摘要：简单总结了预装式变电站发展现状，梳理了预装式变电站集成设计、仿真、辅助系统、试验等方面的内容，提出了关于预装式变电站设计、试验等方面的建议。
关键词：变电站；预装式；现状；试验验证
1.引言
传统变电站建设模式，存在现场调试周期较长、占地面积大、一二次设备厂家之间还可能有相互推诿的现象。预装式变电站强调“标准化设计、工厂化加工、装配式建设”，具有现场工作量最小化、建设周期短、布局紧凑、工程质量可控等优点，适用于城市公用配电、住宅小区、新能源变电站、工况企业、铁道供电等场所，因此预装式变电站的建设模式受到电网公司和电力设备制造企业一定的推崇。虽然预装式变电站因其优点和应用广泛性而受到关注，但在集成设计、试验验证等方面还有待进一步加强。
2.预装式变电站现状
国内外很多电力企业开展预装式变电站方面的设计，预装式主要分为预制舱结构式和钢结构房式，本文主要讨论预制舱结构式。以下就一些典型的预装式变电站进行简要介绍。
2.1 国外厂家预装式变电站
1）施耐德E-House方案
图1 施耐德预装式变电站典型设计方案
施耐德将其预装式变电站称为E-House，并定义为一种定制化的、工程化的“解决方案”。图1为E-House典型设计方案，E-House中可包含中/低压开关柜、母线槽和桥架、UPS与直流电源装置、保护控制屏柜等，以及空调、消防与火灾报警、照明等辅助系统。
E-House适用于35kV及以下小规模全预装式变电站，或大型变电站中低压、二次设备的预装。
2）ABB自行模块化预装式变电站（SMPS）
自行模块化预装式变电站（Self-propelled Modular Preassembled Substation-SMPS），是ABB推出的第四代预装式变电站，是在其前三代预装式变电站的基础上发展起来的，前三代预装站分别为小型化预装站、半预装站、预装站，图2为第四代预装站补偿模块示意图。
图2 SMPS补偿模块示意图
SMPS具有全预装、自行式的特点。全预装即以模块化拆分的方式彻底实现了全预装，预装的电压等级可扩展到220kV，且容量不受限；自行式指变电站自带行走系统，变电站的安装以及尺寸不再受限于运输和起吊，提高了预装变电站的可靠性和安全性。自行预装式变电站不受运输、安装条件的限制，具有建设快速、整体预装的特点，但其使用寿命会受到自行系统寿命的约束。
2.2 国内厂家预装式变电站
国内从事预装式变电站设计的厂家众多，主要以青岛特锐德、许继、南瑞、四方等厂家为主。目前特锐德在一二次设备整站预制舱式预装方案的实施方面较成熟，许继、南瑞、四方等厂家在二次设备预制舱式和一二次钢结构房预装式方面设计和工程实施的经验比较丰富。图3为某110kV变电站的整站预装的效果图。
特锐德在舱体工艺方面有其独特的优势，其预制式产品在智能变电站、新能源变电站、铁道开闭所等场合应用较广；许继、南瑞等作为传统二次设备与系统的研发生产单位，能够结合自身二次设备特点，在设备布置方案、标准化接头、仿真研究、系统接地等方面形成完备的方案。
图3 某110kV预装变电站设计效果图
3.预装式变电站设计内容与思考
3.1定制化设计
不同变电站的建设规模、应用场合、地理环境、预装设备等条件的不同，在预装布局方案、预制舱体结构与材料等方面的设计会存在差异化。所以需结合客观条件，在舱体单元以及系统方案等方面进行定制化设计。
3.2结构设计与仿真分析
图4 底座静力承重仿真
预制舱在运输、吊装、运行的过程中，会遇到承重、散热、震动等方面的问题，如果设计不当，将可能导致舱体变形、设备运行温度过高、设备不能有效固定等问题，从而影响设备运行性能和可靠性，所以在设计初期应该结合舱体结构、设备重量和布局等进行静载、吊装、抗风、震动等方面的力学仿真验证；结合运行环境，设备发热和舱体空调与通风系统进行热仿真分析。图4为某工程35kV设备预制舱底座静力承重仿真验证，图5为开展的二次设备舱热力仿真分析。
图5 热力学仿真
3.3辅助系统设计
3.3.1照明系统
舱体内的照明系统包括正常照明、检修照明、应急照明等。除了耗电式照明模式以外，采用自然采光照明，是一种更加节能、环保的方式。
文献1中采用光导照明系统，通过自然采光解决了外部光照充足条件下的采光问题，值得借鉴。该光导照明系统由采光装置、光导管、漫射装置组成，可达到舱体内外光亮度的同步，图6为安装在预制舱顶部的光导照明系统采光罩实物图。
光导照明系统可结合舱体内的智能灯光控制系统，组成舱体的照明系统。
图6 舱顶光导照明
3.3.2温湿度控制与通风系统
舱体内不当的湿热环境会影响一次设备和电子设备运行性能、绝缘特性、机械特性等，还可能造成设备腐蚀、引发火灾等。
