0 引言
随着我国城市化进程的加快，电力需求也增长迅速，加上现代科技越来越发达，电力系统的发、输、变、配电设备也在这种发展趋势之下，很多老以惊人的速度在更新换代[1]。
旧的变电站暴露出各种问题，例如变电站现场施工量大，占地面积广，建设周期长等。为了迎合社会经济的发展，国家电网在传统方案上进行优化，提出了“标准化设计，工厂化加工，装配式建设”的建设理念，努力设计和建设各种新型智能变电站[2-4]。
智能变电站的研究与建设，是电网系统发展的主要趋势。预制舱式变电站是在这一趋势中提出的一种新型智能变电站
[5]
化发展，保护环境以及对经济的发展都有着重大的作用[6-8]。
国外对于发展智能变电站的研究早在上世纪70年代就已经开始，在预制舱式变电站这一领域，国外也早有应用，但是其主要用来取代二次设备小室，其内部对二次设备并无太大变这与我国模块化设备选择，工厂集中完成有较大区别。化[9]。
本文以企业为用电对象，结合所在区域的电网情况，企业的负荷情况，设计一座110kV等级预制舱式变电站。主要设计内容如下：对预制舱式变电站的特点进行研究，将旧式变电站与预制舱式变电站进行对比与分析，研究预制舱式变电站的特点和优点。对预制舱体进行设计，主要包括舱体型号的选择与结构设计，预制舱内照明系统的设计与预制舱内的平面布置设计。
。常规变电站在如今技术的发展下，其缺陷愈发明显，所以进
行预制舱式变电站的研究在这种情形下变得十分必要。一方面，响应国家对研究智能电网的号召，对预制舱式变电站的研究将使得我国电网系统更好更快的适应社会潮流，带动各行各业的进步。另一方面，预制舱式变电站的研究对未来城市
1 预制舱式变电站的特点分析
1.1 常规变电站设计建设过程分析
常规变电站的设计与建设过程如图1所示。
图1 常规变电站建设流程
5设计与研发在土建现场，按一次设备安装、二次设备安装“标准化设计，工厂化加工，装配式建设”的建设理念电缆光缆接线、二次系统联调、一二次系统联调依次进行，整个过程中，每一个步骤受制于上一步的完成，建设周期较长。在二次设备的安装过程中，二次设备多为精密的仪器，土建现场的灰尘较多，存在环境的问题。由于一二次设备种类较多，两者对接过程中，用到不同类型的端口接口，对电缆光缆的有明确要求，这一工作增大了建设的工作量。1.2 预制舱式变电站设计与建设过程分析预制舱式变电站的建设则采用一二次系统并行施工的方案，其建设流程如图2所示。图2 预制舱式变电站建设流程图一次设备在土建现场安装的同时，二次设备由厂家在工厂内进行模块化设计与安装，建设完成后直接将预制舱体运至土建现场与一次设备对接联调。这一过程缩短了变电站建设周期，减少了现场工作量。
预制舱式变电站与常规变电站的不同之处在于对二次设备的选择与安装上。预制舱式变电站的二次设备安装于预制舱体内完成，避免了周围环境的干扰，提高了设备的安全性[10]。
预制舱式变电站选用预制舱体作为二次设备的安装容器，预制舱外的接口经厂家设计采用统一的类型，减少建设的复杂性，易于安装于维修。舱内电缆光缆就地铺设，降低建设成本。
钢结构舱型采用钢制集装箱，在内部框架使用各种材料结构，以保证舱体结构稳定。舱体外部采用金邦板，FC板等轻型非金属质地原料，来达到保温隔音等效果。舱壁夹层内使用铝塑复合板，这种材料防火性抗震性好，性价比高。钢结构舱型在保养得当的情况下可使用四十年，广泛应用于全球各地[11]。
玻纤复合材料舱型采用钢筋整体浇筑技术，通过玻纤材料使得舱体钢结构与外界物体隔绝，具有很好的防腐蚀性，在进行定期维护后，舱体寿命可达五十年。
