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1 6 内蒙古电力技术 INNER MONGOLIA ELECTRIC POWER doi: /j.issn 智能变电站预制舱在内蒙古地区的 环境适应性分析 聂建春, 张振, 王安, 白秀梅, 张晓妍 ( 内蒙古电力经济技术研究院, 呼和浩特 ) 摘要 : 通过建立智能变电站预制舱框架结构强度分析有限元模型, 计算了在内蒙古地区积雪 强风和地震载荷下预制舱结构的强度 刚度及变形情况 利用热力学仿真软件分别建立复合墙体 顶部保温层 底部保温层以及防静电地板的等效传热模型, 采用实体模型建立电力二次设备屏柜及装置插箱并赋予插箱额定功耗, 分析了其在极端温度下的保温性能 并结合内蒙古地区污区情况, 对预制舱的耐腐蚀性能进行了分析 计算分析结果表明, 预制舱结构能够满足内蒙古地区的环境载荷要求 关键词 : 智能变电站 ; 预制舱 ; 环境适应性 ; 数值模拟 ; 围护系统文献标志码 :B 中图分类号 :TM63 文章编号 : (2018) Environmental Adaptability Analysis on Intelligent Substation Prefabricated Cabin in Inner Mongolia NIE Jianchun, ZHANG Zhen, WANG An, BAI Xiumei, ZHANG Xiaoyan (Inner Mongolia Electric Economy and Technology Academy, Hohhot , China) Abstract:By establishing the finite element model for the strength analysis of the prefabricated cabin structure of the intelligent substation, the strength, rigidity and deformation of the prefabricated cabin structure under snow, strong wind and earthquake load in Inner Mongolia area were calculated. Through establishing the heat transfer model of composite wall, the insulating layer of the top and the bottom, and the anti-static floor using the thermodynamic simulation software, the establishment of the two power equipment cabinet and device box, gave box rated power by the entity model, the extreme temperature insulation performance was analyzed. The corrosion resistance of the prefabricated cabin was analyzed in the polluted area in Inner Mongolia. The results of calculation and analysis showed that the structure of prefabricated cabin met the requirements of environmental load in Inner Mongolia area. Key words:intelligent substation; prefabricated cabin; environmental adaptability; numerical simulation; enclosure system [ 收稿日期 ] [ 作者简介 ] 聂建春 (1978), 男, 内蒙古人, 硕士, 高级工程师, 从事电网变电工程项目评审工作

