非金属模块化预制舱式变电站节能环保关键技术

左 涛 刘建涛 蒋 强 朱西平

非金属模块化预制舱式变电站节能环保关键技术

左 涛1,5刘建涛2蒋 强3,5朱西平4,5

（1. 乐山一拉得电网自动化有限公司，四川 乐山 614000；2. 西南交通大学，成都 611756；3. 乐山师范学院，四川 乐山 614000；4. 西南石油大学，成都 610500；5. 四川省预制舱式电力设备工程技术研究中心，四川 乐山 614000）

随着我国双碳战略目标持续深化落地实施，对变电站建设在绿色低碳、节能环保方面的要求越来越高。本文以四川省乐山市建成投运的龙口110kV非金属模块化预制舱式变电站为研究对象，深入分析和探讨非金属预制舱式变电站设计、生产与应用服役过程中涉及的高性能纤维预制舱技术、预制舱绿色模块化设计技术、预制舱建筑节能技术、预制舱声屏障降噪技术、预制舱式变电站电磁辐射控制技术等节能环保关键技术，对实现预制舱式变电站全生命周期绿色化、低碳化具有重要意义，可为此类电力设备的应用推广提供技术支撑。

非金属；预制舱式变电站；能耗；节能环保；污染

0 引言

变电站建设对我国经济社会的发展具有举足轻重的作用，其建设模式主要有传统土建变电站、钢结构变电站、预制舱式变电站三种。前两种建设模式存在能源消耗大、环境污染重、建设周期长、工程造价高、建设质量难以掌控、现场施工量大、安全风险高等诸多问题[1-4]，已无法满足我国新时代大规模建设变电站的要求。预制舱式变电站建设模式采用“标准化设计、工厂化加工、装配式建设”方式，可以很好地克服前两种建设模式的弱点，但是业内采用的预制舱体普遍为金属钢材，而金属材料受限于自身固有特性，存在耐腐蚀性差、低温易脆断、高温传热快、保温隔热性能较差等缺点，尤其是为满足国网对预制舱服役寿命不小于40年的要求，必须对钢结构舱体进行六道防腐工艺处理[5-9]，这会耗费大量能源并产生环境污染，极大地阻碍了预制舱式智能变电站的推广和应用。

近年来，随着新技术、新材料和新工艺的出现及应用，为克服金属预制舱的缺陷和弱点，一种以高性能纤维（如玄武岩纤维）为改性掺料的非金属复合材料预制件应运而生，该预制件集中了高性能纤维、高分子材料和金属钢材的性能优势，使以该预制件作为预制舱体的非金属预制舱具有能源消耗低、环境污染小、抗腐蚀能力强等优点[10]。

随着我国双碳战略目标的深化落地实施，电力工业必须加快与社会经济发展相适应的转变，非金属模块化预制舱式变电站很好地契合了新时代我国变电站建设节能环保、绿色低碳、高质量可持续的发展要求，因此开展该种电力设备的研究，突破其设计、生产与应用服役过程中涉及的节能环保关键核心技术，对实现预制舱式变电站全生命周期绿色化、低碳化具有重要意义。

本文以四川省乐山市建成投运的龙口110kV非金属模块化预制舱式变电站为研究对象，对应用其中的多项节能环保关键技术进行分析和探讨，以期为此类设备的应用推广提供关键技术支撑和有价值的参考。

1 非金属模块化预制舱式变电站

与传统土建变电站和钢结构变电站建设模式不同，龙口110kV非金属模块化预制舱式变电站由多个模块化功能预制舱组合而成，各舱舱体和舱顶采用具有非金属属性的玄武岩纤维复合预制件，通过干式工法拼装而成。预制舱内部电力设备在工厂内完成制作、组装、配线、调试等工作后，以模块化箱房形式整体配送至变电站建设现场进行吊装、组合、就位，变电站现场仅需完成土建基础施工，使传统的串行施工变为土建施工和设备生产两部分并行[11-12]，从而快速完成变电站建设，是一种创新的快速配送式、快速装配式变电站建设模式，具有能源消耗低、环境污染轻、建设速度快、占地面积小、能节省建设投资、布置方式灵活、使用寿命长、安全可靠、绿色环保、外型美观等诸多优点，极大地满足了智能变电站建设一、二次系统集成化、装配模块化、建设过程工厂化、施工简单化、外型美观化的要 求。图1为龙口110kV非金属模块化预制舱式变电站实景。