标准集装箱舱型的预制舱虽然简单便宜，但是使用年限短，自身性能较差，如今已不予使用。钢结构舱型优点较多，性价比高，为目前主流舱体的选择。玻纤复合材料舱型性能好，工作年限长，采用了新型制造工艺，在制造上存在一定困难，适用范围目前较少。
2 预制舱的结构设计
预制舱的结构形式按材料主要分为三种：标准集装箱舱型，钢结构舱型和玻纤复合材料舱型
[12]
。根据研究内容，本次
设计选择钢结构舱型的预制舱，钢结构舱型的预制舱性价比高，在维护得当的情况下，使用寿命可达四十年。
62018.142.1 预制舱体的设计根据国家电网的预制舱二次组合设备技术规范规定，二次设备预制舱宜采用钢结构，预制舱的型号有Ⅰ型，Ⅱ型和Ⅲ型三种。其尺寸表如表1所示。表1 预制舱体尺寸规格表型号预制舱尺寸（mm）长×宽×高Ⅰ6200×2800×3133Ⅱ9200×2800×3133Ⅲ12200×2800×3133预制舱舱体尺寸的选择要考虑多种因素，包括舱内二次设备屏柜的数量，选择屏柜的尺寸，舱体维护通道与运输条件。当运输条件受到，舱体宽可改为2500mm。预制舱体的设计使用年限按四十年考虑。整体结构为焊装一体式结构，选择钢材料为优质碳素结构钢，屈服强度大于235Mpa,用来保证良好的机械强度和刚度，使得预制舱在安装与运输过程中不会损坏和变形。设计包括预制舱顶部，舱体外壳，舱体内壁，舱体内部，舱体底板与舱内地板这几个部分的材料选择与设计。舱体各部分结构按照国网公司出台的预制舱技术标准来确定，具体选择方案如表2所示。表2 预制舱体结构材料分析表名称采用材料作用舱体顶部冷轧钢板（喷砂、热喷锌）预防积雪和积水舱体外壳不锈钢材料（喷户外高级漆）防侵蚀，减少维护量舱体内壁铝塑板防水防腐，阻燃隔热
舱体内部聚氨酯材料保温和防火舱体底板型钢稳定舱体结构舱体地板陶瓷地板
防静电
预制舱体不设计窗户，使用风机及空调实现通风。舱体的门板和框架采用铰链联结，将铰链安装在外壳的内侧，制成暗铰链，门板上安装的门轴和铰链采用不锈钢材料制作，保证在舱体的使用年限内活动处不生锈。舱门的打开方式与位置保持确定，舱门向外开，开启角度不小于90°。
舱门从内部与外部都可打开，不能被锁死。舱门安装电子控制系统，操作人员可远程控制舱门开闭状态。
二次设备用控制柜底部使用槽钢，排列方式沿舱体长方位布置，槽钢与底板连接，机柜通过地脚螺栓与槽钢相连。
图3 预制舱体结构材料简图
预制舱体采用硅橡胶材料进行各部件的隔离，以用来保护舱内各设备被外界因素侵扰。预制舱设计过程中，厂家需要随设备配置电缆多径密封元件，用来保证变电站安装地点
2018.14电缆连接后达到密封效果。2.2 预制舱的照明设计智能变电站的建设在能源的利用方面有着显著的体现，预制舱将二次设备集合化，将站内的面积利用最大化与合理化[13]。在预制舱体内部，照明方案的设计需保证设备运行与人员维修的安全性，提高舱内运行环境。因为国家电网的预制舱二次组合设备技术规范要求预制舱体的使用年限需达到四十年，所有照明光源在选择时需拥有以下特点：使用周期长，节能环保效果好，光源光照性能稳定，外表不易损坏，抗冲击性能强。预制舱照明设计需采用节能安全的光源，目前光源种类有LED灯、白炽灯、荧光灯与高压气体光源四种。通过表3可以看出LED灯与荧光灯为两种适合的光源。表3 不同光源特点比较表名称优点缺点使用场合节能，无频闪，光线LED灯无辐射，使用维修周照射角度范围小，市区路面照期长，不含汞和氙等抗磁能力不足明，电子显有害元素，利于回收示屏白炽灯启动速度快，成本低，能源利用率低，寿家庭，无辐光源小，光色好命短，抗磁能力低射工厂荧光灯结构简单，显色性好，光源寿命短、光源强家庭，学校，使用周期长度单一、存在谐波干扰，存在汞污染办公室气体光源节能，耐久性好显色性差管道类建筑在考虑节能环保持续利用的情况下，本次设计选择苏州浩旺特照明厂生产的HGP1505 LED吸顶灯作为预制舱体照明光源。其具体技术参数如下表所示：
