一种创新型预装组合式地埋配电舱的结构设计*

张国兴，刘惠姣，王亚青，邓宏怀

（1.鼎阳智电慧服科技股份有限公司，河北保定 071051；2.保定电力职业技术学院，河北保定 071051；3.国网河北保定供电公司，河北保定 071000）

0 引言

随着城市用电负荷的增大，道路两旁的箱式开闭所、电缆分接箱、箱式变电站等电力设备越来越多，这些设备时刻影响着道路通畅及附近商铺的经营，也给人们的生活带来诸多不便。特别在繁华的商业街区，体积庞大的电力设备，不仅占据了大量的黄金地面，还妨碍了人们的活动及视线，甚至严重影响了附近商铺的经营。在活动中的人们不断穿梭在运行中的电力设备附近，运行状况较差的电力设备时刻威胁着附近人们的安全。另在道路上行驶的车辆，会因交通事故等原因偏离正常的行驶路线，对运行中的电力设备造成机械撞击，造成重大的电力运行故障，所以说道路行驶的车流时刻威胁着两旁电力设备的运行安全。针对以上问题，设备制造厂家、运管单位和市政管理相关单位一直在寻找一个行之有效的办法来解决此类问题。我们结合现场的施工经验与大量的市场调研，研发设计了一种创新型预装组合式地埋配电舱的结构及其组成部件，将运行的电气设备沉入地下，通过合理的布局设计，满足设备的施工、操作及运行要求。该技术方案，有效地解决了地面空间使用紧张及空间障碍的问题，并提高了对地下资源的利用。同时也希望该技术方案能为相关设计人员提供一定的经验借鉴，推动电力设备对地下资源的开发利用，从而提高设备的经济管理效益。

1 电力设备安装防护基本现状分析

目前，电力行业对供配电中电力设备的防护方式主要有两种，一是将设备安装在有基础建设的配电房中，二是利用金属材质或者非金属材质制成具有一定机械应力和防护等级的户外箱体，对电力设备的运行进行安全防护，设备与用电负载的连接通常采用电力电缆的连接方式，电缆的敷设方式通常是设备上面电缆桥架架空走线或设备下面电缆沟敷设或直埋的方式。电力设备用户结合设备的使用环境，提出不同的防护等级要求，从而保证现场设备的安全运行和运维人员的作业安全。室内安装供配电设备的防护等级一般不做防雨水要求，户外设备防护等级要求为IP33以上。

1.1 室内安装的配电设备防护技术的优点和不足

室内安装的供配电设备一般有高压柜、低压柜、变压器、动力箱、配电箱等产品，这些产品的防护等级一般为IP3X及以上，这些设备的安装对防雨水一般没有要求，箱体的防护设计要求较低，制造工艺简单，故投资成本较低。在炎热的夏季，我国部分城市极易受到恶劣天气的袭击，出现局部的内涝，导致配电室透水或进水，没有防水功能的电力设备因进水引发安全事故，继而导致大面积停电事故，严重影响人们的正常生活，也给社会带来了较大的经济损失。为此，一些电力配电室的设计初期常采用工程防水的措施来防止地下配电室进水问题，常采用以混凝土自防水配合架空层和夹壁墙相结合的构造防水方案，这种做法是将普通混凝土改为自防水混凝土，施工对配电室上层楼板和墙体做大范围的室内防水处理，以防止水分进入配电室，配合门窗的密闭措施处理，来解决土建结构施工过程中和工程建成后的配电室进水问题。