温湿度控制系统可由带温湿度双路控制的工业空调完成，空调功率的选配可根据舱体内部发热量、太阳辐射影响、舱体漏热等条件综合考虑。舱内设置一主一备两台空调，且可实现相互通讯，形成交替的工作模式。
温湿度控制系统与通风系统不仅要完成温湿度控制与通风散热的要求，同时要避免因设备选择、设计不当等因素造成舱体内冷热不均而引起凝露现象。可以通过设计特殊的风道提升整体冷热与通风效果，也可以通过设计针对性的检测与控制系统避免出现凝露现象[2]。
3.3.3安防与消防系统
舱内设置摄像头对运行与操作进行监测，实现安防功能。
消防报警系统由烟感、温感、手动报警、声光报警等装置组成，也可以设置气体或干粉灭火剂形成火灾联动系统实现自动灭火功能。火灾报警系统需支持信号远传与监控功能。
3.3.4SF6气体泄露检测系统
SF6气体泄露检测系统对于舱体中预装SF6充气柜的情况下适用，该系统应由以下几功能组成，即检测功能、告警功能、风机联动控制功能、就地状态显示功能、通讯功能等。
3.3.5辅助系统监控
图7 辅助系统监测平台框架示意
辅助系统负责预制舱内设备运行环境的检测、优化，间接关系着设备运行的可靠性、安全性。辅助系统涉及的对象较多，对辅助系统的进行综合管理，有助于信息整合，提高辅助系统的管理效率。图7为辅助系统集成管理的框架示意，图中各系统自成闭环控制系统，也可通过辅助系统监控平台进行控制操作。
3.4工业化设计
舱体的工业化设计包括外观与结构设计、舱体装修设计等。工业化设计应该以简洁实用为原则，并控制装修标准，舱体外部可有明显标识，如图8，也可适当体现企业特点，并作简单的美化处理，如图9。
图8 补偿舱标识
图9 预制舱的两种美化设计方案
3.5“即插即用”接头设计
“即插即用”通过预制电缆、光缆接头接头，实现标准化连接。预制式接头可分为单端预制或者双端预制。插接头可以制作为集中式，如图10所示，也可以分布式布置在就近柜体内，如图11所示。
图10 集中式预制插接件设计
图11 就地分布式插接头
3.6“三化”原则
预装变电站通过在工厂内将设备提前装配在舱体中实现预装，也可称为设备的二次装配，没有做到真正意义上的集成设计。
预装变电站可向“标准化、集成化、一体化”（简称“三化”）方向发展，“标准化”即结构标准化、接口标准化、配置标准化、试验验证标准化；“集成化”即辅助系统集成、一二次设备集成、设备与舱体集成、舱体与插接口的集成；“一体化”即结构一体化、功能一体化。通过此“三化”将变电站预装的结构式设计升级为产品式设计。
3.7出厂试验验证
目前暂时没有针对预制舱有相应的试验规范，可能主要有以下几个原因：
1）舱体内设备的配置以及布置因工程需求各异，基本属于定制化的工程，试验的载体不统一，无法用统一的标准对预制模块整体的优劣进行评价。
2）现阶段预制舱式结构严格意义上讲不属于新产品，是设备的组拼，或一种布置形式。
3）预制舱式变电站的建设模式起步时间不长，现阶段建设思路重点在于提升预制舱舱体加工工艺、优化舱体内设备的运行环境等。在结构、功能、接口等方面开展“三化”研究实施有待于进一步加强，从而将预装变电站从“装配式”向“产品式”的方向推进。在此过程中，过早的制定相关标准可能会制约该领域的发展。
虽然暂无相关试验规范对目前预装式变电站进行验证，但可开展探索性研究试验，试验方案应对不同的对象区别对待。建议可以针对舱体开展接地、防护等级、防火性能测试等试验研究；针对含设备的预制舱开展温升、抗震等试验研究；针对舱内预装的一次设备开展开关柜并柜后雷电冲击电压、工频电压耐压等试验研究。试验方案不限于以上所述内容，可针对性的开展试验方案的探索研究。
3.8其它
其它如舱体的材料选择、防腐工艺、电磁兼容、接地设计、舱体内布线方案等方面的内容不再一一详述。
4.结语
预装式变电站以其现场湿作业少、建设周期短、占地面积小等优点而得到广泛推广。但在应用过程中，舱体的使用寿命与可靠性、运维的便捷性等方面还受到一定的考验与制约。可通过“三化”研究实施，提升集成设计水平、接口标准化能力；提高工厂预制化程度、舱体工艺化水平；制定相应的试验验证规范等手段，有效提升预装式变电站的设计、加工、试验、工程应用水平。
参考文献：
[1]蔡燕.110kV预装式变电站技术改进与创新[J].工业与技术，2014（18）：84-85.
[2]王红刚，娄芳德等.预装式变电站的温湿度检测与控制系统的设计[J].河南机电高等专科学校学报，2012，20（3）：13-17.
作者简介：
王岗 西安西电电气研究院有限责任公司 电力系统方向
论文作者:王岗,成勇,程婷婷,郭政
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/17
标签：变电站论文; 设备论文; 系统论文; 等方面论文; 体内论文; 功能论文; 温湿度论文; 《电力设备》2018年第19期论文;