预制舱的应用

  本专题根据XX110kV变电站工程具体条件，结合新一代智能变电站示范工程试点站中预制舱和组合预制舱的使用情况，提出了组合式综合预制舱的概念。为贯彻国家电网公司的“标准化设计、工厂化加工、模块化建设、机械化施工”的建设原则。在新一代智能变电站示范工程试点站中预制舱开始慢慢地代替传统建筑物，采用预制舱能够有效缩短变电站土建施工周期，减少现场施工、调试的工作量，缩短投运时间。但是由于独立的舱体数量过多，导致变电站的土地利用率不足。本次XX竞赛，我院分析、总结了过去在变电站的建设中预制舱设备使用情况，在预制舱的基础上提出了组合式综合预制舱的设想。组合式综合预制舱将多个标准的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型预制舱拼接成一个能够容纳多个电压等级一次设备和二次及通信设施的综合性舱体。组合式综合预制舱的舱内可根据自身的需求配置消防、安防、暖通、照明、通信等辅助设施，并在工厂内完成相关配线、调试等工作。其内部环境满足变电站一、二次设备正常运行条件及变电站运行调试人员现场作业的要求。经论证，组合式综合预制舱合理的有效提高了变电站的土地利用率，进一步深化了“两型三新一化”的理

  1.1预制舱设备的发展现状预制舱式组合设备在国外开展研究应用的时间较早，在20世纪80 年代中期在美国就已经应用在整体模块化的33kV变电站，在20世纪90 年代在日本出现的整体模块化的66kV变电站也应用了预制式设备舱应用。ABB公司推出的集装箱式电气小屋在中东国家中已得到较大范围的应用。在国内，35kV、10kV箱式变电站已在工程中得到普遍应用，集装箱式SVG设备、集装式直流熔冰设备、集装式光伏逆变器等中也应用广泛。2013年国家电网公司开展了新一代智能变电站示范工程建设，提出“标准化设计、工厂化加工、模块化建设、机械化施工”的建设原则。按此原则，在新一代智能化变电站中，几乎看不到任何建筑物，取而代之的是预制舱式组合设备。在国家电网公司的新一代智能变电站示范工程中重庆大石220kV 变电站和湖北未来城110kV变电站为AIS 变电站，均采用了预制舱式组合设备。新一代智能变电站的建设，对于预制舱式组合设备的应用积累了宝贵的经验，积极引导国内设备制造企业开展设备研制和技术创新。

  （1)外形设计美观大方，与外部环境相协调。如集装箱外表尽可能简洁，空调、换气口等部件的尺寸、位置设计合理，集装箱色彩选择与周围变压器、高压开关设备颜色和谐。

  （5)最大化工厂安装调试，减少现场工作量。预制舱内设施安装、接线等工作尽量在工厂完成，现场仅开展预制舱与外部设备的连接工作。

  目前，电力工程中预制舱式组合设备根据舱体数量的不同大致上可以分为两种：预制舱和组合式预制舱。2 预制舱和组合预制舱的基本情况2.1 预制舱的定义和尺寸2.1.1 预制舱的定义预制舱由舱体及内部一、二次组合设备、舱体辅助设施、设备屏柜(或机架)等组成，舱内可根据自身的需求配置消防、安防、暖通、照明、通信等辅助设施，并在工厂内完成相关配线、调试等工作，并作为一个整体运输至工程现场。其内部环境满足变电站一、二次设备正常运行条件及变电站运行调试人员现场作业的要求。2.1.2 预制舱的尺寸根据配送式智能变电站建设的要求，结合《超限运输车辆行驶公路管理规定》。预制舱大致上可以分为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。Ⅰ型预制舱：外部尺寸6200×2800×3133(mm) Ⅱ型预制舱：外部尺寸9200×2800×3133(mm) Ⅲ型预制舱：外部尺寸12200×2800×3133(mm) 图2.1-1、2.1-2分别为一次设备预制舱和二次设备预制舱：2

