莫海勇

中冶赛迪电气技术有限公司 重庆 400013

自2009年初国家电网公司推出智能变电站试点工程建设以来，智能变电站在工程建设效率、系统可靠性、运行维护效率方面较传统变电站取得一定突破，在一次设备智能化、电子式互感器、状态在线检测、二次系统网络化、信息一体化平台等主要方面取得了一系列研究成果。与此同时，受技术应用、建设模式、外部环境等多种客观因素制约，智能变电站的大规模建设运行逐渐暴露了一些工程质量和建设效率等问题，如：

（1）由于设备购置分散于不同生产厂家，保证设备通用性和信息兼容性难度较大，且工程设计、施工、安装、调试需多专业分工协作，各工序、各专业间衔接配合度不高。

（2）一次可实现“设备本体+传感器＋智能组件”的形式，而控制保护、交直流电源等二次设备分散布置，致使变电站占地利用率低，同时给运行维护及后期扩建带来诸多不便，继保人员调试工作量大、工期冗长。

（3）光缆熔接受现场工作条件、熔接人员技术水平限制，质量难以控制，质保期限内变电站运行仍存在潜在安全隐患。

因此，迫切需要立足于智能变电站整体视角，对贯穿“设计—生产—调试—运维”环节的设计策略、建设模式更新定位，打造一种建设周期更短、用地、工程造价更低、建设效率更高的新方案。

随着电力行业良好的发展势态，新技术、新材料、新设备的应运而生为智能变电站转型提供了必要技术支持。2013年国家电网公司提出了智能变电站模块化设计理念，实现设计模式、建设施工、关键技术等全方位转型与创新。

1 装配式模块化变电站的发展历程

1.1 装配式变电站的前期探索

装配式变电站的概念最早是由欧美国家提出的，在20世纪60年代到70年代之间，一种户外成套变电所装置在欧美国家得到了广泛应用。这种户外成套变电所装置就是早期的预装箱式变电站。

20世纪80年代中期，在美国出现了整体装配模块化的33kV变电站，20世纪90年代在日本出现了整体装配模块化的66kV变电站。这种新的建设模式具有简单、快速、占地少等优势，其工程质量和建设效率成为电力行业专家关注的焦点。

2006年，在达拉斯IEEE电力展览会上，许多电气生产厂商展出了与变电站建设相关的模块化装配式产品，模块化装配式变电站相关技术取得了很大进步，相关产品也得到广泛的认可和应用。

1.2 我国装配式模块化变电站发展历程

从20世纪末期至今，我国的装配式模块化变电站的发展历经了四个阶段。

1998年到2000年为预制舱原型初期阶段。该阶段采用单侧箱体布置，主要是将10kV高压柜以及相对应的保护、控制等二次设备集中布置于预制式箱体内。但是该阶段存在的主要问题为：箱内选用常规开关柜，体积较大，箱体内操作走廊小，安全性低，运输和吊装不方便，而且外层钢板选用金属材料，使箱体的保温、隔热、防潮不够。

2000年到2005年为预制舱原型中期阶段。该阶段采用两侧箱体布置，箱体内布置的设备电压等级相对提高，35kV、10kV高压柜布置于预制式配电箱体内。设备集成方面仍有极大优化和提升的空间。

2005年到2013年为模块化萌芽阶段。预制舱舱体进一步发展和完善，GIS组合电器研制成功意味着预制舱原型发展已进入真正实质性飞跃的阶段。66kV～220kV设备应用GIS组合电器，变电站进线、出线采用插拔式高压电力电缆，35kV（10kV）布置于预制舱内，在生产厂家进行分析设计、批量生产、内部安装以及简单的接线连接，完成后进行整组联调，合格通过后，才可以送至现场后，在现场组装且通过整体调试。

2013年正式进入模块化阶段。该阶段实现了220kV及以下变电站除主变压器放置在户外，其余所有均放置在预制仓内，并且在各个功能模块的设计之初可以将相似或者联系紧密的部分进行简单整合，在生产厂家完成生产得到各个模块，在安装现场仅仅需要应用插拔式电缆把一、二次设备接线相连，实现模块化。

1.3 我国装配式变电站的现状

2013年初，在遵循“安全性、适用性、通用性、经济性”原则的前提下，国家电网公司提出装配模块化式智能变电站的建设理念，即“标准化设计、工厂化加工、装配式建设”。

（1）标准化设计：将通用设计和通用设备给应用过来，这样设备型式、回路接线和土建设计标准化就可以得到实现，标准化连接一次设备、二次设备，可以即插即用二次接线；统一采集信息，综合分析，高级应用功能可以得到顺序控制。

