适应于寒冷地区的户外变电站预制舱舱体优化设计

尹 星，董彬政，王 维，郭朝云

(河北省电力勘测设计研究院，石家庄 050031)

适应于寒冷地区的户外变电站预制舱舱体优化设计

尹 星，董彬政，王 维，郭朝云

(河北省电力勘测设计研究院，石家庄 050031)

针对寒冷地区的气候特点，通过四个方面对预制舱舱体结构进行优化设计：首先，对预制舱外壁进行热力学建模分析，通过对比选择岩棉板作为预制舱保温材料，并经傅里叶热传导定律计算合理选择保温材料厚度；其次，考虑在极寒状况下空调制热模式启动困难，选择电加热膜作为热量补偿器，保证极寒温度下光纤熔接的正常施工；再次，优化设计预制舱屋顶，采用电伴热带实现预制舱屋顶的自动融雪功能；最后，推荐预制舱内设置集中接线屏，底部进线方式，避免“冷桥”现象。

变电站；预制舱；寒冷地区；模块化

1 概述

随着资源节约型与环境友好型社会建设的逐步推进，智能变电站的设计技术逐步向模块化发展。预制舱在变电站中的应用，加快了整站施工进度，提高了工程质量，节约用地，降低成本，为变电站“标准化设计、工厂化加工、模块化建设”提供了有力支撑，符合“资源节约型和环境友好型”变电站建设的要求。我国幅员辽阔，气候差异大的特点，对预制舱的环境适应性提出了较高的要求。

“构建全球能源互联网，服务人类社会可持续发展”的理念被越来越多的国家认可。全球能源互联网是以特高压交流输电网以及特高压直流输变电系统作为全球能源传输通道，特高压直流输变电系统的建设将会涉及全球各大洲，而特高压直流换流站(或柔性直流换流站)接地极一般为无人值守模式，其中二次设备可布置于预制舱内。预制舱户外环境的复杂性不可预测。由此可知，无论在国内还是在国际，预制舱的应用前景广泛。由于其应用的环境复杂多变，因此对预制舱结构进行优化设计，以适应各种低温环境具有重要的现实意义。

2 寒冷地区预制舱运行及施工温度需求

预制舱通常是预制舱组合设备的简称，主要由预制舱体、电气设备、舱体辅助设施等组成[1]。各预制舱组合设备作为功能独立的配电装置模块，全工厂化预制安装调试，现场即插即用，各不同模块现场就位组成完整的变电站或换流站接地极。

国家电网公司《预制舱式二次组合设备技术规范》中要求预制舱环境温度为(-25)～(+55) ℃，极端温度(-40)～(+55) ℃。根据国家电网公司监控系统招标技术规范书，监控服务器正常工作温度为(-5)～(+45) ℃。根据二次设备说明书，220 kV间隔层二次设备工作温度为(-25)～(+55) ℃，储存运输温度为(-40)～(+55) ℃[1]。

因此预制舱需保证在极端温度-40 ℃时，预制舱内设备在运行状态下，舱内温度保持在-5 ℃以上。

而在施工过程中对于光纤熔接和尾缆连接，其环境温度要求为(-20)～60 ℃。在低温环境下光纤会变得脆弱，在施工过程中经常发生光纤断裂的情况。因此，在舱内设备退出运行时，舱内温度需保持在-20 ℃以上。

3 预制舱外壁热传导建模

3.1 热传导原理

3.1.1 傅里叶定律

3.1.1.1 温度场和等温面

温度场为某一时刻物体内各点温度分布的总和。物体的温度分布是空间和时间的函数，可表述为下式。

t=f(x,y,z,θ)

(1)

式中：t为温度；x,y,z为空间坐标；θ为时间。

对于一维场的温度分布表达式为t=f(x,θ)。3.1.1.2 温度梯度

相邻两等温面的温度差Δt与两面间的法向距离Δx之比的极限称为温度梯度，即温度梯度是向量，规定其以温度增加的方向为正，与热量传递方向相反。对稳定的一维温度场，温度梯度可表示为dt/dx。

3.1.1.3 傅立叶定律

傅里叶定律可表述为单位时间内传导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比。

(2)

式中：Q为单位时间传导的热量，简称传热速率，W；A为导热面积，即垂直于热流方向的表面积，m2；λ为比例系数，称为物质的导热系数，W/(m2·K)(或W/(m2·℃)。

式(2)中的负号是指热流方向和温度梯度方向相反，即热量从高温向低温传递。傅立叶定律是热传导的基本定律[3]。

3.1.2 平壁的稳定热传导

假设平壁材质均匀，λ导热系数视为常量(或取平均温度下的导热系数)， 温度只沿着壁厚度方向变化，是一维热传导，等温面为垂直于x轴的平行面。

所谓稳定热传导，导热量Q为常量，在x轴对傅里叶定律积分可得：

(3)