  图2.1-1 一次设备预制舱（Ⅲ型预制舱）图2.1-2 二次设备预制舱（Ⅲ型预制舱）2.2 组合预制舱的定义和尺寸2.2.1 组合预制舱的定义结合实际工程需求，由预制舱衍生出组合预制舱。组合预制舱由2个同型号的预制舱拼接而成，舱体内部和外部要求同预制舱。2.2.2 组合预制舱的尺寸Ⅰ型组合预制舱：外部尺寸6200×5600×3133(mm) Ⅱ型组合预制舱：外部尺寸9200×5600×3133(mm) Ⅲ型组合预制舱：外部尺寸12200×5600×3133(mm) （运输时，需将拼接好的组合预制舱拆分成两个独立的预制舱运输至现场，在现场再次拼接）图2.2-1、2.2-2分别为一次设备组合预制舱和二次设备组合预制舱：3

  图2.2-1 一次设备组合预制舱（两个Ⅲ型预制舱拼接而成）图2.2-2 二次设备组合预制舱（两个Ⅰ型预制舱拼接而成） 2.3 预制舱及组合预制舱与传统建筑物的对比 2.3.1 预制舱及组合预制舱较传统建筑物的优点：（1）大幅度降低现场湿作业，缩短变电站土建施工周期。（2 ）一、二次设备一体化设计，一体化调试。设备模块化设计、工厂化定制和现场组合化拼装，实现“即装即用”，大副减少现场施工、调试的工作量，缩短投运时间。4

  2.3.2 预制舱及组合预制舱较传统建筑物的缺点：空间利用率不足。以国网新一代智能变电站示范工程中的某110kV变电站为例，如图2.3-1所示：图2.3-1 国网新一代智能变电站示范工程某110kV变电站实际效果图该变电站主变下方共12个电气设备（组合预制舱视为电气设备，不视为建筑物）：组合预制舱3个，电容器成套装置6套，户外箱式消弧线台。为了能够更好的保证各个设备的运行、维护空间，12个电气设备相互之间均留有过人、过检修设备的小道。导致变电站长、宽方向各增加了约10米和2米。新一代智能变电站的建设过程中，一方面应积极做出响应“标准化设计、工厂化加工、模块化建设、机械化施工”的建设理念。另一方面，在土地资源日益紧缺的今天，我们更应提高变电站的紧凑化程度，提高土地的利用率。3 新型组合式综合预制舱5

  3.1 组合式综合预制舱设想的起源预制舱及组合预制舱的工程应用，响应了国家电网公司提出的“标准化设计、工厂化加工、模块化建设、机械化施工”的建设原则。因此在新一代智能化变电站中，传统建筑物基本被预制舱式组合设备所取代。但是变电站的紧凑性都会打折扣，土地利用率难以合理。钢结构建筑物现场湿作业量小，土建施工工期短，在预制舱出现在变电站之前，已在多个变电站试点使用。如今，钢结构建筑在预制舱“标准化设计、工厂化加工、模块化建设、机械化施工”的优势面前基本淡出了电力工程的建设。钢结构建筑与变电站建设的结合虽然短暂，但是留下了不少的经验。本次XX竞赛，我院在分析、总结了过去在变电站的建设中预制舱设备和钢结构建筑的使用情况，提出了组合式综合预制舱的设想。 3.2 组合式综合预制舱的定义组合式综合预制舱是指：通过合理的组合，将多个标准的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型预制舱拼接成一个能够容纳多个电压等级一次设备和二次及通信设施的综合性舱体。组合式综合预制舱的舱内可根据自身的需求配置消防、安防、暖通、照明、通信等辅助设施，并在工厂内完成相关配线、调试等工作。其内部环境满足变电站一、二次设备正常运行条件及变电站运行调试人员现场作业的要求。6

  图3.2-1 XX变组合式综合预制舱效果图3.3 组合式综合预制舱的优点图3.3-2 XX变组合式综合预制舱平面布置图如图3.3-2所示，组合式综合预制舱把预制舱的优点和钢结构建筑及传统建筑物的优点相结合，在保证“标准化设计、工厂化加工、模块化建设、机械化施工”等建设原则的情况下，提高了变电站的紧凑度，有效提升了土地利用率。7