图1 龙口110kV非金属模块化预制舱式变电站实景

2 变电站高性能纤维预制舱技术

变电站预制舱是承载变电站各类设备，保证设备正常运行和满足专业人员现场作业环境要求的重要部品，控制和减少其生产能耗是降低变电站建设总能耗的关键一环。

变电站高性能纤维预制舱分为舱底、舱体和舱顶三部分。舱底采用H型钢和槽钢焊接而成，舱体和舱顶采用玄武岩纤维复合预制件，这是一种以玄武岩纤维作为混凝土改性掺料，以低碱快硬硫铝酸盐水泥作为胶凝材料，与聚苯乙烯泡沫、河砂、水、化合物等多种集料按特定比例混合搅拌后（其主要集料组分配比含量见表1[13]），经高压喷射浇筑在用槽钢、钢筋制作成型的模具内，经24h静置形成的纤维复合预制件产品[12]。

表1 玄武岩纤维复合预制件主要集料组分配比含量

采用干式工法将该预制件拼装焊接在舱底框架上，经内外装饰装修后即可形成预制舱。高性能纤维预制舱生产工艺路线如图2所示。

高性能纤维预制舱由于采用水泥、河砂等非金属集料作为主要组分，其抗腐蚀能力强，省去了金属钢结构预制舱的六道防腐工艺，且其主要集料的单位产量综合能耗也低于金属钢结构预制舱所需材料的单位产量综合能耗，从而有效节省了能源消耗、降低了环境污染。

图2 高性能纤维预制舱生产工艺路线

根据文献[14]，以玄武岩纤维复合预制件作为舱体的龙口110kV非金属模块化预制舱式变电站的生产（含运输和施工）能耗为6 654.35kg标准煤，而同样规模的金属钢结构预制舱的生产能耗为8 910.82kg标准煤，因此采用高性能纤维预制舱可以节约2 256.47kg标准煤，相当于减少5 618.6kg二氧化碳排放，其原因在于高性能纤维预制舱的生产工艺比金属钢结构预制舱的生产工艺节约能耗28%，充分体现了高性能纤维预制舱绿色低碳、节能减排的性能优势。

3 预制舱绿色模块化设计技术

该技术将预制舱式变电站各预制舱和变电站建（构）筑物按照产品全生命周期的功能属性和绿色属性进行模块化划分，本文将预制舱式变电站划分为110kV气体绝缘金属封闭开关设备（gas insulated switchgear, GIS）预制舱、主变压器预制舱、10kV开关设备预制舱、二次组合设备预制舱、电容器成套装置预制舱、接地变消弧线圈预制舱、生活预制舱7个模块化预制舱，将建（构）筑物划分为围墙、防火墙、电缆沟、电缆沟盖板和构支架等建构筑物模块，据此形成以一、二次电气设备和土建设施基本属性为核心的智能变电站基本模块，通过建筑信息模型（building information modeling, BIM）信息化工程管理技术，搭建各基本模块结构模型，采用基于模块化产品族模型的模块配置方法，建立客户多样化需求到模块特征参数的映射过程，通过相似度算法进行模块检索，提高检索效率，缩短设计 时间。

各预制舱在工厂内生产制造检验完毕后，以模块化箱房形式整体配送至变电站施工现场，现场仅需通过积木模块化组合和机械化快速装配，即可实现预制舱式变电站的整体交付，解决了传统变电站建设模式环境影响大、建设成本高、现场工作量大、施工周期长、建设质量难以掌控的问题，实现了从建一座变电站向买一座变电站转变[15-16]。

采用绿色模块化设计技术的预制舱变电站比传统的土建变电站和钢结构变电站建设模式减少运输和施工能耗及二氧化碳排放50%以上，减少建设施工扬尘80%以上，减少建设施工噪声90%以上，建设施工过程中的节能环保效果显著。

