预制舱式变电站在高海拔环境下的应用

华电（那曲）新能源有限公司 郭海东 中国华电科工集团有限公司 王 波

1 引言

高海拔恶劣环境对变电站有着较高的要求和标准，在高海拔环境下传统的变电站不仅建设较为困难，而且其电力设备的使用损耗也较为严重，检修复杂，需要浪费大量的人力、财力资源。预制舱式变电站则是根据高海拔环境特点研发而成的一种便携式变电站，其不仅能够在平原地区进行安装，而且还具有较强的抗风沙、保温功能，能够在恶劣的运行环境中为用户提供充足的电力能源，将其安装至高海拔环境中将有效的解决传统变电站应用难题，以此来实现对高海拔地区供电的目的。

2 高海拔环境下的变电站运行挑战与影响

2.1 高海拔环境特点和对电力设备的影响

高原具有较恶劣的自然气候条件，其特征为空气压力或空气密度较低、空气温度较低、温度变化较大、空气绝对湿度较小、太阳辐射照度较高、降水量较少、年大风日多、土壤温度较低，且冻结期长[1]。恶劣的条件环境对变电站的运行所造成的影响也是极其严重的，电气设备的运行会在恶劣条件下受到严重的磨损，而且维修难度大。

2.2 传统变电站在高海拔环境中的限制和问题

高海拔地区土壤温度低，冻土期长，对现场施工尤其是传统的现场“湿法”施工不利，影响工期，而且变电站中大量的电气设备运输起来也较为困难，施工周期较长，且施工难度较高，所需要支出大量的施工成本。同时传统变电站的防护能力比较弱，其在高海拔环境中会受到严重的磨损，电气设备的使用寿命大幅度缩减。在高海拔环境中，施工条件也较为恶劣，对施工工人的正常生活也容易造成较大的影响和危害。

3 预制舱式变电站的适应性和优势

3.1 预制舱式变电站的概述和特点

预制舱式变电站指的是由预制舱体和二次电气设备组成的便携式变电站，预制舱式变电站具有组装简便、抗风沙、保温等特点，其能够在工厂内完成对整体结构的生产、组装工作，而后将其整体运输到高海拔地区进行安装，既能够保证预制舱式变电站的功能作用全面发挥，又能够减少预制舱式变电站安装所需要消耗的时间，而且其抗风沙、保温等特点也有利于提升其运行的安全性和稳定性，降低外界因素造成的影响，有利于促进高海拔地区电力系统的稳定运行。

3.2 预制舱式变电站在高海拔环境中的优势分析

预制舱式变电站在高海拔地区应用的关键是其保温防护能力和防风沙能力。舱体保温主要由底座保温、框架保温、门板保温、顶盖保温四大部分组成。底座保温：底座夹层内填充聚氨酯发泡料，对于有出线、检修的位置，需要架设挡边防止泡料浸入，发泡厚度根据使用环境确定，不小于50mm，泡料容量不宜低于60kg/m³，聚氨酯泡料需添加防火剂，保温层成型后需达到难燃级别。框架保温：框架各立柱形成的空腔内需填充聚氨酯发泡料，发泡料应添加阻燃剂，保温层成型后达到难燃级别，同时内外两层金属板设置有效的热断桥措施，避免外层热量透过金属层传递到内部。门板保温：门板由内、外板、加强筋构成的空腔内需填充聚氨酯发泡材料发泡料应添加阻燃剂，保温层成型后达到难燃级别，同时内外两层金属板设置有效的热断桥措施，避免外层热量透过金属层传递到内部[2]。顶盖保温：当其使用地点辐射照度在350W/m2[300kCal/(m2×h)]及以上时，顶板涂层采用抗太阳辐射能力强、高耐候性面漆，同时钢板与骨架形成的腔体应填充保温材料，保温材料的厚度根据使用环境而定，最低不低于50mm。

4 项目概况

西藏华电那曲色尼区12万kW 光伏发电电力保供项目位于西藏那曲市色尼区南侧，场址区距那曲市直线距离约8km，地面海拔高程约4500～4600m。该项目采用“牧光互补”用地开发模式，项目拟建设条件地势较为平坦，规划总占地面约3.186km²，实际用地面积约1.5km²，场址区距西侧G109国道约8km，场址区东侧有村村通道路，交通较为便利。拟建场址区位于念青唐古拉山中段北麓，场址区三面环山，南侧沿河谷延伸，地貌单元属于高海拔丘陵山间洼地，地势平坦开阔，起伏小，高程介于4450～4500m，总体地势北高南低，坡度约0.5°～1°。地表发育高原草甸，局部有牧民人工围栏。该工程项目为我国首例高海拔环境预制舱式变电站应用项目。

5 高海拔环境下预制舱式变电站的关键技术和措施

5.1 设计和选型考虑

当海拔升高时，气压随之降低，空气的绝缘强度减弱，使电器外绝缘能力降低而对内绝缘影响很小。因此在进行预制舱式变电站电气设备设计与选型的时候便需要考虑其补偿值的变化，例如西藏华电那曲色尼区12万kW 光伏发电电力保供项目在选择开关设备的时候，对于开关设备以其额定工频耐压值和额定脉冲耐压值来鉴定绝缘能力，对于使用地点超过1000M时，应作适当的校正。空气绝缘开关设备相间距较正常海拔有相应的增加，开关设备外形较正常海拔需相应增大，对于3000M 以上海拔，由于相间距增加值较大，开关设备外形增大程度较大，性价比和安全可靠性降低，故一般高海拔地区的高压开关设备多采用气体绝缘，避免了因海拔增加对空气绝缘距离的影响。

