張?jiān)?，胡道徐，李葛忠，易杰，常永?/p>

(1． 思源電氣股份有限公司，上海201108;2． 上海思源弘瑞自動(dòng)化有限公司，上海201108)

青海110 kV 多巴變預(yù)制艙是國家電網(wǎng)公司第2批9 項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)配送式智能變電站試點(diǎn)預(yù)制艙工程的唯一一個(gè)華東以外的試點(diǎn)工程。預(yù)制艙智能變電站建設(shè)，需要遵循“安全性、適用性、通用性、經(jīng)濟(jì)性”協(xié)調(diào)統(tǒng)一的原則，實(shí)現(xiàn)“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化加工、裝配式建設(shè)”，結(jié)合通用設(shè)計(jì)、 “兩型一化”和全壽命周期設(shè)計(jì)等標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)成果〔1〕，并根據(jù)青海地區(qū)高寒高海拔、沙塵大特點(diǎn)作針對(duì)性設(shè)計(jì)。

由于受運(yùn)輸條件限制(外保溫會(huì)占用一部分空間)，預(yù)制艙通常采用內(nèi)保溫的方式，內(nèi)保溫層材料與內(nèi)裝修材料通常合二為一〔2〕。例如，采用金屬面的聚苯乙烯、聚氨酯和巖棉等夾心板進(jìn)行裝飾，或在泡沫塑料板表面貼石膏板或各類裝修板等。內(nèi)保溫形式的箱體容易出現(xiàn)熱橋現(xiàn)象，需要做適當(dāng)處理，防止結(jié)露和發(fā)霉影響室內(nèi)環(huán)境。

而青海多巴顯著的特點(diǎn)就是高海拔寒冷氣候，因此保溫和隔熱設(shè)計(jì)對(duì)于預(yù)制艙整體設(shè)計(jì)顯得尤為重要。青海多巴縣的地理自然條件為:海拔高度:2 350～2 800 m;環(huán)境溫度:－31.7～+33.4 ℃;太陽輻射強(qiáng)度:1 120 Wm2;最大日溫差:25 ℃;平均相對(duì)濕度:61%;大氣壓力:86～106 kPa。

1 預(yù)制艙相關(guān)規(guī)范和要求

工程中用到的型預(yù)制艙的箱體尺寸(長×寬×高)為12 200 mm×2 500 mm×3 133 mm(以上長和寬的尺寸不包含頂蓋，但高度尺寸包含頂蓋)〔1〕。預(yù)制艙整體框架由鋼骨架結(jié)構(gòu)焊接而成，滿足起吊、運(yùn)輸、栓固、提供艙內(nèi)元器件安裝位置要求，整個(gè)保溫層結(jié)構(gòu)使用外保溫層加內(nèi)保溫層來實(shí)現(xiàn)，墻體由外墻金邦板、呼吸紙、巖棉、歐松板、結(jié)構(gòu)構(gòu)件、內(nèi)墻鋁塑板組成，吊頂采用巖棉夾芯板，底部采用巖棉板和巖棉夾芯板。

文獻(xiàn)〔1〕對(duì)于預(yù)制艙暖通的要求:每個(gè)預(yù)制艙內(nèi)設(shè)2 臺(tái)工業(yè)一體式空調(diào)，壁掛式安裝，1 臺(tái)故障時(shí)仍可滿足艙內(nèi)二次設(shè)備正常工作要求5～30 ℃。

冬季室外氣溫在一天中波動(dòng)很小，其傳熱過程以穩(wěn)定傳熱為主;夏季室外氣溫和太陽輻射在一天中隨時(shí)間有較大的變化，是周期性的不穩(wěn)定傳熱。冬季保溫一般只要求提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻，夏季隔熱不僅要求圍護(hù)結(jié)構(gòu)有較大的熱阻，而且要求有較好的熱穩(wěn)定性。

保溫設(shè)計(jì)應(yīng)確保內(nèi)表面不結(jié)露，即內(nèi)表面溫度不低于室內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度。結(jié)露點(diǎn)會(huì)使內(nèi)裝飾表面潮濕，霉變甚至滴水。內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)的露點(diǎn)位置是在靠近外墻內(nèi)側(cè)的表面存在結(jié)構(gòu)冷(熱)橋的部位，這些部位因內(nèi)外溫差過大常產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象，應(yīng)避免結(jié)構(gòu)冷(熱)橋的存在。

2 預(yù)制艙的保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 保溫材料選擇

二次設(shè)備預(yù)制艙應(yīng)盡可能采用熱導(dǎo)系數(shù)小的高效保溫隔熱材料，以減少保溫層的厚度，提高室內(nèi)使用面積〔3〕。目前主要的保溫材料有聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料、巖棉板、玻璃棉等。它們的材料性能對(duì)比見表1。

