地下变电站 GIS设备安装研究 *

刘龙 1，白玮 1，王静 2，徐娟 2，吴永洁 2

1. 
   

2. 平高集团有限公司 2. 中国电力企业联合会电力建设技术经济咨询中心

摘要：本文通过分析地下变电站不同厂家220kV和110kV GIS组合电器设备外形，总结了GIS设备安装、调试、运维特点，研究出GIS配电装置室相关重要尺寸，并提出适用于地下变电站GIS交流耐压试验方式，降低配电装置室层高；同时依据地下变电站空间受限特点，介绍了一种GIS设备气垫运输系统，可大幅提升GIS安装效率。在保证设备可靠性、安装、运维便捷性的前提下，提高地下变电站综合能效，降低建设和运维成本，为今后开展资源节约型、环境友好型的地下变电站设计提供参考。

关键词：地下变电站；GIS组合电器；交流耐压试验；气垫运输

0 引言

随着我国城市对电力建设的依存度越来越高，电力负荷不断提高，电力需求持续增长，用电负荷更加密集。由于城市内土地资源有限，同时受制于城市规划、景观和占地等条件，北京、上海、深圳、广州、济南、武汉等城市均开始建设地下变电站^[1-2]，一方面可满足城市规划、环保等相关要求，另一方面可综合利用宝贵的土地资源，满足本地区供电需要，但同时也带来建设难度大、本体建设费用高等难题。

其中，文献[3]对北京地区地下110kV变电站的建设规模、电气接线、站址选择和布置型式等做了简要介绍，并对工程造价进行了对比分析；文献[4]对上海地区地下变电站的设备选型、结构优化，以及采暖通风等进行了阐述；文献[5]对国际国内地下变电站的建设情况进行了综述，并对主变压器、GIS设备、无功补偿等设备在地下变电站的布置位置进行了分析；文献[6]对地上220kV全户内变电站主要设备选型、配电装置室布置和优化等方面开展了较为详尽的研究，并以天津永定河220kV变电站为例，与可行性研究阶段的相关指标进行了对比。但以上文献均未针对地下变电站相关特点，开展小型化GIS设备安装设计相关的深入研究。

本文通过分析地下变电站不同厂家220kV和110kV小型化GIS组合电器设备外形，总结了GIS设备安装、调试、运维特点，研究出GIS配电装置室相关重要尺寸，尤其是提出了几种适合于地下变电站GIS设备的耐压试验方式，降低配电装置室层高，降低工程造价；同时依据地下变电站空间受限特点，介绍了一种GIS设备气垫运输系统，可大幅提升GIS安装效率，在保证设备可靠性、安装、运维便捷性的前提下，提高地下变电站综合能效，降低建设和运维成本，为今后开展资源节约型、环境友好型的地下变电站设计提供参考。

1 地下变电站GIS配电装置室设计

1.1 设计主要原则

地下变电站GIS配电装置室的设计应执行国家和行业相关标准^[7-9]，符合国家相关法律法规要求，达到安全可靠、先进适用、投资合理、节能环保的要求。一方面GIS配电装置室的设计应满足GIS组合电器的安装、试验、运维等要求，另一方面还要坚持节约集约用地的原则，尽量减少配电装置室的高度、长度和宽度，合理控制工程造价。

GIS配电装置室尺寸主要由GIS设备尺寸、GIS运输通道尺寸、附属设备的尺寸，以及检修、巡视、安装、试验、扩建等位置的预留等。

1.2 220kV GIS配电装置室设计

1.2.1 配电装置室长度设计

根据设计规范^[9]对于GIS配电装置室检修及巡视通道的相关规定，确定220kV GIS配电装置室长度计算原则如下：

1m（巡视通道宽度）+间隔总数×2m（间隔宽度）+2m（检修通道宽度）+2～3m（电缆出线位置需避开设备室底板结构梁，故考虑设备布置预度）=配电装置室的最小长度，再结合配电装置室柱网结构及其它设备间的布置要求，从而确定220kV GIS配电装置室的最终长度。如间隔宽度可减少至1.5m或者1.8m，则长度可进一步缩小。