5.2 绝缘材料和设备选用

由于高原地区交通极为不便，而且施工期短，因此，电气设备的采购、运输、安装以及调试比平原地区有许多意想不到的困难[3]。所以，在电气设备选用方面，要对设备的通用性、互换性、经济适用性等各方面因素加以考虑。既需要保证电气设备的性能能够满足高海拔地区的应用需求，又需要考虑其使用寿命等各方面因素，例如西藏华电那曲色尼区12万kW 光伏发电电力保供项目在选用低压电气设备的时候，其动、静触头和导电体以及线圈等部分的温度随海拔高度的增加而递增。其温升递增率为海拔每升高100M，温升增加0.1～0.5K，但大多数产品均小于0.4K。而高原地区气温随海拔高度的增加而降低，其递减率为海拔每升高100M，气温降低足够补偿由海拔升高对电气温升的影响。预制舱舱体密封如图1所示。

图1 预制舱舱体密封

5.3 冷却系统设计和优化

预制舱式变电站冷却系统是保障其功能作用稳定发挥的关键所在，在进行冷却系统设计和优化的时候需要充分考虑预制舱式变电站所处高原恶劣环境造成的影响，高原地区昼夜温差较大，预制舱式变电站冷却系统则能够对内部的温度进行调节，确保满足电气设备的运行需求。预制舱式变电站冷却系统主要由散热器、中冷器和膨胀水箱组成，而在冷却系统设计过程中也要做好其保温与防沙功能，同时在冷却系统运行过程中还需要对其进行实时监测，确保其一直处于可控范围内，能够最大化冷却系统的应用效果。

5.4 气候适应性和防护措施

预制舱式变电站具有较强的保温防护能力和防风沙能力，一般情况下预制舱式变电站所处运行环境都是较为恶劣的，外界温度的变化以及风沙等特殊天气环境因素都将会对预制舱式变电站的正常使用造成严重的影响。而预制舱式变电站较强的防护能力则能够使得其适应多数恶劣天气，并针对风沙等特殊天气进行防护，确保预制舱式变电站处于安全稳定运行状态。预制舱可采用一体化焊装工艺，比较开关柜分体制作与舱体之间的螺栓连接方案，一体化焊接方式整个变电站浑然一体，强度好，耐受长距离运输以及现场多次吊装的要求，体现在抗风性能上，效果最佳[4]。预制舱式变电站的整体密闭性是比较好的，而且其内部还安装有微整压空调等设备，一方面通过空调系统能够对预制舱式变电站内部的温度进行控制，将其维持在满足预制舱式变电站设备运行需求状态，另一方面通过空调系统则能够对预制舱式变电站内的压力进行控制，避免灰尘从外界进入预制舱式变电站内部，从而来保证预制舱式变电站内部运行的安全性和稳定性。舱体开门处采用汽车用双层密封胶条，保证密封效果，其余部件结合处采用三元乙丙橡胶密封材料，进出线处采用密封件或防火泥封堵，保证舱内的密封环境，配合微正压技术，达到舱内防尘、防潮、防凝露的效果。

6 高海拔环境下预制舱式变电站的安全可靠运行

6.1 高海拔环境下的运行条件监测和评估

为了确保预制舱式变电站在高海拔环境中安全稳定的运行，工作人员需要及时做好高海拔环境下运行条件的监测和评估工作，现阶段我国常用的高海拔运行条件监测系统为“非接触式GIS 母线位移监测评价系统”，通过该监测系统不仅能够对预制舱式变电站所处运行环境的温度、湿度等各方面因素条件变化情况进行监测，而且还能够实时监测预制舱式变电站电气设备的运行状态，工作人员根据监测系统所提供的监测数据对预制舱式变电站的运行参数进行调整，便能够有效的提高其运行的安全性和稳定性。

6.2 预防和应对高海拔环境带来的风险

预制舱式变电站在高海拔环境中也可能会出现较大的安全运行隐患问题，因此在进行预制舱式变电站设计安装的时候便需要做好高海拔风险的预防和应对措施。高海拔地区恶劣的环境条件容易对预制舱式变电站内的设备造成严重的磨损，而在进行预制舱式变电站安装的时候便需要做好其防护功能，在进行预制舱式变电站设备材料选择的时候需要保证内部元器件按照高寒地区选型，确保低温下的正常工作运行，舱体结构相关密封材料选用耐低温型，保证-40℃环境下可正常使用[5]。同时在预制舱式变电站应用过程中也要定期做好维护保养工作，及时更换磨损严重的电气设备，以此来保证预制舱式变电站的整体运行安全性。

6.3 维护和检修策略

高海拔环境条件对预制舱式变电站的应用效果造成的影响是较为严重的，维修人员需要及时做好预制舱式变电站电气设备的维护保养工作，一方面维修人员需要缩短电气设备的维护保养频率，按照日、周、月制定对应的维护保养计划，确保及时发现预制舱式变电站存在的安全隐患问题；另一方面维修人员则需要及时掌握电气设备的使用寿命情况，并根据预制舱式变电站的应用需求及时对存在问题的电气设备进行更换，尽可能地避免电气设备故障问题的发生，以此来通过严格的维护保养制度延长预制舱式变电站电气设备的使用寿命。

7 结语

预制舱式变电站在高海拔地区有着极其重要的应用，其较为良好的防风沙和保温等功能能够保护电力设备在高海拔恶劣环境中安全稳定地运行，降低恶劣外界因素对预制舱式变电站造成的影响。在未来的发展过程中，也要不断提高预制舱式变电站的信息化程度，能够更好地提高预制舱式变电站运行的安全性和稳定性，推动高原地区电力事业的快速建设发展。