（山东嘉宇建设工程有限公司）
摘要：针对石油化工领域开发用电负荷变化较大或因生产工艺装置变化导致用电负荷改变，常规变电站土建施工周期长，受时间、空间、气候影响较大，导致变电站改扩建严重滞后于生产，不能较好地服务生产。为此，装配式模块化预装变电站应运而生，其大胆运用新设备、新材料、新工艺，对变电站的建设提出新的建设思路，采用装配式模块化单元快速完成供电任务，提高石油化工场站用电可靠性，提高企业的经济效益和社会效益。
关键词：装配式模块化预装变电站；预制舱体；投运快；供电可靠性
引言
随着成品油行情的不断走高，市场需求量不断增大的刺激，山东省东营市东营港经济技术开发区，作为东营市的主要炼化基地自2016年后陆续扩建、新增项目若干。用电负荷的急剧增长对当地电网的承载能力、电网的建设水平都提出更高的要求，同时如何合理利用现有输变电工程有限的设备及空间，快速适应石油化工行业的发展需求，也值得业内人员剖析、论证。文中我们以一个实际投运项目举例，说明运行该技术、设备如何解决电力供需问题，从而说明该技术设备的优点及不足，并为日后石油化工领域变配电工程新建或改扩建项目提供参考。
1项目由来
东营某化工厂简介：成立于2012年，一期项目投产于2014年，一期设计最大用电负荷约32MW(大部分负荷属于一、二级负荷用电)，该化工厂一期变电站按最大规模2台40MVA主变考虑，主变采用35/10kV双绕组有载调压变压器，35kV、10kV电气主接线均按单母线分段配置。外部两条35kV供电线路由当地国网供电公司负责接入，单条导线考虑余度较大，最大可带60MW负荷。配电装置楼随一期工程同步建设，未考虑备用变压器及母线段的预留。变电站投运后两台主变同时运行，主变负荷率均在35%～40%浮动。
2016年由于该化工厂的生产工艺装置扩建并陆续投产，新增装置电源均取自该变电站（2×40MVA），该变电站的用电负荷也持续攀升，至2017年中旬时，变电站投运后两台主变同时运行，主变负荷率均在60%～70%浮动，此时系统最大负荷接近60MW(大部分负荷属于一、二级负荷用电)，该变电站已不具备所谓的“N-1”校验。（“N-1”校验即当数台变压器或进线有1台或条因检修或故障停运时，不影响系统的持续供电，“N-1”一般作为供电可靠性的一种评价方式）由于化工厂生产用电负荷的重要性，项目用电方案及实施较为迫切，现有主变运行负荷不允许停电，停产损失按天计则过百万（人民币）。该化工厂找到我们设计单位，询求提高供电可靠性的解决办法。
改造前的接线型式
2项目的解决思路
了解到项目基本情况后，该化工厂计划2019年底于厂区东部新建工艺装置并配套新建变电站，本次解决方案仅需解决现有负荷与变电容量不足的问题，初步确定方案为新增1台35/10kV40MVA主变，配套35kV、10kV母线接线型式调整为单母线三分段接线，新增主变调整为中间母线段（现有Ⅰ段、Ⅱ段母线出线无需调整，新增变压器为备用变压器，新增10kV母线段为备用母线段）。
经过现场勘察，配电装置楼东侧、南侧为消防主干道，北侧为管线走廊均不具备扩建空间，西侧距围栏距离为16.5m，考虑配电装置楼消防环形路后，富裕空间也较为紧张，且经与业主结合后，仅可利用配电装置楼西侧空间。
2.1电气主接线方案
(1)35kV主接线：现状单母线分段接线，本期扩建后单母线三分段接线，扩建完毕后母线段的顺序依次为Ⅰ、Ⅲ、Ⅱ段母线，新增Ⅲ段母线位于原两段母线中间，可作为Ⅰ、Ⅱ段母线的备用。
(2)10kV主接线：现状单母线分段接线，本期扩建后单母线三分段接线，扩建完毕后母线段的顺序依次为Ⅰ、Ⅲ、Ⅱ段母线，新增Ⅲ段母线位于原两段母线中间，可作为Ⅰ、Ⅱ段母线的备用。
改造接线型式的思路
