纪坤华1，朱苛娄2，廖天明1，周谷亮1，吴荣1，施春波1
（1．国网上海市电力公司，上海 200000；2．平高集团有限公司，河南 平顶山 467001）
摘 要：方舱式开关站作为一种可移动、可重复利用的新型开关站，其建造规范尚未形成统一的行业标准，有别于传统建筑开关站建设模式。对方舱式开关站结构布局进行深入分析和结构创新，结合相关标准规范，提出了一种12 kV 方舱式模块化开关站集成设计方案，此种方案适应目前中压配电开关站项目快速、安全投运的建设模式，能快速解决长距离配电线路主网架可靠性亟待提升的突出问题。模块化集成开关站在经济性、安全性、环保性、周期性方面表现优异，已在上海崇明岛进行了工程应用。关键词：方舱；模块化；集成设计；开关站；环保36xp
中图分类号：TM643 文献标志码：A DOI ：10.19421/jki.1006-6357.2021.03.013
航空母舰模型［引文信息］纪坤华，朱苛娄，廖天明，等．12 kV 方舱式开关站模块化集成设计及应用［J ］．供用电，2021，38（3）：84-90．JI Kunhua ，ZHU Kelou ，LIAO Tianming ，et al ．Modular integration design and application of 12 kV square cabin switching station ［J ］．Distribution & Utilization ，2021，38（3）：84-90．
0 引言
随着现代城市化进程的不断加快，电力配电网架建设需进一步提升 ，受制于城市变电站建设的限制，开关站的建设能够优化现存配电网架［1-8］。传统的开关站建设周期长，土地使用面积大，建造成本高，设备现场安装作业工作量大［9-14］。方舱式开关站采用“标准化设计、工厂化预制、装配式建设”的全新模式能够很好地解决上述问题。 相比传统开关站建筑模式建设而言，方舱式开关站的建设已经在效率、经济性、环保、运行可靠性方面占据优势，高效率解决了配电网建设中的电能负荷分配问题，提高了配电网的安全可靠性，减少建造成本［15-17］。随着社会的发展，环境保护意识的增强及土地使用问题的突出，要求方舱式开关站更加紧凑及环境友好，方舱式开关站模块集成及环保性设计显得至关重要。文献［18］中给出了一种光伏电站应用预制舱开关站智能化的方案，对舱体内一次主设备结构模块化布局、结构紧凑没有研究阐述；文献［19］中给出了10 kV 智能开关站中监测预警、程序化一键操作等技术应用，但一次主设备技术老旧且占用空间大，不紧凑、不环保；文献［20-22］中给出预制舱组合二次设备的模块化自动集成系统设计及二次环境优化，开展二次屏柜的组合及辅控系统的协同研究，降低能 耗，二次屏柜模块及数量较多，集成化程度低，占用空间较大。
针对当前12 kV 方舱式开关站整站设计相关分析，本文提出12 kV 方舱式模块化集成开关站方案，结
合
工程需求，开展工程应用。
1 1
2 kV方舱式开关站关键技术
ci5241.1 模块化设计技术
FFU净化单元12 kV 方舱式开关站是集舱体、高压一次、二次控制、辅控系统为一体基础上开展模块化设计，考虑运输及舱体空间高效利用，整舱按照功能划分为高压舱、低压舱两模块；高压舱模块分为高压柜模块1、高压柜模块2；低压舱模块分为站用变柜模块、二次屏柜模块。辅控系统执行元件和感知元件分散集成于舱体中，辅助控制系统集成于二次屏柜模块中。根据用户不同需求调整模块内部组成及参数，整站结构简单、性能稳定、生产周期短。1.2 高压柜环保小型化设计技术
高压柜各模块结构如图1所示。高压柜采用目前国内先进环保型气体（N 2）绝缘开关柜，采用真空开断技术，高压回路全部气体密封，单气箱结构，安全可靠，免维护，柜体尺寸 500 mm ×1 050mm ×2 350 mm （1 250 A ），较传统KY28系列柜体800 mm ×1 450mm ×2 360mm 占地
面积减小54.7%，大大减小了占地面积。
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1.3 二次屏柜集成技术
方舱式开关站二次屏柜采用功能划分组屏，以满足使用要求情况下最少屏柜为原则，屏内按照功能单元进行模块分区，充分利用屏内空间；整站系统采用标准屏柜尺寸，由自动化屏、交流屏、直流屏、蓄电池屏、电度表屏组成，减少屏柜占用面积。
1.4 电力物联网技术