（2）工厂化加工：将工厂预制结构型式作为建筑物的主要构件，按照电器功能单元将预制舱式组合二次设备作为保护、通信和监控等二次设备，在工厂内完成舱内接线及单体设备调试，在工厂内规模生产一二次集成设备，可以较为方便的安装，并且工期也可以有效的缩短。

（3）装配式建设：将装配式结构应用到建筑物中，现场湿作业得到减少，环保施工得到实现，施工效率得到提升；将通用设备基础应用过来，对基础尺寸进行统一，混凝土的浇筑，利用的是标准化定型钢模，工艺水平得到提升；将现场机械化施工给推广下去，不需要投入较多的劳动力成本，现场施工安全得到保证，工程质量得到提升。

到目前为止，应用于变电站的多类型模块化设备已得到开发，模块化技术的应用范围正在不断扩大。110kV及以下装配式模块化变电站技术已经逐渐趋于成熟完善，并且也逐步应用于220kV及以上电压等级的变电站中。

2 装配式模块化变电站技术特点

装配式模块化变电站改变了变电站传统的电气系统布局、土建设计和施工模式，通过工厂预制、现场安装两大阶段来建设变电站。其标准化设计、模块化组合、工业化生产、集约化施工，使变电站建设走向科技含量高、资源消耗低、环境污染少、精细化建设的道路。

2.1 装配式模块化变电站土建模块技术特点

装配式模块化变电站在土建方面，改变了传统的电气系统布局，贯彻建筑节能、节材、节水、节地方针，力求使建筑结构轻型化，利用现场快速拼装工艺，变施工串联流程为并联流程来缩短施工周期。装配式模块化变电站的土建工程设计应遵循以下几个原则：①装配式建筑应采用工业建筑标准设计，统一相关标准。②建筑物紧凑、规整，外立面与周边环境相协调。③建筑设计按无人值守运行要求，合理配置生产用房。④建筑预留洞口位置，与装配式建筑外墙板尺寸相适应，采取密封及节能等措施。⑤结构体系的选择，综合考虑地质条件、使用功能、抗震类别等因素，安全可靠、经济合理。柱距、层高、跨度宜统一标准。⑥围护结构便于安装，选用经济环保的材料；满足工艺规范要求；材料尺寸应统一标准。

装配式变电站多采用钢结构的形式。与传统变电站采用的钢筋混凝土结构相比，钢结构具有安装工期短、抗震性好和回收率高等特点。钢结构比钢筋混凝土的强度要高出很多倍，在相同荷载的条件下，钢构件质量更轻。此外，由于钢结构属于延性破坏结构，破坏之前会有较大变形预兆，能够预先被发现，可以避免因脆性破坏引起的损失。但钢结构的防腐防火性能比混凝土结构的略差一些，造价会略有增加，与常规模式相比约增加10%～20%。综合考虑各方面因素，尤其是工期优势，钢结构的优势非常突出。

（1）装配式围墙。传统变电站围墙的建造形式通常为砖墙，每隔3m左右用钢筋混凝土构造柱加强。但由于变电站的围墙较长，传统砌筑方法人工砌筑以及粉刷等作业量大，浪费现场建设周期，而且容易产生开裂及泛碱情况。装配式变电站的围墙与传统变电站不同，采用预制形式，围墙预制柱承插式基础在现场浇筑，承插式预制柱及墙板在工厂内加工生产。预制柱及墙板运抵现场后进行拼装作业，可以大幅缩短工期、减少施工作业量，而且标准化的批量生产提升了工程质量。

（2）装配式防火墙。装配式防火墙目前通常采用现浇框架结构加工厂化预制FC墙板方式。FC板是一种新型建筑材料，以纤维和水泥为主要原材料，配加硅粉、粉煤灰等其他材料合成，FC板具有防火防水、隔音隔热、轻质耐压、施工简易、经济美观、安全绿色以及寿命较长等显著特点，主要使用于工业与民用建筑中的外墙、内墙板、吊顶板、通风道板以及地下室、卫生间等潮湿部位的墙板或吊顶板。

