特高壓直流輸電接地極中預制艙方案的應用設計

李雪城，吳俊輝，陸朝陽，劉廣州

（常州博瑞電力自動化設備有限公司，江蘇 常州 213025）

0 引 言

隨著我國經濟的快速發展和國民生活水平的不斷提高，用電需求持續增加。我國因特有的負荷中心和能源資源的逆向分布，導致電力供給與需求之間存在嚴重的不平衡，由此提出了“西電東送”等一系列調節區域資源負荷不平衡的政策措施。而特高壓直流輸電技術可以實現遠距離、穩定、低損耗的電能傳輸，滿足能源中心與負荷中心跨多區域的點對點高效傳輸[1]。

接地極是特高壓直流輸電系統的重要組成部分，在系統中起到鉗制中性點零電位的作用，在單極大地回路運行方式中為直流運行電流提供通路[2]。接地極的特性決定了它的選址通常在離人群較遠的偏遠地方，距離換流站幾十千米。在極址的建設過程中，為了節省占地面積、縮短施工周期，需要采取非常經濟高效的建設模式。預制艙技術具有占地少、造價省、效率高特點，恰好可以滿足要求。國家電網有限公司（簡稱國網）的運維檢修部在2016 年開始啟動一些老站接地極預制艙試點，并且從2017 年起，國網直流建設部在新建接地極站主要采用預制艙方案[3-5]。

1 接地極預制艙技術方案設計

特高壓直流輸電接地極一般都是無人值守站，需要對紅外測溫、入地電流、視頻監控、電子圍欄安防報警及設備報警等信息進行采集、監測、傳輸。接地極預制艙內需布置站用變壓器、進/出線開關柜、直流電源柜、交流配電柜、合并單元柜、通信柜及在線監測柜等主設備。此外，需要設置視頻監控、火災報警及氣體滅火等輔助系統。

根據主設備特點，同時考慮安全因素，常規接地極預制艙的典型布置方案如圖1 所示。變壓器、進/出線開關柜和二次屏柜（含交直流電源）3 種主設備分別設置在一個隔室內。按照主接線順序，變壓器室設在開關柜室和二次設備室之間。變壓器室和開關室之間可設檢修門，方便檢修人員進出。開關柜室內布置有進線開關柜和出線開關柜，為方便大直徑帶鎧電纜在艙內布線（增大彎曲半徑），建議出線開關柜布置在遠離變壓器的一側。當接地極站位于重風沙地區，接地極預制艙需另外增加防風沙門斗（見圖2）。防風沙門斗設于二次設備室和變壓器室之間。

圖1 常規接地極預制艙典型布置方案

圖2 重風沙環境下接地極預制艙典型布置方案

2 接地極預制艙設計要點

2.1 接地極預制艙結構設計

2.1.1 艙壁結構設計

接地極預制艙的艙壁外立面一般采用不銹鋼瓦楞鋼板，具有優良的綜合力學性能及耐候性，適用于接地極站較惡劣的使用環境。艙壁從外到內依次為不銹鋼瓦楞鋼板、碳鋼骨架、保溫巖棉層以及鍍鋅鋼板（見圖3）。艙內各隔墻兩側都采用鍍鋅鋼板，隔墻壁結構參照艙壁結構。鋼板之間需要填滿巖棉，保證耐火隔熱性能。

圖3 接地極預制艙艙壁結構

2.1.2 底框結構設計

接地極預制艙底框結構（見圖4）為焊接成型一體式結構，3 個隔室共用一個底框。變壓器和開關柜重量較重，底框結構得先保證艙內各設備的承載要求。艙內設備尤其是開關柜和變壓器還需核實是否需要墊高艙體底框，以避免柜門/變電器門下方出現干涉問題。由于開關柜和變壓器隔室重量大于二次設備室重量，艙體存在偏重現象，艙體采用底部吊裝時，需考慮底部吊點布置位置。

圖4 接地極預制艙底框結構

艙體內部走線通過底框電纜夾層實現。底框采用雙層走線結構，電纜層位于上層，光纜層位于下層，可保證光纜進出屏柜有足夠的轉彎半徑。一次設備之間單獨設一次線纜走線通道。

在底框夾層里，沿3 個隔室的設備布置方向還需設置2 層專用接地銅排，銅排布置位置需方便3個隔室內的設備使用。銅排上層為一次接地排，與艙體金屬底框直接連接；下層為二次接地排，與上層一次接地排通過絕緣子隔開。在底框外側，需要設置接地端子，與現場主接地網預留的接地扁鐵進行螺栓連接，實現艙體接地。

