及电缆孔洞。电缆孔洞在混凝土壁上采取防火封堵材料封堵；
[0050] 预装式变电站电缆沟采用整体U型分段电缆沟，电缆沟壁与底板在工厂内整体浇筑完成，在电缆沟壁与底板在工厂内整体浇筑完成的内部预制电缆支架，连接时采用预制件进行栓接即可，现场只根据工程设计要求，摆放到相应位置，电缆沟盖板搬动灵活，便于电缆的摆放，大大减少了常规变电站电缆沟穿插电缆的工作量；
[0051] 预装配式围墙由杯口基础、带有槽口的预制混凝土柱和ALC板构成，采用现浇杯口基础；带有槽口的预制混凝土柱运送到施工现场后，将其插入杯口基础，然后调整垂直度后进行稳固。围墙板(混凝土板与ALC板)与柱体槽口间的缝隙用高标号水泥砂浆填缝处理即可。
[0052] 本发明预装配式变电站箱体受力安全性检测包括：
[0053] (1)预装配式变电站箱体运输安全性检测，通常预装配式变电站箱体采用货车运输，固定方式为
捆绑加
铰链，根据《道路交通安全法》车辆行驶相关规定，一般情况下货车限速100公里，以此推算，横向加速度不应超过30m/s2、纵向加速度不应超过50m/s2、垂向加速2
度不应超过30m/s。为检验箱体的受力情况，采用有限元仿真软件ANSYS对预装式变电站的箱体进行建模,在建模过程中，分别对箱体设备部分及箱体走廊部分进行了建模，同时对模型施加X向(横向)30m/s2，Y向(纵向)50m/s2，Z向(垂向)30m/s2的加速度，重力加速度取
9.8m/s2(仅考察垂向加速度与重力加速度同向的情况)，以箱体与车厢固定处(吊装杆)为固定约束，进行仿真；根据模型类型，选择SOLID197单元类型，对仿真模型进行自由网格划分，划分精度为默认精度，经过仿真计算，得到预制箱体设备部分和走廊部分的运输强度仿真整体变形量、整体应力量；
[0054] (2)预装式变电站箱体在起吊过程中的受力情况检测，采用前述有限元分析所建立的模型，对预装式变电箱体吊装杆施加吊绳方向的拉力，对箱体施加自身重力，对吊装杆轴向和垂向与吊装孔结合面施加约束，进行结构静力仿真，计算箱体设备部分和走廊部分在起吊过程中的整体变形量及吊装应力；
[0055] (3)预装配式变电站箱体拼装安全性检测，采用ANSYS有限元仿真软件对整个箱体进行建模，对模型进行网格划分，对预制箱体施加重力载荷，预制箱体质量按7t计算，约束端选择预制箱体底托与地基焊接处为固定约束，每台设备按预留质量1.5t计算，进行结构静力有限元计算，计算后得到预制箱体整体变形量、预制箱体整体应力及关键点的形变量、应力值；
[0056] (4)预装式变电站箱体的抗
风能力检测，根据《
铁路桥涵设计基本规范TB10002.1-2005》中附录1《全国基本风压分布图》，结合云南省内多数地区的风速条件来看，目前云南省内较为典型的风速条件25米/秒，风压区间为800Pa至1000Pa之间。首先，采用ANSYS软件对预装式变电站整个箱体进行建模；根据云南地区风压带状况，校核正常风速情况下，风压区间为800Pa至1000Pa之间时，对预制箱体外表面施加变载荷，时间区间取48h，并考核极端情况下(相邻两侧
墙壁及其上
屋顶同时受到1200Pa至1500Pa变载荷的作用)预装配式变电站箱体的形变及受力；
[0057] 在高海拔地区，本发明的一种预装配式变电站的构建方法还包括：
[0058] (1)电气设备外绝缘强度
[0059] 110kV配电装置：预装式变电站110kV配电装置通常采用SF6作为绝缘介质的GIS设备。GIS设备由于大量的内部绝缘采用SF6作为绝缘介质，且封装于罐体内，内部绝缘不受SF6影响。故设备内部各个元件耐压水平可不做修正，按照国标海拔1000米以下标准使用即可。对于GIS设备套管与套管之间、套管对地之间，由于采用了空气做为绝缘介质，故套管之间的间距、套管对地间距需要对海拔影响作出修正；
[0060] 主变压器部分：预装式变电站主变压器通常采用常规户外布置主变，由于主变内部采用油纸作为绝缘介质，内绝缘不受海拔影响，仅主变套管外绝缘需要根据外绝缘海拔高度进行修正。相关修正系数按照国标及IEC标准，建议按照以下公式进行修正：
[0061] U＝KaU0 (2.1)
[0062]
[0063] 其中，U为设备实际耐受电压值，U0为设备在1000m海拔下的标准耐压值，Ka为海拔修正系数，H2为站址实际海拔。m为海拔修正因子，对于工频及雷电过电压，取1.0，对于操作过电压取0.75；
[0064] 同时修正相关套管的相与相间距、相对地间距；
[0065] 低压配电装置：预装式变电站低压配电装置通常采用户内开关柜。从实际使用情况来看，在海拔3000米以内，可以考虑采用常规户内开关柜。该类型开关柜采用KYN及KGN型柜，相关电气设备耐压水平、安全距离均需要考虑外绝缘修正，其中设备耐压水平可参照公式(2.1)及(2.2)进行修正；修正设备空间安全距离。
[0066] 对于低压开关柜，当海拔高度低于3000米时，根据站址交通运输条件和修正结果，通过技术经济比较，选择运输方案及开关柜绝缘型式；当海拔高于3000米时，采用SF6绝缘的充气式开关柜；
