肖庄110kV站优化布置

肖庄110kV站增容改造工程电气布置优化设计北京电力经济技术研究院（）郭锋【摘 要】本文论述了北京海淀区一座半户内110kV站改造为全户内110kV变电站布置方案的优化过程，详细介绍本站设计过程中为满足施工过渡在设备房间布置上的一些技术难点及解决方案。【关键词】建筑伸缩缝；重者下，轻者上；设备吊装引言肖庄变电站位于海淀区林业大学院内，周边为学生宿舍、锅炉房等校园设施，综合考虑本站所处位置及周边情况拟将本站改造成全户内变电站。经与海淀供电公司核实，本站所带负荷多为教育和科研类重要负荷，且部分负荷双电源均引自本站，故整个增容改造过程必须保证不能全站停电。本工程涉及范围包括现状肖庄110kV变电站和前八家临时110kV变电站，改造完成后两座现状变电站全部拆除，在原肖庄站内按无人值班变电站标准新建肖庄110kV变电站。站内安装110/10.5kV 50MVA变压器4台，110kV配电装置采用单母线分段接线，进出线共4回；10kV配电装置采用单母八分段环形接线，馈电出线56回。1. 现状变电站概况肖庄站现状为半户内变电站，主变和35kV消弧线圈布置在户外，其余均布置在厂房中。站区西侧为110kV设备厂房，中间为综合厂房（含35kV、10kV开关柜和二次设备等），东侧为电容器厂房。现安装110/36.6/10.5kV 50MVA有载调压风冷变压器2台；110kV配电装置为内桥接线，进线2回；35kV配电装置为单母线分段接线，出线6回，10kV配电装置为单母线分段接线，出线28回。前八家110kV变电站位于肖庄变电站西侧，站内安装110/10.5kV 20MVA有载调压自冷变压器1台，10kV出线4回。现状平面布置详见图1。图1 现状电气总平面图2. 方案可行性论证为保证全站不完全停电，综合考虑站区布置情况，站区内可以利用的场地只有西侧的前八家临时站位置和肖庄站东侧的电容器厂房位置，周边均不能新增征地。前八家临时站所处位置比较宽敞，但经与规划部门沟通，此处为规划双清路的绿化带，不能建设厂房。变电站周围建筑物较多，施工过程中临时物料加工、堆放场地受限，故与海淀供电公司协商，本工程施工前，先将前八家变电站负荷分别倒改至新建成的八家220kV变电站和学院路220kV变电站，此处腾空作为施工场地使用。肖庄站东侧的10kV电容器厂房所在的条状空地可利用条件较好，不足的是一旦实施需先行拆除电容器厂房，主变将失去无功补偿。根据公司相关文件和职能部门要求，主变运行必须配置一定比例无功补偿装置。原有电容器为户内设备，考虑移装的话必须新建厂房，否则不能使用。后经与公司基建部和海淀供电公司相关单位落实，同时从节约投资角度考虑，决定调运2套同容量的户外型电容器设备，布置于现状110kV厂房南侧（此处现状为废弃的警卫值班室）。通过以上调整，站区东侧可腾出的空地尺寸为48m13m，然后再考虑拆除现状主厂房，拆除后可利用空地尺寸为4831（保留现状两台主变），不考虑周边道路（消防通道可与林大共用，满足相关规程要求），此尺寸为厂房最大利用场地。同等规模国网典设北京电力公司实施方案B-1-2尺寸为80m54m，主厂房外形尺寸为63.1m29.2m；同等规模配送式变电站B-1-2方案围墙尺寸为84m38m，主厂房外形尺寸为62.3m21.6m，肖庄变电站改造可利用场地均不满足两者的建设用地要求。另外本站的可利用占地非一次性腾空，需分阶段建设。两种B-1-2模式主厂房均不能分期建设，故本增容改造工程只能采用非典型设计方案。本设计方案主厂房分为两部分，中间设伸缩缝（宽0.1m，梁柱中心距离0.85m）用于两建筑物的连接，同时采取有效措施防水、防漏。最终确定新建厂房外形尺寸为46.221.85m，西侧贴建防火墙和散热器基础，宽5.5m。新方案两部分独立厂房的尺寸分别为46.29m和46.212m，均比上述两阶段腾出的可用空地小，故可以满足施工过渡要求。3. 变电站电气设备选型配电装置的选择的原则：占地尽量面积小，设备安装、检修、维护方便。据此本站110kV配电装置选用GIS设备；主变选用油浸式有载调压自冷变压器，本体与散热器分体布置；10kV开关柜采用铠装中置式手车开关柜，10kV接地变、站用变选用铁芯变压器；10kV并联电容器组选用成套电容器装置；另外，本站各电压等级设备间连接，均采用电缆方式，以节省厂房空间。