  XX变组合式综合预制舱内部分为二次室、35kV/10kV室和电容器室。其中二次室由2 个2.8m ×6.2m 的Ⅰ型预制舱拼接而成，35kV/10kV 室由4 个2.8m ×9.2 的Ⅱ型预制舱拼接而成，电容器室由2 个2.8m ×6.2m 的Ⅰ型预制舱拼接而成。整个组合式综合预制舱轮廓尺寸为30.8m×5.6m。图3.3-3为XX110kV变电站电气总平面布置图：图3.3-3 XX110kV变电站电气总平面布置图如图3.3-3所示，组合式综合预制舱的使用，结合本站对110kV 配电装置部分及站内道路的优化，使得XX变整站宽度由可研（见图8

  3.3-4）的61.2米优化为33米，宽度减少了62%。图3.3-4 XX110kV变电站可研电气总平面布置图3.4 组合式综合预制舱与组合预制舱的对比本工程在组合式综合预制舱内一、二次设备的数量和尺寸不变的前提下，采用组合预制舱的方案做对比，由于要保留各组合预制舱之间的运维空间，导致变电站宽度由33米增至42米，宽度增加了27%。图3.4-1为XX110kV变电站采用组合预制舱的布置图：9

  图3.4-1 一、二次设备是采用组合预制舱的布置图3.5 小结采用组合式综合预制舱一方面能够积极做出响应“标准化设计、工厂化加工、模块化建设、机械化施工”的建设理念。另一方面能大幅度提高土地使用率。进一步深化了“两型三新一化”的理念。4 组合式综合预制舱的论证 4.1 组合式综合预制舱舱体结构的论证为确保整体牢固度,利用专业的仿真分析软件,对舱体抗震、抗风、吊装等多种工况做了仿真分析,确保舱体结构安全可靠。1）底座：采用田字型或井型网格结构,并考虑屏柜电缆孔位置做调整，满焊连接并在每个网格四周与3mm 厚钢板断续焊连接成整体。10

  2）墙体:立柱与横檀条组成矩阵用拉杆连成整体,再用角铁斜撑组成三角结构加强。3）屋顶:横檀条与顶部横梁三面焊接后用M16拉杆连接成一片, 提升整体牢固度。 4.2 组合式综合预制舱舱体安装接口选择论证单个预制舱自工厂完成组装调试后运抵变电站进行就位安装，对于舱体与变电站内土建基础接口可采取以下三种方式。4.2.1 平板式伐形基础平板式伐形基础是将场地平整并碾压密实后浇筑钢筋混凝土平板，这一平板作为建筑物或设备基础。此种接口详见图10。11

  此种方式设备舱基础设计、施工不受设备承重点分布影响，安装就位较为便捷，但由于舱体底板与混凝土平板非间接接触，不利于平板潮气散发，舱体底板受潮较为严重且难于巡视、维修。4.2.2 条形基础根据条形基础布置方式，可分为纵向条形基础和横向条形基础两种，现分述如下。4.2.3 纵向条形基础纵向条形基础为沿舱体长方向平行设置两条基础，舱体搁置于基础之上，详见图11。此种方式避免了舱体底板与混凝土平板非间接接触所产生的不利12

  于平板潮气散发、舱体底板受潮严重的缺陷。但由于舱体纵向长度过大，此种方式仍不方便日常巡视、维护。4.2.4 横向条形基础横向条形基础详见图12。此种形式不仅舱底底板散潮通风进出风面大于纵向条形基础，更加有助于通风、散湿，而且舱底横向尺寸较短，可实现日常巡视和维护。但舱体基础固定不牢靠，舱体整体美观性较差。4.2.5 圈梁基础圈梁基础详见图13。基础采用预埋镀锌钢管，配合接口舱设计沟槽，集中埋管走线，同时舱体底部基础设计具备保暖功能，舱体整体效果较美观。13