表4 LED灯具体参数表
额定电压AC/DC：12～48V 50Hz / AC/DC：85～260V 50Hz额定功率4×3W（LED光源）平均使用寿命≥100000/h防护等级IP65防腐等级WF2绝缘等级I级引入电缆Φ6～Φ8/mm外形尺寸350×135×53/mm总重量1/Kg
已知预制舱体选择尺寸为12200mm×2800mm×3133mm的舱体，安装屏柜高度为600mm，舱体底部电缆敷设预留高度设计为150mm，所选LED光源为吸顶灯，外形尺寸为350×135×53/mm，则灯具计算高度为：
hr=3133−600−53−150=2280mm （1）该种灯具的最大距高比为2.2，则灯具间的合理距离为L
l≤hr=2.2×2.28=5.016m （2）
预制舱内灯具具体布置方案如图4所示。
图4 预制舱内灯具布置图
该布置方案的实际灯距为l=3m≤5m，满足设计要求。
设计与研发2.3 照明系统设计照明控制上实现舒适节能照明的重要手段，也是节约能源的有效措施，传统的照明控制系统结构单一，控制流程单调，预制舱的照明系统满足了安全，绿色环保等功能，更为实效的控制预制舱照明功能的实现[14-15]。图5预制舱内所有安全控制系统示意图，其中预制舱智能照明系统将计算机系统与控制系统和系统集成技术融为一体，实时监测和控制舱内照明系统的运行状况，根据舱内环境的变化，收集具体数据，在计算机上进行具体的控制和测量。舱内各个环节的运行实时反馈，形成全天候监控，确保预制舱的安全性。图5 预制舱安控系统设计图
在预制舱照明系统中，各个环节的信息交换通过交换机以IEC 61850规约进行相互联动，实现信息交互。远程中心通过交换机实时获取预制舱内照明控制系统情况，同时接收辅助控制系统的相关信息，实现远程控制监测。
3 预制舱平面布置设计
3.1 预制舱屏柜布置设计
预制舱内部布置需根据屏柜数量选择布置方式。舱内屏柜或安装框架的宽度应为600mm，预制舱内屏柜排设为一排，在保证排列合理的条件下，屏柜可在舱体两侧靠前安装。
本次预制舱设计采用屏柜布置。屏柜排列方式为双列靠墙式布置，将屏柜的接线与显示采用前置单面设计，充分利用预制舱体内部空间，降低了建设成本，使得布局更为合理。
图6 预制舱内屏柜布置图
预制舱二次屏柜的尺寸根据需要有两种规格：2260×800×600(mm)和2260×600×600(mm)。在确保空间利
7设计与研发用率最大化的条件下，本次设计采用600宽的二次屏柜。舱内二次设备前段接线前端显示，所有二次屏柜背部靠墙，双排排列，中间预留通道，预制舱内屏柜布置图如图6所示。本次二次设备屏柜包含继电保护，计量装置，通讯设备，时钟装置，监控系统，一体化电源，智能复制系统等。二次屏柜前段接线可以提高预制舱面积利用率，对于前段接线二次屏柜存在的走线问题，二次屏柜前端接线设计只改动人机版面模块，内部装置采用前段插排，主CPU与液晶板用软连接数据线连接，将屏柜上的显示部分设计在屏柜左侧部分，空出二次屏柜右侧空间用于布线，内部配线完成后，在屏柜上安装可拆卸的封堵板。