1.2 户外安装的配电设备防护技术的优点和不足

户外安装的供配电设备一般有电缆分接箱，箱式开闭所、箱式变电站、户外动力箱等产品，这些产品的防护等级一般为IP33及以上，安装的时候一般都有防浸水的技术要求，故安装地点相对较安全，设备不会出现浸水情况。这些供配电设备相对于配电室的建设，其面积小，结构紧凑，工程施工周期短，相对建筑工程大大地节约了工程造价。安装设备设置在空余地面，设备的制造可以根据周围环境设计，以便使设备的样式和颜色能更好的融入周边环境，同时户外设备的安装使用也成功地解决了供配电设备被水淹没水浸的问题。配电设备安装于户外，不仅节约了原来用于做配电室的场所，还可供业主租赁使用，产生较好的经济效益。

设备一般安装在道路两侧、广场或小区内部，设备的体积大小不一，颜色各异，造成了美观性的缺失，极大程度的影响了市容市貌；一些大体积的供配电设备，安装在道路两侧，对人们的出行带来了诸多不便，也极易受到外部车辆的冲撞和人为破坏，影响设备的安全运行。

鉴于上述情况，为了更好的对供配电设备进行综合防护，一些发达国家已按照城市生态设计理念，逐步将供配电设备的运行环境设计在地表以下，我国的地埋式箱变、地埋式电缆分接箱、地埋式开闭所等产品就是为满足上述领域的要求设计和开发的一种新的应用技术，近几年正以独特技术和综合经济优势逐渐被市场所接受。

2 预装组合式地埋配电舱的方案设计

为了弥补室内外配电设备安装工程及防护措施的不足，对产品的结构进行了重新的分配定义，并开发出预装组合式地埋配电舱，该方案从结构上主要分为九部分，其结构如图1所示。

2.1 地埋舱地基基础

按照设备的体积，挖好适合整体设备的地基，一般深度为3 200 mm，地埋舱基础是铺设在坑底的水泥浇筑平面，其作用是为水泥墩支撑件做承压基础，也是地埋舱的最下端部分；混凝土厚深度为100 mm，并在地基的中心设置有400 mm×400 mm×400 mm的渗水井，用于基础面上积水的渗透。

图1 预装组合式地埋配电舱结构图Fig.1 Structural diagram of preassembled combined buried distribution equipment

2.2 水泥墩支撑件

水泥墩支撑件，安放在有水泥浇筑的平面基础上，安放位置为四边非全封闭组合方式，非封闭一侧与预制人井下部单元构成电缆施工通道，便于施工人员进出。电力设备和下级用电负载之间采用电缆连接的方式，符合国标GB50053-2013《20 kV及以下变电所设计规范》规定，户外箱式变电站和组合式成套变电站的进出线宜采用电缆的技术要求。预制水泥墩支撑件上开设有电缆进出线孔，电缆可通过预制石墩的预留孔通过电缆管穿入有预制石墩围成的电缆施工通道，电缆的预留和转向均在此面完成，电缆的弯曲半径满足GB50303-2015《建筑电气工程施工质量验收规范》。石墩支撑件的高度满足施工电缆的弯曲半径需求，标准设计为1 200 mm，水泥墩支撑件上部放置地埋舱的主体部分——密封舱体。

2.3 人井通道

人井通道由金属管道组合而成，为预制工件。通道分上部单元和下部单元，上下单元为直插组合方式，人井上部单元上部设置有井盖，井盖直径800 mm，井盖与人井上部单元组合设置有开启角度定位装置防止井盖丢失或泄压时冲入高空跌落伤人，人井通道内部焊接有可供攀爬的拉手[1]，方便施工人员进出。此通道既可作为施工通道，也可作为泄压通道。施工人员可通过人井通道进入支撑石墩围成的箱体下部的电缆施工通道在里面施工。为进一步完善设备的安全措施，在舱内的一次设备发生弧光短路故障的情况下，内部的气压通过进出仓通道泄压，形成泄压通道，对舱体进行压力释放。