改造后的接线型式
2.2新增电气设备的布置
考虑常规土建方式变电站从开工至投运至少8个月的时间，对于化工厂用电负荷安全重要性来说，时间就是效益，且现场用地较为紧张，配电装置楼西侧考虑消防环形路后，可用空间仅为21.8×8.5（m，南北×东西），在此狭小空间内，不仅要布置主变压器、35kV、10kV配电装置、无功补偿装置、保护装置还要考虑母线支撑杆的安放。经过多次探讨并与业主单位商议，在经过当地国网供电公司允许的前提下，尝试运用模块化预装式变电站。
变电站扩建部分，除主变布置在室外，其余35kV、10kV配电装置、无功补偿装置、保护装置均布置于预装式变电站内部，一层分为配电装置室和电容器室，二层为保护装置室。其中配电装置室内35kV配电装置采用充气柜（柜体尺寸600mm宽，1625mm深）、10kV配电装置采用KYN28柜（出线柜柜体尺寸800mm宽、进线柜、PT柜柜体尺寸1000mm宽，1510mm深），对列布置。
模块化预装式变电站建成投运后照片
2.3相关计算及选择
(1)短路电流计算
变压器电抗标幺值计算
....式1
Ud%为变压器短路电压的百分值；
Se系指最大容量绕组的额定容量，单位为MVA；
Sj为基准容量，通常取值100MVA或1000MVA。
线路电抗标幺值计算
....式2
....式3
....式4
r--导线半径（cm）；
D--导线相间的几何均距（cm）；
d--相间距离[1]。
根据系统条件，2025年系统最大运行方式下，本站的短路电流如下：
短路电流计算结果表
经校验现有设备满足运行要求。现有设备及新增开关设备开断电流为：
35kV设备开断电流25kA。
10kV设备开断电流31.5kA。
变电站改扩建完毕后，运行方式为一条线路带2台变压器，另一条线路带第3台变压器，分裂运行，同一35kV进线下两台变压器的10kV母线可以合环运行，不同35kV进线35kV及10kV母线段不允许合环，三台主变并列运行仅为参考，特殊情况下的运行方式应争得供电部门同意。
主变压器选择
本期与原有变压器均选用三相双绕组油浸式自冷有载调压变压器，型号SZ11-40000/35,容量40MVA，额定电压35±3×2.5%/10.5kV，接线组别YN,d11，阻抗电压Ud%=8.16，冷却方式自冷（ONAN）。
(3)导体选择
导体选择结果表
2.4新旧电气设备的接口
接口问题考虑方案时，遵循业主意见，尽量减少停电时间，因此原35kV、10kV母联柜不予以拆除，与当地国网供电公司协商将母联断路器摇出后，原母联柜相关柜体退运（保护装置退出），给予封条封存柜体。
原配电装置楼内布置方式为一层为10kV配电装置室、无功补偿装置室、消弧线圈及接地变装置室[2]、主变压器室等，二层为35kV配电装置室、保护室及资料间等。
(1)35kV配电装置接口
原有35kV配电装置采用KYN61柜体（柜体尺寸1400mm宽，2800mm深），面向柜体操作面，从左至右共计8面柜体，分别为2#主变进线柜、2#进线柜、2#PT柜、母联柜、隔离柜、1#PT柜、1#进线柜、1#主变柜。经现场勘察两段母线两侧均具备扩建1台柜体的位置。因此现有两段母线考虑新增出线柜体用于与新增母线段的电气连接，35kV新母联柜体均布置于新建预装式变电站内，最大联络电流为单台主变最大负荷下的电流值，联络导线选用3×ZR-YJV-26/35kV1×630型电力电缆，可满足用电设备的长时间运行。电缆两侧接线均为下进线，充气柜侧为方便下进线配置进线边柜。
(2)10kV配电装置接口