4. 变电站布置变电站的设备布置就是要把各电压等级的电气设备合理的组合在一起。新建工程相对容易，主要是在占地面积和建筑面积两个方面进行优化，做到尽可能节省；而针对本增容改造工程而言，其方案优劣与否，除了要节省占地和减少建筑面积外，其过渡的可行性、合理性要求更为重要，从投资而言，要比新建同等规模工程偏高。低电压等级的户内站大多为单层户内布置，即将所有电气设备均布置在一个单层厂房内，这样的优点是方案实施简单，易于控制。本工程占地面积受限，单层厂房布置方案已经无法满足要求，电气设备必须采用多层布置方式，并在保证设备运输、安装、运行、检修合理的前提下，使变电站用地、厂房空间的利用效益最大化。4.1 主设备的布置本站所需主设备主要有：110kV组合电器、110kV主变、10kV开关柜、10kV电容器组、10kV低电阻接地装置、10kV站用变、二次设备、通讯设备。现状综合厂房内设备有：35kV开关柜（改造后取消35kV电压等级）、10kV开关柜、10kV低电阻接地装置、二次设备、通讯设备。110kV厂房内为110kV设备，10kV电容器室内为10kV电容器组设备。本站改造第一阶段是将现状10kV电容器厂房拆除，在现有空地安装调运电容器组，在腾出空地新建一期厂房，第二阶段就是要拆除现状综合厂房，用现状的110kV设备和现状主变带新建厂房内所有设备运行，第三阶段是在原综合厂房位置新建二期厂房。通过逆向思维可知，第一阶段新建厂房必须涵盖现状综合厂房内所有设备功能及临时电容器功能，第二阶段新建厂房必须涵盖所有110kV设备及主变。综合考虑电气布置的需求和土建专业布置合理性原则，明确本站的布置原则：重者在下，轻者在上。4.2 一期厂房（命名为10kV配电装置楼）内设备布置根据以上分析可确定10kV配电装置楼应为地上三层建筑，位于站区最东侧，建筑物外墙即为院墙。本站10kV出线电缆较多，宜设置地下电缆夹层，一层布置10kV开关柜。10kV电容器、10kV站用变和10kV低电阻接地装置均重于二次设备屏柜，同时每套设备均与开关柜有高压电力电缆相连，故考虑接线的便捷性和厂房的整体结构受力的合理性，将电容器和低电阻接地装置布置于厂房二层。由于厂房长方向尺寸受限，需将站用变布置于厂房一层。三层布置二次设备、值班室和附属用房。4.3 二期厂房（命名为110kV配电装置楼）内设备布置经过上述布置，本站未确定位置的设备还有主变及中性点设备、110kV组合电器（GIS），依据“重下轻上”原则，将荷载相对较轻、检修维护工作量较小的GIS设备布置在二层，将荷载大、运输困难、运行维护工作量较大的主变布置在一层。地下一层同样设置为电缆夹层。主变散热器间露天布置于110kV配电装置楼西侧，与其贴建。警卫控制室及附房布置于110kV配电装置楼一层北侧，面向进站大门。5. 结构梁、柱的布置5.1 10kV配电装置楼部分10kV开关柜、二次设备屏柜和附属房间对结构梁、柱布置没有严格的要求，只要保证电缆的正常敷设和检修距离即可，其他不需过多考虑；10kV电容器成套装置和10kV低电阻接地装置网栏范围相似，外廓尺寸约为5.2*2.3m，中间设备运输和巡视用走廊不小于1.8m即可，由此可确定此部分厂房柱间距为6.6m（建筑常用模数），共设7跨，加上外墙尺寸，总长为47.0m，正好小于站区外围的48.0m，满足要求。厂房两侧各设3.0m宽楼梯间，满足消防要求。厂房宽度方面：10kV开关柜双列布置，按照国内常规尺寸柜深取1.6m，两列开关柜之间检修通道按照规程取2.5m，柜后净尺寸不小于1.0m，总和为7.7m，再加上柱子（0.8m）和二次电缆竖井（0.5m）所占空间，同时考虑到建筑的标准模数，厂房宽度最终确定为9.0m。考虑到地上一层和地上二层要与二期的110kV配电装置楼贴建，且一层布置110kV主变，层高最小控制在9.0m（详见5.2论述），故本期厂房地上一层和二层层高确定为4.5m可以满足电气工艺要求，。地上三层部分为二次设备室及配套附属房间，层高没有过多限制，满足设备布置要求即可，二次屏柜一般高2.260m，屋顶梁高约为0.7m，加之规程要求需保留一定空间用于设备散热，布置灯具、火灾探头等附属设施，也可能进行工程创优，做吊顶装饰，故本着节省投资目的，确定地上三层层高为4.0m。