（3）装配式电缆沟。电缆沟主要由电缆沟、沟盖板两个部分组成。传统钢筋混凝土电缆沟通常采用现浇方式或者工厂化预制单体的方式，浇筑方式现场工作量较大，工厂化预制方式运输成本高。新型材料装配式电缆沟采用无机高性能纤维复合材料（UCFC）制作，由预制电缆沟槽、预制整体联排电缆支架、预制盖板等组成。具有重量轻、承载高、柔性接口、沉降小、施工周期短、外观美观等特点。

（4）装配式构架。配电装置的构架采用工厂预制钢结构，构支架梁和柱采用法兰螺栓连接，安装现场无焊接作业。

2.2 装配式模块化变电站电气模块技术特点

标准的设计方案为装配式变电站的设计、生产、调试、安装创造了条件，有利于统一的标准化设计及施工，为装配式变电站的建设提供了最基础的保障。国家电网公司于2015年发布了《国网公司输变电工程通用设计110（66）kV智能变电站模块化建设》，按变电站功能区域将变电站划分为主变压器、各电压等级配电装置、二次系统、主要建筑物等基本模块，再将相应间隔的基本模块进一步划分为与各间隔匹配的单元子模块，尽可能保证每个单元功能配置完整。变电站主体设计原则上可直接应用通用设计方案，而建设需求与基本方案不匹配时，在选用一致或相似“基本模块”属性的前提下，可适当增减基本模块内容。

与常规模式相同，主变压器仍然布置在室外正常模式中。为了减少施工工作量，有必要优化变压器的输入和输出端子。二次侧通过可插拔接头直接连接到进行模块，一次侧使用电缆或架空方式，但需保证绝缘密封性能。

主变模块方案主要涉及主变状态监测、合并单元、智能终端、非电量保护等功能的集中整合。

由于110kV气体绝缘封闭组合电器（GIS）设备的高度集成，给高压开关模块化创造了条件，在装配式建筑物和预制舱内均可以实现模块化安装。采用工厂预制整体电缆套管或可插拔电缆连接器，也可以提高了安装操作和维护的便利性。

对于35kV及以下中压开关模块，采用成熟的手车开关柜，根据出线方式及容量要求，在开关柜厂家订制后拼接到预制箱体中，工厂内进行生产及调试，现场进行母线连接。为了减少现场安装的工作量，可考虑在开关柜下增加支架（支架现场与基础焊接），可多间隔合并运输。箱体采用中间层填充隔热材料，防潮隔热，机柜配有风扇和加热器等设备。

高压并联电容器模块的结构形式分为箱式结构和柜式结构。箱式结构电容器模块占地小、结构紧凑，可以实现在工厂内的预组装，满足整装整运的条件，现场工作量小，符合预组装式变电站的设计理念。但电容器容量比较大时需要考虑箱体内的散热、通风以及运输等问题，且装置现场就位时对变电站的现场安装条件要求较高，常用于110kV户外变电站。

柜式电容器模块可以采用分散运输，现场组柜的形式，兼顾了最大化工厂预制的理念和现场运输吊装的限制，广泛用于110kV户内和半户内变电站，在加装防护外壳后也可用于110kV户外变电站。

目前中压系统主要采用的接地方式有不接地、消弧线圈和小电阻接地三种方式，接地装置主要采用消弧线圈接地成套装置或小电阻接地成套装置。

接地成套装置主要由接地变（或兼站用变）、消弧线圈（或小电阻）及控制器组成，多采用户内组合柜结构，为拼接式结构，出厂时已经完成柜子内部线路的连接；运输时，柜内一次连接、柜子间互联地线、柜子之间二次连接需要断开，再现场重新连接。

变电站二次系统为三层两网结构，二次设备相应分为站控层设备、间隔层设备、过程层设备。变电站二次系统模块划分需以“安全性、独立性、适应性、灵活性、通用性、先进性、经济性”为原则。对于二次设备模块，从功能上、布置上可划分成不同的模块，实现工厂内规模化生产、集成调试、模块化配送及二次接线“即插即用”。有效减少现场安装、接线及调试工作量。

（1）预制舱式二次组合设备。预制舱式二次组合设备由预制舱舱体、二次设备屏柜（或机架）、舱体辅助设施等组成，设备在出厂前完成二次设备的柜内、柜间配线、屏柜的安装，并二次设备屏柜连同预制舱一起整体运至现场。舱内二次屏柜宜采用双列布置，可有效减少设备舱体数量，大幅减少跨舱接线，减少占地面积和投资；站控层设备、公用设备、交直流电源设备、通信设备预制舱可采用二次屏柜单列布置。预制舱式二次组合设备应利用配电装置附近空隙场地布置。