原有10kV配电装置采用KYN28柜体（柜体尺寸800mm宽，1500mm深），共计38面柜体，分两列对列布置，最终两段母线边柜间距0.8m。计划利用边柜间距0.8m，两段母线分别拆除2面备用出线柜柜体、3面备用出线柜柜体，间距扩大至4.8m，将新增两段母联柜放置于此，并通过配置附柜将Ⅲ段母线引出，2#分段柜、2#隔离柜、附柜、1#隔离柜、1#分段柜共五面柜体，其中附柜宽度为800mm，其余柜体宽度均为1000mm。新增变压器带现有负荷，最大联络电流为单台主变最大负荷下的电流值，联络导线选用3150A全绝缘管母线，可满足用电设备的长时间运行。全绝缘管母线两端均为上进线，由原配电装置楼10kV配电装置室附柜引出，沿室内一层屋顶水平引出房间，屋外部分注意预留消防车通道，管母线离地高度6m，至预制舱附近垂直转下至穿墙套管。
2.5其他设计
(1)接地变及消弧线圈
因本次扩建后，本母线段无配出回路，后期根据工程具体情况，检验电容电流。
(2)10kV无功补偿装置
采用户内并联分组投切电容器装置，总容量为6000kVar，共分5组，每组容量为1200kVar，电缆进线。串抗采用干式铁芯电抗器，串抗率按5%考虑。
(3)防直击雷设计
在变电站内设置1支独立避雷针构成全站防直击雷保护。独立避雷针高30m。建筑物防雷类别按第二类防雷建筑考虑，经滚球法核算建筑屋顶不需要设置避雷带（预制舱体顶部金属屋面板，材质为锌板，厚度为2mm；根据厂家建议预制舱屋顶屋面不建议作为接闪器）。
3预装式变电站的特点
3.1预装式变电站的优点
(1)投运快
3个月工厂生产周期，1个月现场施工周期。
预装式变电站的现场施工与常规变电站土建有很大区别，采用筏板式基础底座，基础材料选用钢筋混凝土浇筑，制作条形基础，基础表面预制槽钢。基础通风有两种，一种是平台模式，基础设计为高出地面并在周围构建水泥平台，在基础侧墙设置通风百叶窗自然通风，SF6设备基础必须加强制通风；另一种模式是集中通风，即各设备基础通过沟道联通，集中于某一个位置设计通风井。
现场工作量主要有：基础制作、接地网（含接地体引接）施工、避雷接地网施工及避雷针安装、一次电缆布线、二次电缆或光缆布线、系统联调、电气交接试验等。
(2)占地面积小
占地面积较常规变电站建设占地面积缩小20%～40%。
(3)工厂化
工厂的生产环境、先进设备及高素质员工保证各模块产品质量。
工厂内模拟现场建站，验证变电站结构设计提高变电站现场建设效率。工厂内完成一次系统联调、二次系统联调及总体联调。
(4)工程造价省
整站综合投资节省3%～10%；成套系统集成技术节省土地资源30%～70%。
(5)模块化
灵活的搭积木式建站模式，最大限度减少现场施工工程量；布局灵活、迁移方面。
预装式变电站预制舱体，大型舱体工厂内模块化分段建造，现场模块化分段拼装，大大缩短建设工期。摈弃传统的现场“湿法”施工，从而节约了水资源和保护了生态环境。提高了工程整体质量水平、安全运行水平，最大程度实现成本最优和节能环保。
3.2预装式变电站舱体结构及防腐工艺
模块化预装式变电站利用预装组合模式，采用钢结构、镀锌钢板及集装箱制造技术，外形设计美观。
(1)舱体结构
舱体结构分为三层、密封结构，包含双层钢板与一层装饰层。经防腐处理，具有防尘埃、防潮湿、防凝露、防辐射、耐腐蚀的特点。
舱柜一体化高强度结构，整体结构采用舱柜一体化结构，制作骨架的底架部件由槽钢焊接。舱体采用2.5mm厚优质冷轧钢板折弯成型后，整体焊接成型。门板和顶盖均采用2mm厚优质冷轧钢板焊接而成。整体式结构抗冲击能力强，机械撞击防护等级为IK10。舱体结构强度承重大于20t。整站侧倾角度≤3°正常运行。舱体无明显变形。抗地震等级8级。双层钢板结构：门板厚度不低于50mm，中间运用一次充注发泡填充工艺，起到保温、隔热作用，超越常规室内环境，防止箱体内温度的剧烈变化，抑制箱内凝露的产生。