  4.3 组合式综合预制舱舱内辅助设备的论证组合式综合预制舱，放置于户外，平时无人值守，需要配置一套辅助控制单元，实现对舱内的状况做图像监视、安全警卫、火灾报警和录像，还可以对舱内的照明、火灾报警及消防、安全警卫、环境控制等子系统实现智能联动控制。考虑到预制舱的独特性，辅助控制单元必须简单有效，并具有较高的智能化、自动化水平，能够让工作人员看到现场的实时图像，获取现场的数据资料，实现远程监控现场。特别是当发生入侵、火灾、漏水等不正常的情况时，能够迅速收到报警，以便能及时处置问题。必要时还能控制现场的通风、温控等设备，真正提升工作效率、减少人员到现场的次数。辅助控制单元可以实时接收各个终端装置上传的各种模拟量、开关量及视频图像信号，分类存储信息并做多元化的分析、计算、判断、统计和其他处理。该系统以网络为核心，完成各子系统的信息采集和监控，将以上信息上传至本地一体化信息平台，并远传到监控中心和调度中心。辅助控制单元包括：视频监控、火灾监测和报警、灯光控制、温湿度监测、温控系统控制、语音电话。根据自身的需求，还能增加入侵检测、水浸检测等功能。4.4 组合式综合预制舱交通运输的论证根据《超限运输车辆行驶公路管理规定》，结合配送式智能变电站建设的要求。预制舱大致上可以分为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。Ⅰ型预制舱：外部尺寸6200×2800×3133(mm) 14

  Ⅱ型预制舱：外部尺寸9200×2800×3133(mm) Ⅲ型预制舱：外部尺寸12200×2800×3133(mm) XX变组合式综合预制舱由4个Ⅰ型预制舱和4个Ⅱ型预制舱拼接而成。在工厂内对组合式综合预制舱的舱内一、二次设备和辅助设施安装、调试完毕之后，将其拆卸成4个Ⅰ型预制舱和4个Ⅱ型预制共8个预制舱，单个预制舱及其内部设备作为一个整体运输至工程现场再次进行拼接。4.5 组合式综合预制舱舱内设备检修空间的论证4.5.1 二次室检修空间的论证图4.5-1为XX变组合式综合预制舱二次室的平面布置图：图4.5-1 XX变组合式综合预制舱二次室平面布置图除21P 通信屏柜采用前显示侧接线外，其余均采用前显示前接线mm 宽，较新一代智能变电站建设初期600mm宽的屏柜有效增加检修空间。二次室配置工作桌椅、巡视通道等，空调外机贴顶安装于巡视通道上方，不影响检修、运维。该二次舱布置方案可完全满足检修运维的需要。4.5.2 35kV、10kV室检修空间的论证图4.5-2为XX变组合式综合预制舱35kV、10kV室的平面布置图：15

  图4.5-2 XX变组合式综合预制舱35kV、10kV室平面布置图35kV 、10kV 室内含35kV SF6 充气开关柜、10kV SF6 充气开关柜、35kV站用变、10kV站用变和35kV消弧线kV站用变均可利用舱内空间进行检修。35kV充气式开关柜和10kV 充气式开关柜采用开关柜屏后贴墙户内布置，其中仅35kV、10kV主变进线柜和分段柜柜内的穿心式电流互感器需屏后进行检修和更换。本工程采取在预制舱墙体预留检修孔的方案实现屏后检修。其余开关柜均可利用舱内空间进行检修。35kV消弧线圈通过对预制舱墙体的拆卸进行运输。图4.5-3为组合式综合预制舱墙体立面图：图4.5-3 组合式综合预制舱墙体立面图如图所示，图中所示预制舱墙体含2个可拆卸式检修孔，可用于16

  35kV 、10kV主变进线柜或分段柜屏后检修、维护。检修孔的数量及位置可依据工程真实的情况增减和移动。4.5.3 10kV电容器室检修空间的论证图4.5-4为组合式综合预制舱10kV 电容器室平面布置图：图4.5-4 XX变组合式综合预制舱10kV电容器室平面布置图本工程10kV 电容器组采用户内框架式并联电容器成套装置，本期1×（3600+4800）kvar,终期2×（3600+4800）kvar，采用单台容量400kvar 的并联电容器组屏布置在10kV 电容器室内。图4.5-5 、4.5-6为2#电容器组（4800kvar）平、断面图：图4.5-5 2#电容器组（4800kvar）平面图17

  图4.5-6 2#电容器组（4800kvar）断面图10kV框架式并联电容器组为组屏安装，采用屏前检修、维护。可利用舱内空间完成。5 结论组合式综合预制舱是由前一代组合式预制舱在智能变电站示范工程试点站的使用基础上衍生而来，即响应了国家电网公司提出的“标准化设计、工厂化加工、模块化建设、机械化施工”的建设原则，经论证后又合理提高了变电站的土地利用率，进一步深化了“两型三新一化”的理念。18