4 预制舱建筑节能技术

预制舱变电站是一种特殊的工业建筑，具有工业建筑的多样性、功能的专一性及特殊功能的使用性，其功能和结构较为复杂，其主要能耗之一为投运之后预制舱采暖、通风、空调、照明中的资源能源消耗。根据文献[17]，预制舱变电站属于一类工业建筑，其节能设计可通过合理的预制舱围护结构保温隔热设计，降低采暖、空调等环境温度控制设备的能耗，重点可从预制舱式建筑形态设计和预制舱热工特性控制两个技术方面着手。

4.1 预制舱式建筑形态设计

根据文献[17]和GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》，将建筑物体型系数控制在0.5以下，可减少传热损失，有利于建筑节能。

本文中的二次组合设备预制舱与10kV开关设备预制舱是散热量较大的两个模块化预制舱，为减少散热，形成舱内良好的微环境，将二次组合设备预制舱置于10kV开关设备预制舱上方，形成双层立体布局设计结构，如图3所示。经计算，基于双层立体布局的组合预制舱的外表面积为626.3m2，所包围的面积为1 270.6m2，体型系数为0.49，满足建筑体型系数不大于0.5的形态设计要求。

图3 基于双层立体布局的组合预制舱

此外，合理的屋面坡度既可以迅速排水、减小冬季屋面覆雪荷载，又使建筑造型不过于简单呆板，按照Q/GDW 11882—2018《预制舱式10kV～35kV一二次组合设备技术规范》的要求，本文预制舱采用双坡屋顶结构，舱顶坡度不小于5%，以预防积水和积雪，同时做好舱顶防水，防水等级为Ⅰ级。在预制舱内饰过程中，采用骨架式集成吊顶，可以形成良好的保温隔热层，既美观大方又有助于舱内温度保持稳定，减少空调和通风系统的能耗。

4.2 预制舱热工特性控制

与公共建筑和民用建筑以保温隔热为主要需求的热工特征不同，变电站各预制舱内的电力设备发热功率各有差异，因此预制舱热工特性对能耗的影响效果应充分考虑不同的预制舱内热源功率密度水平，以及由此产生的热传递方向和环境控制设定温度等热工特征[18]。因此，可以通过优化调整各功能预制舱舱体、舱顶和舱底的传热系数，充分考虑计及太阳辐射热的预制舱热工特性，控制热量在舱体材料里的传递方向和速度，使不同功率密度的预制舱有效散热或隔热，从而减少空调、风机等环境控制设备的工作负荷，形成合理的舱内小气候，达到节能的目的。

对110kV GIS预制舱、电容器成套装置预制舱、接地变消弧线圈预制舱等具有较低功率密度水平的预制舱而言，舱体传热以得热为主，传热方向为舱外向舱内传递，良好的保温隔热性能可减少舱外与舱内的热量交换，其节能效果随着围护结构综合传热系数的减小而增强，且随舱内环境控制设定温度的降低而增强，因此舱体的综合传热系数应考虑低值，控制在0.5W/(m2∙K)左右。对二次组合设备预制舱和10kV开关设备预制舱等具有较高功率密度水平的预制舱而言，舱体传热以散热为主，传热方向为舱内向舱外传递，隔热保温结构会阻碍舱内热量向舱外传递，其节能效果随着舱体传热系数的增大而增强，随舱内环境控制设定温度的升高而增强，因此舱体的综合传热系数应考虑高值，控制在5W/(m2∙K)左右。

虽然预制舱舱顶采用与舱体一致的玄武岩纤维复合预制件，但是舱顶由于直接受太阳辐射面积大、时间长而成为节能设计的关键部位，因此优化预制舱舱顶太阳辐射吸收系数非常重要。太阳辐射吸收系数越低，舱顶受太阳辐射热的影响越小，预制舱的节能效果越明显。经测试，通过在舱顶受阳面涂刷高反射率隔热屋面涂料，可以将舱顶太阳辐射吸收系数控制在0.1左右。