屏柜下侧打开使用旋转装置，旋转面板装设复位按钮，压板与切换开关，内部装设端子排。3.2 预制舱接线设计预制舱的光缆均选择厂家定制的光缆，外部定制缆与内部定制缆外壳防护等级需满足IP67和IP65。舱体中布置一面预制式连接柜，用于实现舱内外预制光缆的即插即用。预制舱内二次设备以设备舱为单位设置标准的光纤配线柜，通过光缆与舱内二次设备相连。配线柜与舱体外部设备的连接采用多芯室外预制光缆连接，接线工作由厂家在工厂内连接。预制舱体两端在底部设置4个进出线电缆接口，接口与厂家预制式电缆光缆接口配套，用于实现预制舱体与外部设备连接。预制舱底部敷设专用铜排，用于设计舱内二次等电位接地网。二次等电位接地网与屏柜内部接地铜排相连，和外部设备的连接通过预制舱底部的电缆沟。
3.3 预制舱土建设计
预制舱的设计与制造在工厂内统一完成后运输至施工现场与一次设备进行对接安装。因此预制舱的运输与拼接成为土建部分的重点。
预制舱在工厂内完成后重约20吨，运输采用集装箱式专用平板车，运输道路考虑预制舱与车身高度与宽度，在工厂起吊过程中，吊车连接舱体底部八个方位，吊车起吊重量大于35吨，仰臂吊角40°~80°。
土建现场满足以下要求：①尽量避开潮湿、高温及有易燃易爆危险的场所；②尽量靠近负荷中心或电源侧，该项原则极为重要；③尽量避开污源或设在污源上风侧；④进出线方便、设备运输方便；⑤有扩建和发展的余地。变电站土建现场设计在车间周围，宜靠近负荷中心，预制舱对接过程中，施工现场进行洒水清洁，尽量减少灰尘的污染[16-18]。
4 总结
智能电网的建设是国家电网公司发展的主要方向，预制舱式变电站的研究建设则是其中重要环节。本文研究了预制舱式变电站优点与特点，预制舱体的结构。通过对这两块的研究，变电站工作人员可以更为清晰的将预制舱式变电站与普通变电站区分开来，在变电站设计时对变电站功能有更为直观的了解。对预制舱结构形式的研究通过对三种不同舱型
82018.14的分析与研究，把他们的自身材料与结构的优点缺点进行比较，以供设计人员选取符合设计要求的舱型。主要设计了预制舱式变电站中预制舱体部分的设计，具体包括预制舱的舱体选择与设计，预制舱内部照明设计，预制舱的内部布置方案与预制舱与变电站两者的土建设计。参考文献[1]田俊强,臧稼立,唐华.智能变电站的预制舱及机架式组屏方案研究[J].山西建筑,2016,(36):144-145.[2]王淑静.预制式二次组合设备舱在变电站中的应用[J].科技创新与应用,2016,(34):157.[3]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.[4]朱秀琴,卫银忠.变电站二次设备预制舱的设计技术探讨[J].能源与环境,2015,(06):26-27+29.[5]赵和平,唐浩,胡昊,聂壤.智能变电站二次预制舱设备布置与应用分析[J].自动化应用,2015,(12):144-146.[6]戴建清,刘强兴.智能变电站预制舱式二次组合设备方案探析[J].机电信息,2015,(36):72-73.[7]吴蓓.智能电网预制舱的设计和研究[J].工业控制计算机,2015,(03):1-165.[8]刘志伟,张敏,黄荣辉,陈德生.预制舱结构设计中应注意的问题[J].自动化应用,2015,(01):31-32+43.
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