2 聂建春, 等 : 智能变电站预制舱在内蒙古地区的环境适应性分析 7 1 智能变电站预制舱结构介绍随着国家电网公司的全预制式 装配式变电站和新一代智能变电站试点工作的开展, 国内出现了许多变电站建设模块化产品 智能变电站预制舱结构是装配式变电站的重要组成部分, 是 1 种新型电力设备的结构载体, 属于变电站标准化设计与全寿命周期管理理念有机结合的产物 预制舱结构基于现有户外箱式变电站产品的成熟制造技术, 将许多必须布置于室内的配电装置以及相关构筑物转化为室外布置, 是集支撑与围护 内部空间与配电装置于一体的成套设备的组合 预制舱结构满足变电站建设以及改造中一 二次系统集成化 装配模块化 建设过程工厂化 施工简单化的 四化 要求, 除具有布置方式灵活 布局紧凑 建站周期快 占地面积小 产品质量精 整体投资省及节能环保等特点外, 还具有人机操作环境好 机械强度高且安全可靠性强的特点 预制舱结构集成了变电站内主要设备, 并通过提高变电站工厂预制化程度, 实现由 建造 变电站模式到 装配 变电站模式的创新 该结构的使用有利于解决变电站建设周期不断被压缩 现场施工效率与建设质量矛盾日益突出 变电站建设工地环保措施愈加严格, 以及现场调试工作量大 调试环境恶劣及调试进度受制于施工工期等一系列问题, 并将进一步促进 标准化设计 工厂化加工 配送式 [1] 建设 新理念的实现 正在逐步展开 2.2 结构特点预制舱舱体为钢梁框架结构, 舱体骨架采用整体焊接方式, 骨架和承重横梁均选用优质钢材 框架间的围护墙体采用由金邦板 通气层 防湿密封薄膜 欧松板 岩棉复合板保温隔热夹层 钢结构 ( 薄壁方管 ) 聚氨酯保温板等材料组成的复合结 [2] 构 舱体顶部由彩钢瓦轻型板材及聚氨酯复合板组成, 并通过层层相扣形式组接而成 舱体底部采用由 Q235 钢板及 600 mm 600 mm 钢制水泥夹心防静电地板构成 为了节省内部空间, 提高利用率, 通常采用双舱拼接结构, 且两舱间不允许有立柱 预制舱结构如图 1 所示 a 预制舱外观结构舱体中间保温层舱体外装饰层舱体骨架 2 预制舱结构的应用现状及结构特点 2.1 应用现状 2012 年国家电网公司正式提出 配送式智能变电站 试点建设方案,2013 年有 2 批配送式试点项目投运,2014 年制订了关于预制舱 预制电缆光缆等配套设备企业标准 ;2015 年正式发布了 110(66)kV 智能变电站模块化建设通用设计标准 2016 年国家电网公司基建部印发了关于 2016 年推进智能变电站模块化建设工作要点的通知, 要求完成 100 项模块化建设示范工程 其后有一大批代表性变电站投入使用, 如太原南 500 kv 变电站 廊坊南 500 kv 变电站 富平 330 kv 变电站等 内蒙古地区已建成的变电站大都为全户内 GIS 变电站, 近年来随着电网技术的快速进步, 内蒙古电网也正在向智能化转变, 预制舱结构的试点工程 舱体内保温层 b 预制舱舱体构造图 1 预制舱结构 3 预制舱结构在内蒙古地区的适应性分析调查发现, 内蒙古地区变电站站址区域环境多具有高污秽等级 高地震烈度 强风沙及高寒的特点, 对智能化电力设备的安全可靠性提出了更高的要求 以钢型材焊接成型的舱体结构体系能否适应内蒙古的区域环境条件, 其抗震 抗风 抗积雪覆冰荷载 耐腐蚀及保温性能等都需要进行深入分析