由于预制舱舱底下方为混凝土基础电缆沟，空气对流速度较低，不论冬季还是夏季，舱底都无太阳辐照，因此舱底以保温隔热为主。本文舱底采用0.002m厚的钢板，中间为0.2m高的钢支架和空气夹层，其上铺设30mm厚的陶瓷防静电地板[19]，其综合传热系数为0.027W/(m2∙K)。

由此，通过同时优化综合传热系数和太阳辐射吸收系数，并按照预制舱内热源功率密度水平进行最优参数组合，可达到最佳的节能效果。不同功率密度水平的预制舱最优节能参数组合见表2。

表2 不同功率密度水平的预制舱最优节能参数组合

5 预制舱声屏障降噪技术

变电站的运行噪声会给周边居民日常生活带来一些干扰，控制和减少预制舱式变电站的噪声，将变电站厂界噪声控制在昼间不超过55dB(A)、夜间不超过45dB(A)的工业企业厂界环境噪声排放1类标准[20]，对预制舱式变电站的环保性能意义重大。

预制式变电站的噪声主要来源于两部分：一是各预制舱内电气设备（如主变、GIS、10kV开关设备、二次组合设备、电容器、接地变消弧线圈等）运行的声音，穿透预制舱体向外传递的噪声；二是预制舱空调外机及风机运行时向外直接辐射的噪声。预制舱式变电站噪声传播的主要途径如图4所示。其中，主变等电气设备、空调外机和风机是主要的噪声源，要使变电站站界噪声达到1类标准限值，需对主要噪声源进行相应的降噪处理。

5.1 主变压器声屏障降噪散热调控技术

主变压器作为主要噪声源，是预制舱式变电站降噪处理的重点。在变压器周围安装隔声罩是一种高效快速的降噪解决方案，目前Box-in形式的隔声罩在换流变降噪处理实践中已广泛应用[21]。本文借鉴Box-in隔声罩的应用经验，在主变压器外安装整体隔声罩，并进行隔声罩基础构件、主体构件及其辅助构件的施工、安装和调试。可以借助Cadna/A噪声模拟软件系统通过模拟分析来确定隔声罩高度及距离主变的位置，本文选择隔声罩高度10m、距离变压器5m的位置较佳。主变压器Box-in隔声罩如图5所示。

图4 预制舱式变电站噪声传播的主要途径

由于隔声罩将变压器散热片、本体、中性点避雷器等器件均包裹在内，且罩体靠近变压器，自然通风与散热动力不足，需要设置进排风消声器并配备强制送风机，才可以满足主变压器散热与消除噪声的要求[22]，因此设计好主变压器隔声罩风机通风量是关键。

图5 主变压器Box-in隔声罩

根据乐山当地夏季高温数据，按夏季不利条件下进风温度30℃考虑，此外考虑本文中变压器对散热要求高，所以设计隔声罩内温度不超过35℃。结合变压器铭牌给出的参数，变压器负载损耗174.2kW，空载损耗23.8kW，可依据式（1）[22]计算后取整，即可得出达到主变压器散热要求所需要的送风量。

式中：为达到主变压器散热要求所需送风量（m³/h）；n为变压器负载及空载损耗（kW）；n为隔声罩内限定最高温度（℃）；w为夏季室外最高进风温度（℃）。

经计算，主变压器隔声罩风机通风量为120 000m3/h。强制送风机设置手动控制和温度自动控制两种方式，当主变压器隔声罩内空气温度达到限定最高温度时起动风机，以满足主变压器散热需求。

5.2 空调外机及风机的噪声控制

预制舱空调外机及风机运行时，会直接向外界辐射噪声。本文在空调、风机处加装阻抗复合式消声器，在空调安装固定支架处配置弹性材料，实现对空调和风机本体噪声的有效控制。此外，在舱内增加2cm厚隔音棉专用门，将空调安装在预制舱同一端，在空调外部使用消音材料设立隔断等措施也有效减小了空调和风机噪声。

为检测预制舱式变电站厂界环境噪声，按照GB 12348—2008《工业企业厂界环境噪声排放标准》规定的方法，在变电站厂界外1m、高度1.2m以上、距任一反射面距离不小于1m的位置进行检测，布点示意图如图6所示。