二次設備室使用防靜電地板，開關柜室和變壓器室均使用花紋鋼板地板，上面鋪設絕緣墊。底板上需開設二次線纜進出線孔，開關柜室在進線開關柜下方需預留外部一次線纜進線孔。此外，預制艙底板上建議開設人井孔，方便人員進入預制艙下方基礎。

2.1.3 艙頂結構設計

艙頂為人字型雙斜坡結構（見圖5），從外到內依次為艙頂上蓋板、碳鋼骨架、保溫巖棉層以及吊頂。艙頂上蓋板采用304 不銹鋼材料，具有良好的防腐蝕性能。吊頂通常采用集成吊頂。整個艙頂和艙壁焊接為一個整體，具有很好的抗風雪能力。

圖5 接地極預制艙艙頂結構

2.1.4 防風沙門斗設計

當接地極位于重風沙地區，接地極預制艙需要進行防風沙門斗設計。門斗為一個封閉的小空間，前面設外部進入的正門，兩側設進入隔室的側門，背面為墻壁，如圖6 所示。防風沙門斗相當于緩沖隔斷區，能夠有效防護艙內不被風沙侵擾。檢修人員進入各隔室需要先從防風沙門斗進入。

圖6 接地極預制艙防風沙門斗結構

2.2 接地極預制艙輔助系統設計

2.2.1 照明系統設計

接地極預制艙3 個隔室內均需配置正常照明、事故照明以及應急照明。正常照明和事故照明采用嵌入式發光二極管（Light Emitting Diode，LED）照明燈具，均勻布置在隔室的通道上方。正常照明和事故照明由照明開關控制。各隔室的照明開關應設置于門口處，方便控制。應急照明包括應急燈和疏散指示燈，布置于每個隔室的進出口位置。

2.2.2 通風及散熱系統設計

接地極預制艙每個隔室的散熱量不同，根據每個隔室內的散熱量要求，配置相應制冷量的空調進行散熱。根據接地極站特點，空調優先選擇工業空調，具備來電自啟動、故障報警等功能。

除了空調散熱系統，每個隔室還應設置通風系統。通風系統由下進氣排風扇和上排風過濾器組成。采用正壓通風方式，新鮮冷空氣由一側較低位置進入，熱空氣由另一側較高位置排出。由于艙內空氣壓力大于艙外，灰塵不易從可能的縫隙進入艙內。排風扇不工作時內外無空氣交換，不影響空調制冷或加熱效果。

2.2.3 視頻監控系統設計

接地極預制艙每個隔室內需安裝一個視頻攝像頭。視頻攝像頭宜設在主要通道中便于觀察艙內設備的位置，最好能覆蓋艙內所有設備。優選壁裝方式，在一些特殊情況下也可以采用頂裝方式。

2.2.4 消防系統設計

接地極預制艙內應配套設置火災報警系統及無管網七氟丙烷氣體滅火系統。氣體滅火系統與火災報警系統聯動。整套消防系統由消防主機、控制模塊箱、氣體滅火控制器以及3 個分區的煙感、溫感、聲光報警器、緊急啟停按鈕、警鈴組成。每個隔室為一個分區。接地極預制艙內的消防系統工作邏輯原理如圖7 所示。

圖7 接地極預制艙內消防系統工作邏輯

2.2.5 供電系統設計

接地極預制艙不設壁掛式配電箱。3 個隔室內空調、風機、正常照明以及插座等電源由二次設備室內交流配電柜提供。事故照明可由配套蓄電池的直流電源柜供電，當正常照明系統無法工作時，可切換至事故照明。應急照明由于自帶蓄電池，也可以由交流配電柜供電。為了滿足消防切電需求，一般交流配電柜內風機、空調等空開都需要配置分勵脫扣器。

3 結 論

預制艙方案在特高壓直流輸電接地極中應用，是將傳統的“現場建造”模式轉變成“廠內預制”模式，可解決在較偏遠地區不方便建造建筑物的問題，且能大幅縮短施工工期、降低建設成本、提高建設管理效率。本文先提出了常規環境和重風沙環境條件下的2 種典型布置方案，再從艙體結構和輔助系統2 個方面來闡述接地極預制艙設計要點，以保證艙內設備運行環境可靠穩定。艙體結構主要考慮艙壁、底框、艙頂以及防風沙門斗等部分設計，而輔助系統主要考慮照明系統、通風及散熱系統、視頻監控系統、消防系統以及供電系統等方面。