3 8 内蒙古电力技术 研究 3.1 预制舱结构的有限元建模 本文研究的舱体为钢材框架结构 预制舱外形 尺寸为 mm 2800 mm 3133 mm 结构框架示 意图如图 2 所示 构件材质均为 Q235B 拉条采用直 径为 8 mm 的钢管 其余结构参数见表 1 预制舱内 部沿长度方向布置 2 列电力二次设备屏柜 靠门一 侧布置 11 台 另一侧布置 14 台 应按均匀分布考虑 故μr 为 1.0 分析内蒙古地区冬 季覆雪情况后设定预制舱结构顶部积雪厚度为 0.3 m 雪的密度取 0.7 kg/m3 屋顶雪载按屋顶支撑 梁的分布情况进行分配 经过软件仿真分析得出其 应力应变情况 荷载作用下结构最大变形云图见图 3 应力云图见图 4 图 3 雪荷载作用下的变形云图 图 2 预制舱结构框架示意图 构件名称 表1 构件结构参数 材质 长度/mm 墙面檩条 方形钢 80/50/41 屋面檩条 方形钢 地面梁 H 形钢 门架钢柱/梁 方形钢 注 1 指长/宽/高 60/50/4 200/200/8 150/150/6 100/50/5 建立模型时考虑了预制舱结构自重及其内部 机柜等设备的载荷 并将其分别分配到对应的钢结 构框架上 采用有限元软件 MIDAS/GEN8.0 建立模 型 其中钢架梁柱 底梁 檩条等均采用梁单元对预 制舱框架进行力学仿真模拟 拉条采用拉桁架单元 模拟 本模型共包含节点 197 个 单元 349 个 其中 梁单元 285 个 桁架单元 64 个 3.2 预制舱舱顶积雪仿真分析 积雪以静载的形式对预制舱顶部施加压力 使 舱顶构件产生形变 积雪冰冻后温度变化也会改变 钢型材结构的刚度特性 [3] GB 建筑 结构荷载规范 规定 雪荷载计算公式如下[4] Sk = μr S0 1 2 式中 Sk 雪荷载标准值 kn/m μr 屋面积雪分布系数 S0 基本雪压 kn/m2 内蒙古地区基本雪压按 50 a 重现期的雪压 0.6 kn/m2 计算 预制舱结构屋面为单跨双坡面 其屋面 坡度角为 6 规范规定 当屋面坡度角 25 时 雪载 图 4 雪荷载作用下的应力云图 雪荷载作用下 结构最大应力值为 28 MPa 最 大变形值为 2.3 mm 仿真分析结果表明 雪变形量 最大位置主要集中在预制舱顶部的中间区域 大部 分区域的变形量为 6 mm 左右 预制舱满足内蒙古地 区积雪工况下的设计要求 24.4 mm 即总跨度的 1/ 预制舱风荷载仿真分析 假设工程项目所在位置为郊区 地面粗糙度按 B 类地区取值 风速按低于 12 级风 风速约为 36.9 m/s 计算 风荷载计算方法参照 GB 垂直于建筑物表面的风荷载标准值按公式 2 计 算 wk = β z μ s μ z w0 2 2 式中 wk 风荷载标准值 kn/m βz 高 度 z 处 的 风 振 系 数 按 GB 规定 预制舱结构可不考虑风压脉动对结构产 生风振的影响 遂取值 1.0 μs 风荷载体型系数 按 GB 第 条 当屋面坡度角 15 时 取值 0.6

4 9 聂建春 等 智能变电站预制舱在内蒙古地区的环境适应性分析 位移/mm μz 风压高度变化系数 按 GB 规定 取值 1.0 w0 基本风压 kn/m2 基本风压按内蒙古 重现期为 50 a 取值 即 w0=0.6 kn/m2 通过计算预制舱结构长度方向侧面迎风面积 即可得出风荷载 将其按面积划分至支撑梁和立柱 上即可得到其在风载下的应力与应变 图 5 为风荷 载作用下结构的变形云图与应力云图 时间/s 图 6 地震反应谱函数 地震响应谱 分别考虑 x y 方向地震动作用结构的 力学响应 x 方向地震动作用下 结构最大变形为 1.4 mm y 方向地震动作用下最大变形为 3.7 mm 变 形云图分别见图 7 图 8 a 变形云图 图7 x 方向地震动作用下结构变形云图 图8 y 方向地震动作用下结构变形云图 b 应力云图 图 5 风荷载作用下结构的变形云图与应力云图 可以看出在风荷载作用下 该结构的最大应力 值为 26.2 MPa 位于侧墙立柱中部 结构最大变形为 3.3 mm 位于结构侧墙及顶部中部 该值 24.4 mm 即总跨度的 1/500 仿真分析结果表明 该预制舱 满足内蒙古地区风荷载工况下的设计要求 3.4 抗地震分析 预制舱结构固有频率按模态分解法计算 建模 时 舱内电力二次设备和围护墙体质量等效施加在 承载结构上 从横向和纵向两个方向对结构进行抗 震分析 查阅内蒙古地区地震烈度分布图得知 内 蒙古地区地震烈度最高为 8 度 