方舱式开关站辅控系统构建局部物联网，实现了开关站电力环境监控；辅控系统集成图像监视、安全警卫、消防火灾报警、环境监测、语音对讲、照明控制等设备，实现开关站远程巡视、报警联动、安全智能警示等功能。
2 12 kV方舱式开关站系统构成
12kV方舱式开关站由舱体、智能辅控系统、站用变压器柜、二次屏柜、一次高压柜五大模块组成，各模块单独设计，建设周期短。
2.1 舱体
舱体是方舱式开关站防护载体，决定了开关站的外观、防护、承载能力，由底座、外壳、顶盖等部分构成。底座用槽钢、角钢、扁钢、钢板等组焊或螺栓连接固定成形，确保整体强度和刚度要求；外壳由外墙、隔气防潮膜、保温材料、结构板、结构构件、内墙等材料组成，确保保温、防水要求；顶部采用彩钢瓦或压型钢板双层结构，确保通风、防积水、防积雪要求。
2.2 智能辅控系统
智能辅控系统是预制式开关站实现智能化的重要组成部分，实现了开关站远程巡视、可视化操作、报警联动、安全智能警示等功能，是实现无人值守的重要技术支撑。主要由环境监控系统、视频监控、安全警卫、采暖通风、门禁、火灾报警、消防、语音对讲、照明控制等组成，构建局部物联网，实现各组成之间的联动操作，大大提升了开关站运行安全性。
2.3 站用变压器柜
站用变压器是给开关站自身供电的降压变压器，为了提高其可靠性及安全性，采用进线柜、馈线柜、变压器柜一体化、模块化、小型化结构设计；站边柜可满足不同变压器容量的使用需求，可配30、80、100kVA干式/油变压器。
2.4 二次屏柜
电源采用交直流一体化电源，为提高电源安全可靠性和扩容性，交直流电源采用单独屏柜分离设计，直流电源蓄电池单独屏柜，以满足不同用电容量的需求；计算机监控、监测系统、继电保护、智能辅助控制系统集成到自动化屏柜中，充分利用屏柜空间，减少屏柜使用数量；高低压电能测量的电度表单独一个屏柜，以满足开关站电能度量。
2.5 一次高压柜
一次高压柜采用先进的环保小型化设计技术，柜体占地面积小，低碳环保（N2），可靠性高；12kV 开关站为提高其供电质量及可靠性，采用单母线路分段结构，两段母线舱内平行对称布局，充分利用舱体空间。
图1高压柜各模块结构Fig.1 Modular structure
3.1 设备选型及布局
根据上海崇明岛哨2东旺线改造施工方案，上海崇明岛预装式开关站为地面独立布置12 kV 二进八出
根据12 kV 方舱式开关站模块化集成设计方案，结合本开关站电气主接线图，本工程的方舱设备布局及电缆走向如图2所示。
图2 方舱设备布局及电缆走向
Fig.2 Layout of s helter equipment and cable direction
3.2 舱体设计及辅控设备
根据开关站一次电气设计方案、检修、运输等因素综合考虑，舱体总面积39.6 m 2，大小为：9 900 mm ×4 000 mm ×3 450 mm ，舱体占用土地面积较常规（KY28-12柜配置面积约76 m 2）同规模开关站方舱减小约47.9%。
监测网站高压舱内高压柜“一”字平行布置，间距1 000 mm ，高压柜靠墙距离250 mm ；舱体分割采用十字分割方式，单个分割舱体宽度2 100 mm ，小于目前运输限宽3 000 mm 的要求。
舱体采用轻钢门式框架，骨架结构采用经镀锌处理的槽钢（工字钢）及角钢制造，对焊接处严格化处理，以保证其具有足够的机械强度和抗腐蚀性，并对框架结构进行力学仿真分析，以满足结构强度及刚度
要求。
墙体采用纯聚氨酯保温棉（50 mm ）+金邦板（20 mm ）+内装层墙体结构（50 mm ），使保温及隔热
效果相当于280 mm 厚砖墙，舱体外表面采用立体彩绘图案，与周边环境相协调，舱体的防护等级达到IP43。
户外舱体内部纵向设有操作走廊，操作及维护通道满足GB/T 17467―2020《高压/低压预装箱式变电
站》的规定，舱内操作前后走廊铺绝缘胶垫。除湿机靠墙布置和空调内嵌在墙体上，减少占用面积。柜体的散热孔及柜后独立风道设计，柜体距离舱体距离250 mm ，使舱内和柜内空气进行交换，以保证舱内温度降低柜内温度。
3.3 环保节能气体绝缘开关柜
采用新一代环保节能型12 k V 气体绝缘开关
设备研制与应用1
2
雷电冲击管式直线电机
耐压
断口间kV85对地或相间kV75
3额定频率Hz50
4额定电流A 1 250
5额定短路开断电流/时间kA/s25/4
6额定短时耐受电流kA25
7额定峰值耐受电流kA63
8额定短路关合电流kA63