2.4 密封舱体

密封舱体整体机构采用4.0瓦楞板材密封焊接制造，底部有8-10#槽钢作为底部的支撑工件，上部有密封防浸水盖板，并可起吊，为内部设备的更换提供预留作业条件；盖板的另一个功能是能够承载一定重量，满足现场环境中所有的从盖板上面经过的重力，密封盖由水泥和瓷砖构成顶面，和地面平行的时候可以做路面使用，舱体上部轻松的融入现场的环境；舱体设置有能承受本体和舱内设备总重量的起吊装置，在舱体两侧设置有4只吊装孔，起吊时能够保证整个舱体在垂直方向受力均匀。舱体的外部下边，有可供舱体接地的4个接地连接点。设备前面有供运维人员操作电力设备的检修通道，通道符合国标GB50053-2013《20 kV及以下变电所设计规范》规定--配电室内各种通道最小宽度(mm)800的规范要求。

2.5 密封舱体内配电设备

密封舱体内设置有配电设备，配电设备与密封舱体有螺栓定位固定点。电缆进出线由密封舱体的底部进入配电设备，其密封防护由电缆冷缩密封套管进行防护。配电设备主要包括隔离开关、断路器、互感器、避雷器等元器件组成的进出线开关设备和PT避雷器设备等，实现对电能的分配控制。这些设备固定安装在密封舱体内，设备的安装满足GB50171-2012《电气装置安装工程盘、柜及二次回路接线施工及验收规范》中对设备的安装要求，设备的制造满足GB3906-2006《3.6kV～40.5kV交流金属封闭开关设备和控制设备》等标准要求。

2.6 排风除潮系统

密封舱体设置有排风除潮系统，主要是为内部散热和空气流通之用。排风除潮装置由温湿度控制器、加热器、排风风扇和进风排风管组成。进排风管由直径为200 mm的不锈钢管制成，通过法兰与密封舱体密封连接固定；进风排风管分别与密封舱体经过法兰连接，进风管位于密封舱底部，排风管位于密封舱体上部，当相对湿度达到85%RH±5%的时候，温控设备自动启动凝露控制点，加热器开始加热并排风，当环境温度达到45℃时排风风机启动进行散热。顶部有防风雨措施，进排风管上部端头的防护等级满足防护直径不大于2.5 mm的固体外来体和以60°角从垂直线两侧的淋雨及溅水对舱体内部不应引起损害的要求。

2.7 操作控制箱

地面上部的操作控制箱固定在进排风管上，由抱箍固定支撑。操作控制箱内部为二次检测控制部分，主要包括各种电量的测量、保护、控制、一次设备的状态指示等，能够对舱体内运行的设备进行操作控制[2]和电量参数查询，以及数据的传输。二次控制回路的接线满足GB50171-2012《电气装置安装工程盘、柜及二次回路接线施工及验收规范》中对二次回路接线的要求，控制箱与舱体内部设备通过二次控制导线线束连接管连接，线束连接管两端设置有连接法兰，并保证连接密封性能良好；控制箱内除具有传统的优势之外，还具有先进的通讯功能，有着良好的操作界面，可装设无线数据传输系统，便于设备的监测管理；控制箱防护等级为IP54，可以较好的防止外部环境污染及恶劣气候对设备的危害；箱体上面可以做灯箱广告，有利于业务增收和环境美化。

2.8 进出舱通道

进出舱通道[3]主要有通道密封盖板和楼梯组成，密封盖板开启后，舱内的照明设备启动。预埋箱体进入通道，楼梯有扶手，以保安全，包括扶梯和入口盖板，盖板有挂锁，可防止非法进入预埋箱体内部，也便于运维人员进行出入舱的检测。对于高防护的预装组合式地埋式配电舱而言，是免维护的，一般的施工完毕后不需要下舱进行检修，进出舱通道作为应急逃生的第一通道。配电舱在结构设计时充分考虑了故障应急保护措施，在配电舱内部设置压力释放橡皮阀，利用电缆施工通道空间大的优势进行压力释放，从而最大限度的保障作业人员安全。