[0067] (2)设备散热、密封能力
[0068] 预装式变电站户外部分通常为高压配电装置及主变压器，在相关的关键部位，增设带压力指示功能的密度继电器，且该类型的指示器需处于便于观察的位置，以保证运行人员能及时观察到设备的内部压力，一旦压力下降，继电器及时发出报警信号；
[0069] 预装式变电站中低压侧均为户内设备，在设备关键部位，也应当增设带压力指示功能的密度继电器，以便于观察及报警；
[0070] (3)抗紫外线照射及凝露
[0071] 高海拔地区，紫外线强度较大，且日温差较大。在紫外线照射下，设备容易发生绝缘老化，造成绝缘能力下降。对于户外设备，在对于运行安全性较重要的带电部位，可以考虑涂刷防紫外线防护漆。同时在设备订货时，严格注明日照紫外线强度，由设备厂家在设备制造阶段合理考虑安全裕度。在户外相关表计、指示仪表处，设备集成商应当配备相关防紫外线防护膜，以保证内部仪表不受损伤。对于户内设备，应当在预装式的厂房防护墙门窗，合理布置紫外线防护膜，以防止紫外线进入户内对设备的危害。
[0072] 对于日温差较大，且湿度较高的地区，应当结合实际，在设计阶段，合理增加户外设备端子箱、LCP汇控柜的加热功率，以保证户外设备具有足够的除湿能力，以防止凝露的发生。对于户内设备，应当由设计单位按照规程规范要求，合理设计设备运行温湿度，以保证设备处于合理的温湿度范围，以防止凝露。同时，对于极端低温的地区，户外SF6设备应当合理考虑设置加热器，以防止SF6气体液化。
[0073] 在高地震烈度地区，本发明的预装配式变电站的构建方法还包括：
[0074] (1)电气设备
[0075] 预装配式变电站中，高压开关采用组合式封闭电气设备(GIS或PASS)将断路器、隔离开关、互感器等设备集成在封闭桶内，而设备的进出线采用插拔式电缆连接方式，从而代替了常规的电瓷套管
支撑的电线连接，减少了地震时由于瓷套管的断裂造成设备损坏及故障停电情况。主变压器高压侧采用插拔式电缆进线，而中压侧采用插拔式多股电缆连接或者绝缘管母线连接，也大大降低了地震对该设备的损害；
[0076] (2)建构筑物
[0077] 采用工厂预制式轻钢型箱体，箱体采用轻钢龙骨结构设计，以小巧、轻便、
重心低的特点，以及工厂化的制造工艺，大大降低了地震对变电站的影响。为验证高地震烈度下，预制箱体的可靠性，采用有限元仿真手段对变电站的箱体受力进行仿真研究。
[0078] 根据《建筑抗震设计规范GB50011-2010》，预制箱体抗震力学计算标准；地震状态下，横波对预制箱体影响最大，根据云南抗震设防烈度为7度的情况下，设计地震基本加速度值为0.15g，对底托与地基连接处钢筋施加0.15g水平方向载荷，钢筋与地基连接处为约束端，进行模态分析，求出六阶振型，并对二阶振型仿真数据进行力学强度校核，建立仿真模型，计算二阶振型下预制箱体抗震仿真模型变形量和应力值。
[0079] 本发明所述预装式变电站中低压侧的低压开关柜采用紧凑型XGN固定柜。
[0080] 本发明所述110kV主变噪音水平不高于65(ONAF)/60(ONAN)dB。
[0081] 本发明所述110kV主变噪音水平不高于63(ONAF)/58(ONAN)dB。
[0082] 对于预装式变电站而言，由于中低压配电装置都采用了“预装式”，“模块化”的思路，集成于预装式厂房内，同理，高压配电装置从经济性及全站整体的模块化思路出发，结合运行经验，推荐采用户外GIS的布置形式。
[0083] 考虑预装式变电站需要体现3C绿色，节能环保等特点，故推荐预装式变电站的主变冷却方式采用ONAN，即油浸自冷型式。
[0084] 按照目前国标及行业标准要求，110kV主变的噪音水平限值为：70(ONAF)/70(ONAN)dB。对于预装式变电站，考虑体现绿色3C节能环保特点，同时结合目前变压器主流制造水平，其噪音水平应当按照南方电网《3C绿色电网建设评价标准》中的一般项执行，即110kV主变噪音水平不高于65(ONAF)/60(ONAN)dB，推荐有条件时按照南方电网《3C绿色电网建设评价标准》中的优选项执行,即110kV主变噪音水平不高于63(ONAF)/58(ONAN)dB。
[0085] 此外，当主变三侧均采用电缆进线时，由于站内暴露的带电导体大大减少，站内电
磁场强度自然下降，有利于进一步优化降低全站
电磁场指标。因此，考虑全站的整体协调性及模块化思路，建议在具体项目实施时，优先考虑主变高、中、低压三侧均采用电缆(全绝缘
铜管母线)进线方式，以最大程度体现预装式变电站节能环保、绿色3C等特点。
[0086] 目前预装式变电站中低压侧多选用开关柜，紧凑型XGN固定柜体积小，占用空间少，节省变电站的征地和建筑
费用，综合造价低，电气特性好，机械寿命长，可靠性高，可以做到少维护或都免维护，因此节省大量的运行维护费用，既符合供电部门内部减员增效的管理目标，也减少了因设备故障和计划检修造成的社会停电。因此，推荐110kV预装式变电站中低压侧采用紧凑型XGN固定柜。