3.2 预制舱工程热传导模型

预制舱舱体外壁导热系数为保温板的30～40倍，且预制舱舱体外壁的厚度与保温板相比，可以忽略。因此从热传导原理考虑，预制舱工程热传导可采用平壁热传导模型计算。

当预制舱投入运行后，短时间内，外部环境温度不会突变，可设为常量，根据傅里叶定律可得Q=f(t1)，舱内温度t1与Q为一一对应函数关系。当舱内补偿功率Q1应等于散热量Q2时，舱内温度t1将会恒定，可用平壁稳定热传导模型。

预制舱的稳定热传导示意如图1所示。

图1 预制舱稳定热传导示意

4 预制舱抗低温结构设计方案

4.1 保温材料的选择

4.1.1 防火要求

我国现行的GB 8624—2006《建筑材料及制品燃烧性能分级》将建筑材料分为A1、A2、B、C、D、E和F 7个等级。GB 8624—1997《建筑材料燃烧分级方法》中，将建筑材料分为A级不燃材料(匀质材料)、A级不燃材料(复合材料)、B1难燃材料、B2可燃材料和B3级易燃材料5个等级。由于新旧版本对燃烧材料性能的分级划分和评价体系有较大差异，2007年公安部消防局下发了《关于实施国家标准GB 8624-2012<建筑材料及制品燃烧性能分级>若干问题的通知》，规范了新旧标准中不同分级划分的对应关系[2]。新旧标准对应表如下表1所示。

表1 新旧标准对比表

名称级别GB8624—1997GB8624—2006不燃材料(匀质材料)不燃材料(复合材料)难燃材料可燃材料易燃材料AB1B2B3A1A2BCDEF

预制舱一般布置于配电装置区，对隔热材料还要求有防火性能有较高的要求，需按照不燃材料进行设计。

4.1.2 常见保温材料的种类及特点

二次设备预制舱应尽可能采用热导系数小的高效保温隔热材料，以减少保温层的厚度，提高室内使用面积。目前主要的保温材料有聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料、岩棉板、玻璃棉等。其材料性能对比见表2。

表2 保温材料性能对比表

保温材料导热系数燃烧等级优点缺点聚苯板0.038～0.041B1/B2保温效果好,价格便宜燃烧等级低石墨聚苯板0.038～0.032B1保温效果好燃烧等级较低挤塑聚苯板0.028～0.032B1/B2保温效果好,强度高,耐超湿施工表面需处理,燃烧等级低聚氨酯泡沫塑料0.025～0.028B1/B2保温效果好,强度高,耐超湿价格较贵,燃烧等级低酚醛泡沫板0.023～0.030B1保温效果好,强度高,耐超湿施工表面需处理,燃烧等级较低岩棉板0.037～0.046A防火,耐老化,不燃烧强度较低,吸湿性能较强珍珠岩等浆料0.07～0.09A防火,耐高温,耐老化,不燃烧保温效果差,吸水性能高

4.1.3 材料选择

由表2可知，聚氨酯的热阻性能和环保性能均优于岩棉板，但防火性能次于岩棉板，且目前岩棉板在加工工艺和施工成本方面均占有较大优势，因此，现阶段二次设备舱普遍采用岩棉板作为保温材料。待技术发展后，可考虑用性能更优的材料替代。

4.1.4 保温材料厚度设计计算

取极端温度最低值t2=-40 ℃，设置目标舱内温度t1=-5℃，取岩棉热传导系数最大值λ=0.046，即保温性能最差时。采用II型预制舱计算，尺寸为12 m×2.8 m×3.2 m，其散热面积按最大计算，则A=162 m2。

预制舱内补偿热功率主要有舱内二次设备运行时所散发的热量以及空调(或加热器)补偿热功率。

以220 kV智能变电站为例，预制舱内二次设备散热量统计表[4-5]如表3所示。

表3 预制舱内二次设备散热量统计表

装置名称正常功耗/W设备数量/台总正常功耗/W保护装置5019950测控装置5011550交换机(16光口)504200交换机(8/12光口)3016480交换机(电口)506300网络分析单元1202240故障录波装置1204480GPS对时装置1202240直流分电屏10110

预制舱内设备散热量Q1=3 450 W。

则根据平壁的稳定热传导计算公式(式3)：

根据计算结果，若不采用其他加热措施，仅靠二次设备自身发热量，则岩棉保温层至少76 mm厚。

经上述计算，并且考虑一定裕度，建议预制舱采用不小于80 mm的岩棉保温板，即可保证预制舱内二次设备投入运行后，舱内温度维持在-5 ℃以上。

4.2 加热设备选择

当预制舱内二次设备退出运行时，需采取其他加热措施，保证舱内最低工作温度为-20 ℃。

根据热力计算公式(式3)，需补偿热量为：

因此预制舱内制热功率应不小于1 490 W。当外部环境温度过低时，空调在加热模式下启动较为困难，因此可考虑采用电地暖的加热方式。根据上述计算结果，电地暖功率可选2 000 W。