9额定充气压力(绝对值，20 ℃)MPa0.12
环保开关柜主接线方案如图3所示，站变柜、馈线柜、进线柜、分段柜采用N2X-12-01柜型，隔离柜采用N2X-12-22柜型，PT避雷器柜采用N2X-12-22柜型。性强。站用变压器采用30kVA干式变压器，75℃以下功耗1400W；变压器柜低压出线刀熔开关为二路，其中一路为消防专用，另一路为30kVA低压刀熔开关出线，开关站低压用电。本站选用的变压器型号为：SC10-30 kVA 10.5/0.4 U k=4% DYn11。
图3开关柜主接线方案
Fig.3 Main wiring scheme of switch cabinet
3.4 站用变压器柜
站用变柜由进线柜、负荷开关熔断器柜、变压器柜集成组合，如图4所示。在布局上采用左右对称放置，此种模块集成设计安全可靠、预制程度高、适应
图4站用变压器柜结构
Fig.4 Structure of occupied transformer cabinet
3.5 辅助控制系统
配电智能辅助监控系统汇集了门禁监控、火灾报警、防盗报警、水位越限报警（可联动水泵抽水）、环境温湿度监测与控制、视频监控等丰富功能，并可集成配电自动化“三遥”（遥信、遥测、遥控）功能。系统把现有开关站等环境、辅助动力设备控制等，并通过无线4G公网（或光纤）的手段上传至“云”服务器，通过Web和APP方式，实现对辖区内的开关站、配电站等进行集中监控与管理，系统如图5所示。
辅助控制系统使用的物联网技术应用如下：
1）温度联动空调，设置温度联动空调策略，当系统主机监测到环境温度大于设置的空调启动温度，系统向空调控制器推送控制指令启动空调制冷；当系统主机监测到环境温度小于设置的空调停止运行温度，系统向空调控制器推送控制指令关闭空调运行。
2）湿度联动除温机，设置湿度联动除湿机策略，当系统主机监测到环境湿度大于设置的除湿机启动湿
度，系统发出启动除湿机指令，启动除湿机除湿；当系统主机监测到环境湿度小于设置的除湿机停止运行湿度，系统发出停止除湿机运行指令。
3）风机联动消防系统，当消防系统报警时，则强制关闭风机、空调，联动启动消防装置，调用摄像装置追踪消防点。
4）开门启动应急LED照明，系统监测门状态为打开状态时，自动打开门口LED照明，当门状态为闭合时自动关闭LED照明。
5）开门解警，关门布防。
6）进门视频抓拍。
7）站内监控主机进行手动控制：如开空调、除湿机等。
8）现场警戒报警，远程或系统喊话语音驱逐。3.6 消防灭火系统
消防系统是保证开关站长久安全运行的重要保障，开关站消防系统采用悬挂式七氟丙烷（或气溶胶）自动灭火防火系统，七氟丙烷（或气溶胶）具有清洁、低毒、电绝缘性好，灭火效率高的特点，不损坏设备，可减少火灾损失；悬挂式七氟丙烷（或气溶胶）自动灭火防火可重复使用，灭火器布局电缆沟及变压器柜内。
3.7 二次屏柜
12kV开关站低压室集中布置12kV电镀表屏1面，直流系统1套（2面屏），交流屏1面，配电自动化屏1面，共计5面屏。本站设有K型站自动化成套装置，采用保护与测控合二为一方式，通信上则采用光纤
通信；智能化屏集成自动化成套装置、间隔层交换机、纵向加密装置、电光以太网交换、继电保护、智能辅助控制系统于一体。交流电源采用2回站用电源，分别来自2个站用变压器，经开关及电缆接至交流屏，交流屏为开关站辅助设备、直流屏供电，并安装ATS低压自动转换开关，容量380V、100A，实现1、2号站用变压器互为备用电源，以保证站用电源的可靠性。直流屏使用高频开关电源DC110V、60A、100Ah阀控式密封铅酸蓄电池，采用直流系统监控模块实现直流电源系统监控、电池巡检、绝缘检测，并通过远程通信进行数据传输，实现远近监控，提高直流供电可靠。
3.8 工程安装及投运
上海市首个移动式智能开关站示范性工程——崇明35kV前哨站10kV哨2东旺线改造工程项目于2019年5月6日正式立项，根据工程需求，从设计、制造、装配、运输、安装、调试于2019年7月10日正式投运，历时2个月，超短的建设周期标志着崇明区电网系统网架结构优化建设开启全新模式，将为当地经济发展及居民用电提供有力保障。使用近1年未出现一次停电故障（项目应用前年故障次数8~10次），现场安装投运后效果如图6所示。
图5智能辅助系统
Fig.5 Intelligent auxiliary system
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