2.9 冷缩电缆孔密封护套

冷缩电缆孔密封护套[4]主要功能是电缆孔与进出电缆的密封防护，其结构原理是利用冷缩电缆套管的收缩密封加法兰压紧固定的特性来实现电缆孔的密封防护作用。接线电缆应在电缆维护通道中预留一定的长度，做盘整，然后从安装在密封舱体的电缆孔中的冷缩电缆密封护套中穿过，从密封舱体内部的配电设备底部做下进下出接线方式，当电缆接线工序完毕后，抽出冷缩电缆密封护套的螺旋尼龙骨架，弹性的硅橡胶材料弹力收缩，紧紧的包覆着进出线电缆的外护层，从而实现电缆与密封舱体的密封防护；冷缩电缆密封护套，它包括尼龙骨架、压紧螺母、弹性密封护套、环形密封胶垫、尼龙条支撑架构成[5]。尼龙骨架为环状结构，其外壁上设有外螺纹，底部设有外沿；尼龙骨架的下部延伸出连接筒，连接筒和外沿注塑为一体，尼龙骨架的外螺纹与压紧螺母的螺纹相匹配；弹性密封护套的一端包覆在连接筒上，另一端紧套在电缆的外部。电缆密封护套不仅可以有效防止外部潮气进入电气设备内部，保证电气设备的正常运行，而且结构简单，安装维护方便，避免了现场动火的不便。电缆密封护套结构及功能详见图2和图3。

图2 冷缩电缆密封护套Fig.2 Cold shrinkable cable sealing sheath

图3 抽出螺旋尼龙骨架的冷缩电缆密封护套Fig.3 Cold shrinkable cable sealing sheath drawing out spiral nylon skeleton

3 预装组合式地埋配电舱的施工要求

在施工时，基础坑的施工规范按照GB5104-2015《建筑地基基础工程施工规范》进行，按照预装组合式地埋配电舱的体积尺寸进行地埋坑的挖掘，然后将底部整平，用灰土垫层铺设100 mm厚度，再铺设混凝土100 mm厚度作为基础，水平校平参照GB50171-2012中基础型钢的安装要求，按照《电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范》要求进行选址定位。接地装置的安装符合GB 50169-2006《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》规定，电缆穿线管应做端口密封防护，一是防止小动物进入损坏电缆和电气设备，二是堵烟堵火、防止火灾蔓延。施工作业顺序为场地平整→放线→基础开挖→灰土垫层铺设→混凝土基础施工→接地装置安装→预制水泥支撑件组装→人井下部单元安装→人井上部单元安装→密封舱吊装→进排风管及穿线管组装→接地极连接→控制箱组装→二次控制线连接→基础回填→二次场地平整。地埋舱外部无外露可拆卸的螺栓，所有门轴必须采用不锈钢材料制作，所有锁盒采用户外铝合金锁盒。控制箱外侧设置明显的安全警告标识和标志，如国家电网公司标识、带电危险、报修电话（95598）等。地埋配电舱外观效果如图4所示。

图4 地埋配电舱外观效果图Fig.4 Appearance of buried distribution module

4 预装组合式地埋配电舱技术创新优势

预装组合式地埋配电舱有如下优势。

（1）将电气设备完全预埋沉入地下，采用地埋方式，设备隐藏效果好，合理利用了地下资源，上面可以铺设草坪、路转，和周围环境保持一致，美化了城市环境，设备下部箱体板材采用了整体密封焊接的工艺，箱体板材外部采用涂覆防锈工艺措施，设备的防护等级高，不担心浸水，设备的使用寿命不小于30年，整台设备地表以下的单元防护等级保证在IP68范围，使得设备的运行更加安全可靠。

（2）电缆进出线与设备电缆穿入孔采用某公司专专利产品----冷缩式电缆密封护套做连接密封，施工作业后，管状密闭冷缩套管紧紧包覆着电缆外表层，做密封抱紧，避免水分经电缆孔进入箱体内部，保证了箱体内部环境的干燥。