预制舱电缆夹层高度空间一般为200 mm，考虑到接线维护的便利性以及加热系统的可靠性，加热源的厚度的选择不宜超过100 mm，因此可选择电热膜式加热器。经计算，预制舱地板夹层可用于安装电热膜的区域为5×1.4=7 m2，分别选择宽度为500 mm和800 mm的电热膜1套，则可铺设面积为5×1.3=6.5 m2。如下图2所示。

图2 预制舱电加热示意

4.3 防雪措施设计方案

为了避免冬季积雪过后，产生屋面变形渗水，甚至裂缝，减少因长期潮湿环境对舱体结构和支撑件的腐蚀，应保持天沟的通畅，及时将融雪排走。因此预制舱采用双坡屋顶，部分顶部结构现场搭建，增大屋面坡度。屋面采用散排水方式，屋檐不设女儿墙。同时在屋面敷设自限温式电伴热带，在舱顶相关位置安装结冰(或温湿度)传感器，由舱内温控器通过控制电伴热带加热电源功率实现自动融雪功能。

4.4 优化预制舱对外走线以避免“冷桥”现象

“冷桥”现象是指房屋外墙转角、内外墙交角、楼屋面与外墙搭接角的区域范围，在室内温度高于室外温度时，产生水雾吸附于墙面的现象称为“冷桥”现象。北方是“冷桥”现象多发的地区，因为冬天北方天气比较寒冷，室内外温度差异较大，在屋内外的连接处由于局部的导热系数变大，热传递能力增强，导致局部温度剧降，屋内的热空气遇冷形成水雾吸附于墙体，便会出现房屋潮湿、霉变的现象。

对于预制舱而言，避免“冷桥”现场的发生，对于舱体的保温性，及舱体的使用寿命具有重要的意义。目前，预制舱对外走线有2种方案：一种为舱内外开门，设置防雨棚，可在预制舱外施工接线，此方案便于施工，但由于需改变舱体结构，内外开门增加转角数量，易发生“冷桥”现场，且对于舱体的保温性有较大损伤，因此不推荐采用；另一种为预制舱内设置集中接口柜，底部进线方式。此方案不破坏舱体结构，保温性能好，可以避免“冷桥”现象以及沙尘侵入，可推荐采用。预制舱对外走线如图3所示。

图3 预制舱对外走线示意

5 结束语

预制舱式二次组合设备具有施工简便，施工周期短，可维护性高的特点，适用于无人值守的户外模块化变电站及换流站或柔性直流换流站的接地极。通过合理优化预制舱的结构设计，以适应低温运行及施工环境，可以提高预制舱的环境适用范围，推广应用前景广泛。

[1] Q/GDW 11157—2014，预制舱式二次组合设备技术规范[S].

[2] GB 8624—2012，建筑材料及制品燃烧性能分级[S].

[3] 沈维道，童钧耕. 工程热力学[M]. 北京：高等教育出版社，2016.

[4] 国家电网公司. 国家电网公司输变电工程通用设计：35 kV～110 kV智能变电站模块化建设施工图设计[M].北京：中国电力出版社，2016.

[5] 包红旗.智能模块化变电站[M]. 北京：中国水利水电出版社，2016.

Prefabricated Cabin Structure Optimized Design in Outdoor Substation for Adapting to Cold Region

Yin Xing，Dong Binzheng，Wang Wei，Guo Chaoyun

(Hebei Electric Power Design & Research Institute，Shijiazhuang 050031，China)

According to the climate characteristics, optimizes the design of the prefabricated cabin structure in four aspects.First,the thermal modeling of the outer wall of the prefabricated cabin is carried out.Through comparison,the rock wool board is selected as the insulation material of the prefabricated cabin, and the thickness of the insulation material is reasonably selected by the Fourier heat equation.Secondly,in the extreme cold condition, it is difficult to start the air conditioning heating mode, and the electric heating screen is selected as the heat compensator to ensure the normal construction of the optical fiber welding under the extremely cold temperature. Thirdly, the roof of prefabricated cabin is optimized,and the automatic snow melting function of prefabricated cabin roof is realized by adopting electric heating belt.Finally, it is recommended that the centralized wiring panel and the bottom line approach be installed in the prefabricated cabin to avoid the "cold bridge" phenomenon.

substation;prefabricated cabin;cold region;modular

2017-08-25

尹 星(1988-)，男，工程师，主要从事电力系统继电保护、自动化及二次系统方面的设计和研究工作。

TM63

B

10001-9898(2017)06-0039-03

本文责任编辑：齐胜涛