图6 变电站厂界环境噪声检测布点示意图

经实测，预制舱式变电站厂界环境噪声检测结果见表3。

表3 预制舱式变电站厂界环境噪声检测结果

可见，龙口110kV预制舱式变电站厂界环境噪声的排放值昼间低于50dB(A)，夜间不大于42dB(A)，达到GB 12348—2008《工业企业厂界环境噪声排放标准》规定的1类标准，有效控制和减少了环境噪声污染。

6 预制舱式变电站电磁辐射控制技术

与常规传统变电站一样，预制舱式变电站中的高压输电线路、变压器、高压断路器、隔离开关及互感器等高压电力设备在运行时均会产生电磁波，进而产生电磁辐射，会对周围环境产生电磁辐射污染[23-24]，控制和减少预制舱式变电站电磁辐射的技术和方法与常规传统变电站基本一致，可采用将电气设备集成在非金属预制舱体内，选用全封闭GIS，提高变电站金属构件制作工艺，确保电气设备导电元件接触部位紧密连接，减小因接触不良而产生的火花放电，进出线电缆采用经电缆沟敷设，控制好电缆沟内交直电缆间的最小间距[25-27]并做好接地等技术措施。

经实测，预制舱式变电站所在区域电磁环境检测结果见表4。

表4 预制舱式变电站所在区域电磁环境检测结果

可见，采取上述措施后，预制舱式变电站厂界外5m区域工频电场强度低于0.01kV/m，工频磁感应强度低于0.03mT，满足GB 8702—2014《电磁环境控制限值》规定的变电站围墙外居民区域工频电场强度≤4kV/m，公众全天辐射时工频磁感应强 度≤0.1mT的要求。

7 结论

本文以四川省乐山市建成投运的龙口110kV非金属模块化预制舱式变电站为研究对象，通过对变电站高性能纤维预制舱技术、预制舱绿色模块化设计技术、预制舱建筑节能技术、预制舱声屏障降噪技术、电磁辐射控制技术等节能环保关键技术的研究和分析，表明以玄武岩纤维复合预制件作为舱体的非金属模块化预制舱式变电站比传统土建变电站、钢结构变电站及金属钢结构预制舱，在节能环保方面更具优势，为我国双碳战略背景下应用推广此类电力设备提供了参考。

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Key technologies for energy conservation and environmental protection of non-metallic modular prefabricated cabin substations

ZUO Tao1,5LIU Jiantao2JIANG Qiang3,5ZHU Xiping4,5

(1. Leshan ELECT Electrified Wire Netting Automation Co., Ltd, Leshan, Sichuan 614000; 2. Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756; 3. Leshan Normal University, Leshan, Sichuan 614000; 4. Southwest Petroleum University, Chengdu 610500; 5. Sichuan Prefabricated Cabin Power Equipment Engineering Technology Research Center, Leshan, Sichuan 614000)

With the continuous deepening and implementation of China’s carbon peaking and carbon neutrality goals, the requirements for green, low-carbon, energy-saving and environmental protection of substation construction are getting higher and higher. In this paper, the Longkou 110kV non-metallic modular prefabricated cabin substation completed and put into operation in Leshan City, Sichuan Province is taken as the research object, and the key energy-saving and environmental protection technologies involved in the design, production and application of non-metallic prefabricated cabin substation such as high-performance fiber prefabricated cabin technology, prefabricated cabin green modular design technology, prefabricated cabin building energy-saving technology, prefabricated cabin sound barrier noise reduction technology, and electromagnetic radiation control technology of prefabricated cabin substation are deeply analyzed and discussed, which provides key technical support for the application and promotion of this kind of power equipment.

non-metallic; prefabricated cabin substation; energy consumption; energy conservation and environmental protection; contaminate

2024-01-22

2024-02-04

左 涛（1977—），男，四川彭山人，硕士，教授级高级工程师，主要从事220kV及以下电气成套开关设备的研发设计和生产制造工作。

四川省科学技术厅2022年第四批省级科技计划项目（2022ZYGX005）