故预制舱结构抗震 分析也按照 8 度抗震设防烈度等级进行分析 假定 场 地 类 别 为 I0 类 设 计 分 组 为 第 一 组 按 GB 电子设施抗震设计规范 [5] 得出地震 反应谱如图 6 在进行结构抗震分析时 地震谱通过底座槽钢 施加在预制舱模型上 利用模态叠加法计算结构的 x 方向地震动作用下 结构最大应力值为 12.1 MPa y 方向地震动作用下 最大应力值为 26.8 MPa 应力云图分别见图 9 图 10 仿真分析结果表明 预 制舱能够满足内蒙古地区地震工况下的设计要求 3.5 结构保温性能分析 基于热力学仿真软件 Flotherm 按照实体模型 分别建立复合墙体 顶部保温层 底部保温层以及 防静电地板的等效传热模型 采用实体模型建立 电力二次设备屏柜及装置插箱并赋予插箱额定功 耗 分析其在极端温度下的保温性能 设定条件

5 10 内蒙古电力技术 图9 x 方向地震动作用下结构应力云图 图 10 y 方向地震动作用下结构应力云图 为了保证舱内设备正常运行的环境条件 预制 舱舱体采用双层保温结构 保温层厚度 50 mm 隔热保温板采用双层优质钢板 内部填充物采用建 设部许可聚氨酯防火保温材料 确保整个预制舱的 保温和防火性能 +环保金属装修层 保证达到 24 墙 的保温功效 本次舱体保温隔热研究采用 k ε双方程湍流 模型进行模拟 数值模拟采用由连续性方程 动量守 恒方程以及湍流脉动动能方程 k 方程 等数学表达 式 同时做以下假定 1 预制舱内部空气低速流动且不可压缩 并 符合 Boussinesq 方程假设 2 空气流动为稳态紊流 3 不考虑重力的影响 4 忽略由流体黏性力做功引起的耗散热[6] 热力学仿真 考虑到舱体周围和内部空气流动及热量交换特 点 在舱体内侧安装了 2 台吸顶式中央空调及 2台 电 辐射加热器 并对其进行合理选型 优化设置其位 置 避免舱内发生冷热不均情况 空调在低温情况 下设置 18 的恒温条件 在高温情况下设置 25 的 恒温条件 分别对这两种工况进行热力学仿真分析 1 环境温度为极端高温 55 舱内总功率为 5 kw 的情况下 分别取舱内距地面板高度 1.0 m 1.5 m 及 2.0 m 处的平面为基准面 这 3 个平面上预 制舱内的温度分布云图如图 11 所示 由图 11 可以 看出 该工况下舱内最高环境温度为 22.9 最低温 度为 环境温度为极端低温-45 舱内总功率 为5 kw的情况下 分别取舱内距地面板高度为1.0 m 1.5 m 及 2.0 m 处平面为基准面 这 3 个平面上预制 舱内的温度分布云图如图 12 所示 由图 12 可以看 出 该工况下舱内最高环境温度为 23.4 最低温度 22.1 a 高度 1.0 m b 高度 1.5 m c 高度 2.0 m a 高度 1.0 m b 高度 1.5 m c 高度 2.0 m 图 11 环境温度 55 时预制舱内的温度分布云图 图 12 环境温度-45 时预制舱内的温度分布云图 从温度场数值模拟结果可以看出 通过配置预 制舱体保温围护结构及在其内部装设空调设备后 在极端环境温度下预制舱内的温度可以保证在设计 范围内 3.6 防腐设计分析 因内蒙古地区属于高污秽等级地区 应用预制 舱结构必须考虑其防腐性能 预制舱在设计过程中 使用总厚度 200 μm 的热镀锌钢材料 且所有金属 件均需进行除锈防腐处理 金属件结合处均采用全 焊方式 涂覆的密封材料选用国内船舶所用涂覆材 料 抗盐雾油漆选用性能达 6000 h 的产品 或粉末达 1000 h 以上 采用多种措施保证舱体的防腐性能 使其满足恶劣环境条件下的防腐要求 另外 依据 相关资料可知 在环境污染严重地区 无任何防腐措 施情况下碳钢在大气中的腐蚀速率 下转第 15 页