5.2 110kV配电装置楼本厂房一层布置四台110kV主变，二层布置110kV GIS设备。GIS设备对结构梁、柱无过多要求，只要能够将110kV电缆引下即可。110kV主变若散热器选用披挂式设备，则主变间最小尺寸为10.0*9.0m，四间主变间总长40m，另外需将10kV配电装置楼两侧楼梯间对外开启，作为厂房入口和开关柜运输通道，叠加后总长为46m，站区总长为48m。此时还未布置警卫控制室及附属房间，如考虑独立设置，势必增加占地和投资。若四台主变散热器采取分体式设备，并旋转90度安装，则主变间长度可控制在8.0m，宽度不变，四间主变间总长32m，加上10kV配电装置楼两侧楼梯间对外开启宽度要求，总长为38m。与10kV配电装置楼宽度相比，剩余9m，满足贴建警卫控制室及附房要求。经过对比分析，确定主变部分柱间距为8.0m，警卫控制室部分柱间距为6.6m。按照常规变压器考虑，油枕最高点约为6.2m，二层布置110kV GIS设备，荷载较大，主变间上方结构梁高度定为0.8m，吊装钢梁（荷载约3t）高度约为0.4m，3t电葫芦总高度约为1.0m，相加后为8.4m，再加一定的安装空间，则一层厂房层高确定为9.0m，且正好与10kV配电装置楼二层顶板等高。考虑到本站建筑物距离校区配套设施较近，不宜过高，且基于节省投资出发，二层GIS设备间同样不设置吊装天车，仅设置安装吊梁，层高可控制在7.5m。6. 电缆敷设通道结合10kV配电装置楼的建设，在南、北各设10kV电缆隧道一处，过渡阶段用10kV大截面电缆借用北侧电缆隧道引入厂房夹层，终期阶段4台主变的大截面电缆均布置于电缆夹层内，可满足要求。过渡阶段建设10kV配电装置楼过程中无110kV电缆，终期将有8回110kV电缆通过夹层引至110kV GIS设备。经过分析，电缆跨楼层可行方案共有两个，一是通过主变间，沿墙敷设，顶部吊装进入GIS套筒；二是在两座厂房中间设置独立的电缆竖井间，电缆沿竖井墙壁敷设，垂直引上后正对GIS套筒。方案一中110kV电缆布置主变间，弊端较多，主要有：主变间垂直空间不足，且上方有主变安装吊梁，两者冲突；火灾隐患较大，电缆与主变存在互为引燃可能性，极易引起事故扩大；施工、检修不变，检修电缆时，主变需陪停；输电、变电设备混淆，不同职能单位巡视不便。如采用方案二，以上弊端均不存在，只是建筑面积稍大，竖井内基本无集中荷载，检修活荷载也很小，故不会对结构造成大的影响，同时可为建筑物内部通风提供一个良好的进风通道，同时利于高压电缆散热，通过对比分析，最终确定采用第二方案敷设110kV电力电缆。7.设备运输、吊装因本站需要分期建设厂房，设备的吊装要充分考虑过渡阶段和终期建成两个阶段的需求，其中过渡阶段可采用可行的临时措施，终期建成后必须满足设备方便进出要求。本站现状南侧为进站主大门，站外即为林业大学校区道路，施工、检修均需穿越校区，极为不便。本期工程从站区西侧靠北位置向西新建进站道路，直达现状双清路，施工和检修可方便到达站区，且不干扰学校秩序。7.1 施工过渡阶段过渡阶段仅仅完成10kV配电装置楼，需安装设备有10kV开关柜、10kV电容器组、10kV低电阻接地装置、10kV站用变、二次设备、通讯设备。其中10kV开关柜和10kV站用变位于厂房一层，利用楼梯间预留门洞即可完成设备运输就位；10kV电容器组和10kV低电阻接地装置位于厂房二层，二次设备和通讯设备位于厂房三层，这两部分没有可利用吊装平台和运输门洞，但由于此部分设备自重较轻（均小于3t），故考虑在现状站区南侧楼梯间处利用临时的垂直运输设备，如叉车或安装临时升降梯，利用楼梯间外墙预留窗口运输设备，此时需临时占用林业大学校区道路。7.2 建成阶段终期建成后，两厂房实为贴建，且110kV配电装置楼有意错层布置，分别是：警卫控制室部分为一层建筑，顶板高4.5m；主变间部分可看做是两层建筑，顶板高9.0m。两部分高度正好与10kV配电装置楼的一层和二层顶板等高，通过合理布置完全可以满足终期设备吊装要求。具体如下：在警卫控制室及休息室楼顶设吊装平台，用于吊装10kV电容器成套装置、10kV低电阻接地装置，荷载不小于3t，外墙周围设可拆卸护栏；在4主变间楼顶设吊装平台，用于吊装110kV GIS、二次设备屏柜和通讯屏柜，荷载不小于10t，外墙周围设可拆卸护栏。