(2)防腐工艺
预制舱箱体采用喷砂、热镀锌、喷锌加防腐、喷户外高档聚氨酯面漆防腐处理。金属材料经防腐后表面覆盖层应有牢固的附着力，并均匀一致，以保证箱体使用寿命不低于40年。箱体底架槽钢必须经过喷砂、喷锌处理后，采用沥青重度防腐处理，保证底架30年不锈蚀[3]。外壳防腐采用电弧喷锌工艺做为底层，锌丝纯度99.9%，锌层厚度＞100μm，在锌层上喷中涂漆，面漆为丙烯酸聚氨酯双组份面漆。面漆采用抗紫外线、抗老化、长寿命的聚氨酯高档面漆，保证10年内不退色、不氧化、不粉化[4]。
3.3预装式变电站的不足
(1)考虑道路运输限制，预装式变电站占地面积及电气设备空间尽量压缩，若设计时无空间预留要求，后期基本无再扩建或改造的可能性。
(2)因空间问题检修运维空间较常规变电站狭小。
(3)预装式变电站整体装备水平受装备生产商生产技术水平直接影响，良莠不齐，建议加强招标环节及装备生产商资质要求，为保障预装式变电站整体维持较高的装备水平。
4其他可借鉴领域应用
目前，在负荷集中的城区，10kV的预装式配电箱变应用普及越来越广。随着用电设备的逐年增多，电能作为终端消费的比例逐渐增大，预计2050年在最大比例情境下达到62%，超高压输电技术的不断发展，变电站作为负荷分配的主要场所其发展趋势不容小觑，模块化预装式变电站占地面积小，投运时间短、防护等级等特点均满足工业、商业及城乡发展的建设需求。
同时，模块化预装式变电站的搭积木式建站模式，可随油气生产的产能建设发展扩大或减少进行迁移。某页岩气田，我单位提交供电方案为先期架设35kV电压等级线路，降压10kV或者不降压运行，带现有用电负荷，并可满足后期用电负荷增长需要；后期页岩气开发需要配置井口压缩机时，直接在井口配置模块化预装式变配电设施，按需配置，可灵活迁移，便于后期相同产能区块的应用。该方案的提出避免了后期配置井口压缩机时导致10kV线路无法满足负荷要求，在时间、成本上及后期运维上均满足了产能建设需求。油田地面工程模块化预装式变电站的建设，对某区块产能下降需要迁建他处或降低变配电容量时，或产能持续上升，用电负荷不断增大需要提高变配电容量时，不论在新建或者改扩建方面都比现有土建式变电站更加灵活，值得借鉴。
预装式变电站在油气田地面工程项目使用的照片
5结语
某化工厂变电站自合同签订后至投运历时为3个月，其中设备厂家生产周期2个月，现场施工20天，竣工验收及送电10天。竣工决算约1054万元，与常规变电站扩建费用相近。方案实施送电后，业主单位对该技术方案及装备的运用非常满意，并表示后期扩建化工生产流程，新建变电站时也会运用此种装备。模块化预装式变电站的成功运用，值得有许许多多具有此类需求的项目进行借鉴。
参考文献
[1]水利电力部西北电力设计院.电力工程电气设计手册（电气一次部分）[M].中国电力出版社，2002.
[2]刘振亚.国家电网公司输变电工程典型设计（35kV变电站分册）[M].北京：中国电力出版社,2006.
[3]由恒远，屈东明，孙福鹏.模块化预制仓式变电站在110kV配网中的应用[J].电气技术，2016，05（4）：105～108.
[4]朱永华，姚敬华，林仲玉，金晓鸿，林昌键.聚氨酯面漆光老化机理的探讨[J].涂料工业，2005，06（4）：44～47.
作者简介
李小章，男，1987年10月生，2010年7月毕业于中国石油大学胜利学院，学士学位，现就职于山东嘉宇建设工程有限公司，助理工程师，研究方向为变配电、新能源发电及电力系统规划等
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