6 宿崇, 等 : 发电机基波零序电压型定子接地保护的整定 15 电压等级发电机故障发生时流过定子绕组的短路电流小于 1 A, 整定时限 0.3~1.0 s( 尽可能取短 ) [8] 灵敏段定值按躲过变压器绕组耦合零序电压整定 如此, 即可大大提高定子接地保护的灵敏度 但是, 由于不同机组所处电网位置的差异性, 其距离负荷中心有远近之别, 部分机组的基波零序定子接地保护难与系统侧接地零序保护准确配合, 对此, 可以考虑从设计上予以规避, 或从时限上配合 参考文献 : [1] 韩晓辉. 发电机断路器在大容量机组上的应用 [J]. 上海电力学院学报,2005,21(3): [2] 周建, 许卫东.600 MW 机组采用发电机出口断路器方案比较 [J]. 山东电力技术,2003(5): [3] 陈尚发. 论山西阳城电厂电气主接线 [J]. 电力建设,2005, 26(5):9-13. [4] 范江东. 装设发电机出口断路器优越性的分析 [J]. 浙江电力,2002,21(3): [5] 姜柏卿. 台山发电厂 1 号 2 号机组发电机出口开关方案的选择 [J]. 广东电力,2001,14(6): [6] 刘光华, 陈岳.300 MW 火电机组采用 GCB 的技术经济分析 [J]. 湖南电力,1999,19(4): [7] 王维俭. 发电机变压器继电保护应用 [M].2 版. 北京 : 中国电力出版社,2005. [8] 电力行业继电保护标准化技术委员会. 大型发电机变压器继电保护整定计算导则 :DL/T [S]. 北京 : 中国电力出版社,2012. [9] 郑桂杰. 发电机 3ω 定子接地保护动作原因分析及防范措施 [J]. 内蒙古电力技术,2016,34(1): [10] 牛静, 何进进.110 kv 系统优化后备保护的研究 [J]. 电力大数据,2018,20(1): [11] 杜伟, 王方. 监视门槛定值对注入式 100% 定子接地保护的影响及整定方法 [J]. 广东电力,2017,30(6): [12] 冯宝泉, 刘翠兰. 发电机定子接地保护误动的原因分析及改进 [J]. 内蒙古电力技术,2004,22(4): 编辑 : 白永军 ( 上接第 10 页 ) 为 50 μm/a [7],40 a 腐蚀量仅为 2 mm, 亦能说明预制舱结构能够满足防腐要求 4 结语对变电站预制舱结构抗震 抗风 耐腐蚀 抗积雪荷载及保温性能等方面的分析结果表明, 变电站预制舱结构具有较强的环境适应性, 能够适应内蒙 [8-9] 古地区地震烈度高 污秽等级高 强风及高寒特点 本研究为预制舱结构的设计优化提供了分析方法, 为预制舱在内蒙古地区的工程化应用提供了理论支持, 为配送式智能化变电站在内蒙古地区的推广应用提供了参考依据 参考文献 : [1] 田家运, 李家锋. 预制舱与装配式建筑物在变电站中的研究与应用 [J]. 电子技术与软件工程,2016(16):248. [2] 丁丽平, 韩付申, 丁妍妍. 预制舱并舱结构及仿真分析 [J]. 智能制造,2014(11): [3] 王楠, 任慧龙, 王晓天, 等. 高寒地区浮桥环境载荷与强度评估 [J]. 武汉理工大学学报,2014,36(8): [4] 中华人民共和国住房和城乡建设部, 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. 建筑结构荷载规范 :GB [S]. 北京 : 中国建筑工业出版社,2012. [5] 中华人民共和国住房和城乡建设部, 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. 电力设施抗震设计规范 :GB [S]. 北京 : 中国计划出版社,2013. [6] 祝德春, 吴明, 韩德斌. 高寒地区智能变电站预制舱热环境数值模拟 [J]. 机电工程,2017,34(2): [7] 电力行业水电站金属结构及启闭机标准化技术委员会. 水利水电工程金属结构设备防腐蚀技术规程 :DL/T [S]. 北京 : 中国电力出版社,2007. [8] 李占英. 智能配电网大数据应用技术与前景分析 [J]. 电力大数据,2017,20(11): [9] 沈毓, 宋同, 徐伟明.110 kv 智能变电站模块化设计应用 [J]. 内蒙古电力技术,2017,35(2): 编辑 : 白永军