（2）预制式二次组合设备。预制式二次组合设备由二次设备屏柜（或机架）及具备承载机柜、行线、收纳线缆、接地等的一体化框架组成，以模块为单位，在工厂内完成集成和调试后，整体运输至工程现场，大幅减少现场工作量。底座整体采用合理的防腐措施；完成模块内部屏间接线、工厂调试后，安装辅助框架用于加固二次组合设备模块，防止模块运输以及现场吊装过程中的冲击、振动对模块化二次组合设备产生不良影响；二次设备就位后与传统方案外观一致，且单个屏柜增加或更换方便，利于工程扩建或改造；按功能进行模块划分，各功能模块安装于二次设备室；二次设备屏柜采用统一规格。预制式二次组合设备适用于装配式建筑物内的站控层设备、公用设备、交直流电源设备、通信设备。其优点是每个模块由厂家在厂内配置好内部接线并完成调试，设备运到现场后只需完成模块外部的接口工作即可，方便施工和后期改扩建。

（3）预制式智能控制柜。预制式智能控制柜将就地布置的保护、测控、计量和智能组件等设备按间隔与一次设备本体一体化设计、安装，实现一、二次设备的高度集成。至一次设备本体采用预制电缆，至二次设备室采用预制电缆（预制光缆或尾缆），实现智能控制柜“即插即用”，现场零接线。预制式智能控制柜适用于户内GIS变电站，过程层、间隔层设备下放安装。

3 装配式模块化变电站与传统变电站的比较优势

3.1 建设周期短

装配式模块化变电站采用高可靠性的一、二次航插连接技术，现场即插即用，安装快速简捷，交付后只需在现场进行各模块就位、连接和调试即可

3.2 占地面积小

装配式模块化变电站采用小型化设备，紧凑布置，可最大程度节省变电站占地面积。

3.3 节省土建费用

装配式模块化变电站采用集装箱箱体或者钢结构作为变电站的空间载体，直接代替建构筑物；各电气模块均采用独立基础方式，基础量降低；整体土建基础工作量大大降低，从而降低土建的费用。

3.4 经济技术指标比较

由于装配式模块化变电站占地面积小、建设工期短、材料可回收率高、维护成本低等特点，具有较好的经济性。以一般规模的110kV变电站作为研究对象，其经济技术指标比较结果见下表1。

表1 装配式模块化变电站和传统变电站经济技术指标比较表

4 装配式模块化变电站目前存在的技术问题

4.1 建筑寿命与耐久性

钢结构装配式变电站建筑寿命和耐久性是工程设计、建造的重要关注点。传统变电站的建筑设计使用年限为50年，装配式变电站在设计时，采用的是建筑行业已广泛应用的材料，材料本身的耐用性能超过50年。但钢结构装配式变电站的建筑设计使用年限能否达到50年，使用周期中维护费用是否经济等问题缺少实践验证。

4.2 安全防火性能

不采取任何防火保护措施的钢结构耐火极限只有大约15分钟，变电站内含有的带油设备和电缆等易燃部件，根据防火规范的相关要求，目前绝大部分户内变电站的建筑物火灾危险性为丙类或丁类，耐火等级为二级，这就要求建筑物框架结构及附属结构柱、支撑的耐火极限时间至少为2.5小时，梁为1.5小时，楼板为1.0小时。因此需要采用涂刷防火涂料和包裹防火板等专门的措施使其满足防火要求。

4.3 建筑的防水

钢结构装配式变电站外墙板本身具有一定的强度和刚度，材料本身一般不会漏水，漏水的原因主要在节点处理不当，主要体现在屋面、雨篷、窗户和外墙板接缝等地方。因此，需要采用专门的设计和施工工艺。

5 结语及展望

标准配送式变电站是一种创新的变电站建设模式，通过应用标准化设计、实施工厂化加工、组织装配式建设，极大地缩短了建设周期及施工成本。随着标准配送式变电站建设的推广，能够很好地解决电力资源的利用效率，保护好生态环境。随着技术的不断进步，装配式模块化变电站技术未来会在储能、光伏、风电等新能源领域大面积使用。在国家电网、南方电网对智能电网进行建设的大背景下，装配式变电站也会逐渐转向更智能化、更灵活化和更高电压等级方向延伸。