图1 220kV GIS配电装置室长度布置示意图

1.2.2 配电装置室宽度设计

经调研，220kV小型化GIS最大设备长度为6.0m（不含智能汇控柜），220kV GIS配电装置室宽度计算原则如下：

1m（巡视通道宽度）+6.0m（设备断面总长）+2m（检修通道宽度）+0.8m（智能汇控柜柜深）+1.0m（智能汇控柜后开门）=10.8m。

由以上计算可见，智能汇控柜与GIS一体布置时，考虑一定裕度，建议220kV GIS配电装置室轴线宽度为11m。

图2 220kV GIS电缆出线间隔示意图

1.2.3 配电装置室高度设计

地下变电站的埋深直接决定地下变电站的土建费用，因此在设计过程中应尽可能压缩各设备间的层高，其中GIS设备室的层高是一个较为突出的问题。

220kV GIS设备整间隔的垂直运输可采用吊车吊至设备安装层，水平距离的运输采用地面拖拽方式。配电装置室内的吊钩需考虑母线筒、电缆终端、电压互感器、避雷器等配件的吊装。本文以采用吊钩安装方式为例计算层高。

经调研，220kV小型化整间隔GIS最大设备高度为4.3m，220kV GIS设备起吊高度为4.3+1.5=5.8m；同时需考虑吊钩长度和顶板次梁的高度0.6m，故110kV GIS配电装置室最小层高为5.8+0.6=6.4m，同时综合考虑其他设备布置的情况，最小层高推荐为6.5～7m。

1.3 110kV GIS配电装置室设计

1.3.1 配电装置室长度设计

110kV GIS配电装置室长度计算原则如下：

1m（巡视通道宽度）+间隔总数×1m（间隔宽度）+2m（检修通道宽度）+2～3m（电缆出线位置需避开设备室底板结构梁，故考虑设备布置预度）=配电装置室的最小长度，再结合主厂房柱网结构及其它设备间的布置要求，从而确定110kV GIS室的最终长度。如间隔宽度可减少至0.8m，则长度可进一步缩小。

图3 110kV GIS配电装置室长度布置示意图

1.3.2 配电装置室宽度设计

经调研，110kV小型化GIS最大设备长度为4.2m（不含智能汇控柜），110kV GIS配电装置室宽度计算原则如下：

1m（巡视通道宽度）+4.2m（设备断面总长）+2（检修通道宽度）+0.8m（智能汇控柜柜深）+1.0m（智能汇控柜后开门）=9.0m。

由以上计算可见，智能汇控柜与GIS一体布置时，建议110kV GIS配电装置室轴线宽度为9.0m～9.5m之间。

图4 110kV GIS电缆出线间隔三维示意图

1.3.3 配电装置室高度设计

经调研，110kV小型化整间隔GIS最大设备高度为3.9m，110kV GIS设备起吊高度为3.9+1.3=5.2m；同时需考虑吊钩长度和顶板次梁的高度0.5m，故110kV GIS配电装置室最小层高为5.2+0.5=5.7m，同时综合考虑其他设备布置的情况，最小层高推荐为6～6.5m。

1.4 小结

参考本文推荐的220kV、110kV配电装置室尺寸，较常规户内GIS通用设计尺寸有一定的优化，具体详见下表。

表1 GIS配电装置室优化对比表

如果220kV和110kV配电装置室长度参考某工程实际尺寸，分别按照60m和40m估计，预计可节约建筑面积130m²，挖方体积3235m³，可大幅节约地下变电站土建工程量和相关投资。

2 GIS交流耐压试验对配电装置室的影响

GIS交流耐压试验是影响GIS设备室层高的主要因素之一。耐压试验过程中，一方面需保证试验套管的安全净距要求，另一方面需考虑试验设备的安装、运输等因素。

户内变电站常规耐压试验方案中，综合考虑试验套管安装高度、安全净距和房间顶梁高度等要求，220kV GIS室的层高需要9m左右，110kV GIS室需要6.5m左右。

