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、配送式建设”新理念的实现^[1]。

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构^[2]。

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。

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12 200 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。

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 50009—2012《建筑结构荷载规范》规定，雪荷载计算公式如下^[4]：

(1)

式中  S_k—雪荷载标准值，kN/m²；

μ_r—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，雪载应按均匀分布考虑，故μ_r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。

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1/500）。

3.3 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 50009—2012。垂直于建筑物表面的风荷载标准值按公式（2）计算：

(2)

式中  w_k—风荷载标准值，kN/m²；

β_z—高度z处的风振系数，按GB 50009—2012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；

μ_s—风荷载体型系数，按GB 50009—2012第8.3.1条，当屋面坡度角≤15°时，取值0.6；

μ_z—风压高度变化系数，按GB 50009—2012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。

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 50260—2013 《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。

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。

3.5.1 设定条件

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]。

3.5.2 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17.9 ℃。

（2）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 ℃。

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，能够适应内蒙古地区地震烈度高、污秽等级高、强风及高寒特点^[8-9]。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。