（3）箱体内部的温度调节有两种方式，一是箱体的四壁可以与周围较恒定土壤环境做温度相互交互，二是箱体一侧设置有进风排风管道，利用温湿度控制器控制排风扇做空气流通散热。进排风管道由两根直径100 mm的钢管制成，一进一排，降温去潮。进排风管上边有防止雨水和杂物窜入的防雨帽，进排风管的另一个作用就是支撑固定上部的操作控制箱。

（4）解决了目前土地使用紧张的问题，将闲置的地下资源充分合理的利用，在结构上，突破传统的思维，将设备安装于模块化的箱体内部。箱体外部的操作箱可以设计成为霓虹灯箱广告牌，可以用于公益广告、道路信息等，具有极佳的视觉效果，结构符合城市生态设计理念，美化环境，占地面积小，可在城市主要干道、机场、高速公路及住宅小区等使用。

（5）施工便利，对土建及尺寸的要求极低，地基有一定的支撑强度即可。无需将土建完全建起即可施工，极大的节约了土建工时和成本。现有的产品如需改造，无需变动设计方案，可以直接安装，在原设计方案的基础上，经过简单的施工便能实现柜子入地的目的，是产品的升级版。

（6）有效地避免了自然因素对设备带来的危害，如狂风、暴雨、冰雹、霜冻和太阳的辐射；有效地降低运行噪音，减少电磁辐射；有效地避免了小广告的粘贴，美化了环境；有效地避免了周围粉尘及腐蚀性气体对设备的危害。

（7）整个结构经济、环保，不占地表空间，能隔离噪音，消除视觉污染；施工规范，简单方便；降低制造成本，运输费用以及基础建设费用。吊装式的安装方式，使安装检修维护极为方便，平时检修维护对周边环境影响小，出现重大事故的情况下，因在地下，极大缩小了事故范围。

（8）由于其占地面积少，对安装环境要求低，施工简单方便，所以安装地点可设置在负荷中心，做周边辐射分散供电，从而大幅减少低压电缆的投入和长期降低线路损耗，节省电费。因此，在旧城改造、商业路段改造、路灯工程等市政建设，以及房地产开发商、工厂商厦等多方面有着无可替代的优势，更是响应我国创建和谐型、节约型、创新型社会的一种新型配电产品。

5 结论

预装组合式地埋配电舱利用储式结构，将设备封闭在内部，并将设备原有的功能单元分层设计，最大限度地利用地下资源，创新式的结构框架颠覆了传统电力设备的安装组合方式，重新定义了新一代电力设备的安装组合方式，在外观造型上融入现代商业气息，简约的几何造型构成了全部设备的功能需求，密封舱体结构采用瓦楞板材作为地埋空间结构，抗挤压机械应力强，地面下安装方式符合国家绿色环保战略要求。电缆井及水泥支撑件构成的电缆施工通道采用组部件标准化与模块化，便于批量制造，整体结构的设计符合国标GB50053-2013《20 kV及以下变电所设计规范》规定：配电装置的布置和导体、电器、架构的选择，应符合正常运行、检修以及过电流和过电压等故障情况的要求。采用预装式结构，极大的方便了现场施工作业，缩短施工周期，节约工程施工成本，为施工工艺简易化、快速化提供了良好的借鉴经验。地埋配电舱安装施工周期短的优势是其他电力设备的安装方式不能相比的，加上原有的节约地表空间和上部控制单元的操作整体性来说，其发展空间是巨大的，受其影响其他户外传统设备如通讯设备和仓储设备也会因地埋式配电舱结构的应用而改变。通过配电设备跟结构一次预制地埋的应用与创新，工艺制作流程中将部分施工工作转移到企业中加工，并可预先作业，既节省了人工、材料，降低了工程成本，又加快了工程进度，缩短了施工周期。

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