地下变电站中，为合理降低层高，可采用以下方法开展耐压试验^[6]：

1．通过电力电缆或者SF₆临时母线等，将试验地点改到具备开展试验的区域。

2．在试验套管与安全净距不足的位置临时增加绝缘护板。

3．采用SF₆气体绝缘的专门试验用变压器，密封开展耐压试验。

4．若出线为全电缆线路，可在对侧变电站开展耐压试验；还可在架空转电缆处开展耐压试验。

建议地下变电站选取合适的耐压试验方式，使得耐压试验不成为制约GIS室层高的决定因素。

3 GIS气垫运输系统研究

变电站全过程机械化施工是电网建设的重要趋势，一方面有利于支撑坚强智能电网的建设，另一方面可以有效解决施工人力资源紧张、人工成本持续上涨的问题，另外，还可有效提升安全、质量、效率。气垫运输系统作为一种机械化施工的重要手段，已逐渐在电力系统中开展应用^[10]。

GIS组合电器户内安装时一般采用单设备运输组装和整间隔运输方式。整间隔运输时，地下变电站中可采用GIS下方铺设滚杠和气垫系统两种方式运输就位。现阶段，气垫运输方式具有操作简单、对GIS设备振动冲击损害小等优点，逐步形成一种GIS整体安装推荐方式。

图5 气垫运输系统在GIS设备运输中的应用

3.1 气垫运输系统主要原理

气垫运输系统是一种新型的重型设备移位和搬运的工具，它采用特殊的悬浮气垫作为重物的承托运输平台，气垫工作时悬浮于地面几毫米，地面与气垫间几乎无摩擦。

气垫运输系统主要包括车体、工装、气垫模块、平衡模块、驱动模块、自动导引模块几部分^[7]。

图6 气垫运输系统组成

气垫运输系统是利用压缩空气作为动力来源驱动，使之能在悬浮的状态下搬运重物行走。气垫装置工作时需要压缩空气，可利用工厂内部的压缩空气系统，也可以使用单独的空气压缩机^[11]。

3.2 气垫运输系统使用要求

气垫运输系统的气源一般采用工业上常用的0.7MPa压缩空气，对气体的洁净程度没有特殊要求，可利用现场的压缩空气系统或小型移动式空气压缩机供气。

气垫运输系统工作时气囊与地面之间会产生大约0.1mm的气膜，因此需要平滑、连续、无缝的地面条件，可以使用打磨混凝土地坪地面、聚酯地坪或环氧树脂地坪工作地面开展运输，要求地面的平面度不大于0.2%，倾斜度不超过0.1°，阶梯高度差不超过0.5mm，且要求地面必须是干燥的。

3.3 小结

与传统运输方式比较，气垫运输系统具有灵活性高、操作高效、无损运输、安全环保等优势，目前，气垫运输系统已在各个行业中广泛应用。但在实际应用中一般不单独使用，而是作为设备主体移位或部件零件运输用。另外，在实际使用中，气垫运输系统由于无法进行垂直提升，只能进行平行移位，因此仍需吊车配合使用。

4 结论

本文通过分析地下变电站不同厂家220kV和110kV小型化GIS组合电器设备外形，总结了GIS设备安装、调试、运维特点，研究出220kV和110kV GIS配电装置室长度、宽度、高度的推荐尺寸，并提出了几种适合于地下变电站GIS设备的交流耐压试验方式，进一步降低配电装置室层高，降低工程造价。经对比分析，本文推荐的220kV配电装置室宽度较常规户内设计方案减少1.5m，高度减少2.5～3m；110kV配电装置室宽度较常规户内设计方案减少0.5～1m，高度减少1.5～2m，可大幅节约土建挖方工程量和投资。

同时依据地下变电站空间受限特点，介绍了一种GIS设备气垫运输系统，可大幅提升GIS安装效率。通过上述研究，在保证设备可靠性、安装、运维便捷性的前提下，提高了地下变电站综合能效，降低了建设和运维成本，为今后开展地下变电站设计提供参考。

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*基金项目：《地下变电站用126kV GIS研制》（国家电网有限公司总部科技项目，合同编号：SGLNDK00KJJS1900153）。