两吊装平台均靠近进站道路，方便吊车作业。 根据以上论述确定各层平面布置图2-图5，厂房总断面详见图6。图2 厂房一层电气平面图图3 厂房二层电气平面图图4 厂房三层电气平面图图5 厂房地下一层平面布置图图6 主厂房电气总断面图8 防雷及接地保护8.1 防雷保护本站现状采用避雷针防直击雷，全站共设3支避雷针，其中2支（2和3）位于现状110kV厂房顶部，针高19米，另外1支（1）位于站区10kV厂房东侧，针高24米。施工过渡期间需先将1避雷针拆除，此时站区直击雷保护范围不满足要求，需在站区中部南侧新建过渡用37米高避雷针1支。如施工时间正值雷电季节，必须先建过渡用避雷针，后拆除1#避雷针。本站终期为全户内变电站，主厂房防直击雷保护采用建筑物顶部设置避雷带方式。8.2 接地保护本站现状主地网导体为钢质材料，且运行年限较长，腐蚀严重，本期工程将主接地网全部更换为铜网。过渡期间需拆除部分主接地网，此时必须将原站范围内现有接地网边缘闭合连接。开挖站区中部110kV配电厂房基坑时，必须将原主接地网通过围墙外侧保护用地，用紫铜带与一期厂房下主接地网可靠连接。开挖基坑过程注意保护基坑附近现状接地网。本站增容改造后站区占地面积明显减小，主接地网重新设计并校验，主网仍采用水平接地体与垂直接地体构成的复合接地网，土壤中主接地网均采用铜质材料，站区四个角落各设15m接地深井一处，室内接地线均采用热镀锌钢材。9 工程实施过渡方案通过以上设备布置的优化，厂房的尺寸已经压缩到足够小，可以满足现状站区范围内改造的要求。因站内改造工程量大，想要顺利地完成全站的增容改造，施工工序较为复杂，必须配合制定合理的施工过渡方案，且实施前还需经运行、继保、调度、监理、施工等单位详细论证，确保方案的可行性和完整性。方案具体如下：9.1 第一阶段（详见图7）（1）施工前，首先完成前八家110kV临时变电站10kV切改工程，之后拆除临时站内所有电气设备及建、构筑物。另外，拆除现状进站大门西侧警卫控制室及附房，在此位置新建2组10kV密集型电容器，替换现电容器楼内运行的2组电容器。在站区中部南侧新建过渡用37米高避雷针1支。（2）拆除站内原有10kV电容器楼及楼内电气设备，拆除1避雷针。在腾出的空地上新建10kV配电装置楼，安装楼内所有电气设备。新建站区北侧电力隧道和过渡用二次沟道。图7 施工过渡电气平面图一9.2 第二阶段（详见图8）（1）完成站区中部北段过渡用一次电缆沟道，与110kV电缆隧道对接。完成肖钢35kV线路切改工程。将原2主变和1#主变分步切改至新上10kV 6和3母线上，完成相应二次保护和调整工作，两台主变投运。(2) 在站区运行设备与施工范围之间加装防护围栏，拆除原有10kV配电装置楼及楼内所有电气设备，拆除过渡过程新建的2组密集型集合式10kV电力电容器。新建110kV配电装置楼（包括1主变散热器基础及两侧防火墙）。 (4)安装110kV GIS设备和1主变，完成东升122电源切改工程，将其接入新上110kV组合电器相应间隔，同步完成二次和通信改造工作。将10kV 3和6母线合母线运行，停运旧1主变，拆除原1主变用10kV过渡电缆（不包括开关柜侧），转接至新上的1主变，新1主变投运。图8 施工过渡电气平面图二9.3 第三阶段（详见图9）（1） 拆除原1主变及其架构基础，完成新上2和3主变散热器基础及防火墙。安装2和3主变，利用原1主变过渡用10kV大截面电缆，完成3主变10kV侧电缆接线，新上3主变投运。（2） 利用新上1主变和3主变带全站负荷，停运原2主变，完成东升121电源线路切改工作。拆除原2主变10kV电缆（不包括开关柜侧），安装至新上的2主变，新上2主变发电。图9 施工过渡电气平面图三9.4 第四阶段（详见图10-11）（1）拆除原2主变及其架构基础，完成新上4主变散热器基础及防火墙。安装新上4主变，4主变发电，拆除夹层内过渡用控缆防火槽盒，出墙孔洞进行封堵，并做好防水。 (2) 拆除站内其余全部需退运电气设备和无用建构筑物（含前八家站），在前八家变电站处新做110kV电缆终端塔，完善清里方向两路电源，将其由架空转接成电缆引入新肖庄站。平整场地，完善肖庄站接地网，新建事故油池、化粪池等附属设施，修缮围墙。图10 施工过渡电气平面图四图11 终期电气平面图四