表1 聚氨酯噴涂硬泡與巖棉板部分性能對(duì)比

考慮到加工工藝和施工成本，此次預(yù)制艙的保溫材料選擇巖棉板和巖棉夾芯板，雖然熱阻低于聚氨酯和環(huán)保要求次于聚氨酯，但其防火性能大大優(yōu)于聚氨酯〔4〕。

2.2 墻體設(shè)計(jì)

墻體由外墻金邦板、呼吸紙、巖棉、歐松板、結(jié)構(gòu)構(gòu)件、內(nèi)墻鋁塑板組成。

外巖棉板厚度為50 mm，內(nèi)巖棉板厚度為30 mm，同時(shí)在鋼方柱之間塞滿80 mm 厚巖棉板。金邦板是一種外墻裝飾板，呼吸紙的作用是使水氣單向透過性，水氣不向墻體滲透，歐松板為墊襯安裝呼吸紙和金邦板作用，結(jié)構(gòu)構(gòu)件為鋼方管，內(nèi)墻為鋁塑板加30 mm 厚的巖棉板。外巖棉板可依金邦板龍骨和鋼方柱間隙進(jìn)行填充，內(nèi)巖棉板依鋁塑板大小進(jìn)行填充，此次選用的鋁塑板的規(guī)格大小為1 220 mm×2 440 mm，采用無縫干掛方式進(jìn)行安裝，達(dá)到內(nèi)裝飾面平整美觀的效果。墻體構(gòu)成如圖1所示:

內(nèi)外雙層保溫的效果要比單一保溫層的保濕效果好(假設(shè)總厚度保持一致)，2 種方案均能符合節(jié)能傳熱阻的要求，但單一保溫層在進(jìn)行內(nèi)裝飾時(shí)，一些內(nèi)裝飾面接口，如保溫夾芯板插接口，相互垂直的墻體以及墻體與屋面和地板的接縫等部位熱流密集，內(nèi)表面溫度較低，易產(chǎn)生冷(熱)橋，可能產(chǎn)生程度不同的結(jié)露現(xiàn)象。

2.3 頂部設(shè)計(jì)

制艙宜采用雙坡屋頂結(jié)構(gòu)，也可采用單坡結(jié)構(gòu)，屋面坡度6%，可預(yù)防積水和積雪。

為防止排水管冬天嚴(yán)寒情況下結(jié)冰爆裂，預(yù)制艙屋面采用散排水方式(空調(diào)排水管只有夏天會(huì)有滴水情況，冬天沒有，因此排除在這個(gè)情況之外，空調(diào)排水管采用暗敷方式。)。

預(yù)頂部保溫層的厚度為100 mm。頂部的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 預(yù)制艙屋頂結(jié)構(gòu)

2.4 底部設(shè)計(jì)

預(yù)制艙箱體底部安裝在架空的防潮濕的水泥墩，因此，除箱體前后、左右和頂部與室外空氣直接接觸外，底部也與室外空氣直接接觸。因此底部的保溫設(shè)計(jì)尤其重要。

底部采用H 型鋼和槽鋼焊接而成，底部保溫采用50 mm 厚巖棉板和50 mm 厚巖棉夾芯板，同時(shí)在預(yù)制艙的內(nèi)表面上鋪設(shè)38 mm 厚木基陶瓷防靜電地板，木質(zhì)材料有一定的保溫性能，同時(shí)中間有一定的密封空氣層，提高預(yù)制艙整體保溫效果。

考慮到整體密封要求，在完成線纜安裝后，須把預(yù)制艙底部進(jìn)線口用防火泥封堵，以達(dá)到密封保溫的效果，同時(shí)進(jìn)線口的大小設(shè)置為700 mm×600 mm 大小，增加保溫效果。預(yù)制艙底部結(jié)構(gòu)如圖3:

圖3 預(yù)制艙底部結(jié)構(gòu)

3 預(yù)制艙的熱仿真

通過以上艙體結(jié)構(gòu)的保溫隔熱設(shè)計(jì)，只需要在艙體端部各安裝1 臺(tái)工業(yè)空調(diào)(制冷功率4 kW，制熱1 kW)和1 kW 電暖氣，即可滿足多巴地區(qū)設(shè)備運(yùn)行要求。電暖氣輔助加熱為二次設(shè)備預(yù)制艙中首次嘗試使用，電暖氣采用不帶風(fēng)扇壁掛式安裝的輻射加熱型，每套電暖氣由4 個(gè)最大額定功率250 W 的電暖片組成，布置在艙體內(nèi)長度方向的兩端。

預(yù)制艙熱仿真共選取了5 種極限情況來分析:

1)夏季制冷。環(huán)境溫度33.4 ℃，同時(shí)考慮太陽輻射的影響，艙內(nèi)屏柜發(fā)熱，2 臺(tái)空調(diào)同時(shí)工作(制冷)，空調(diào)出風(fēng)溫度18 ℃，每臺(tái)空調(diào)實(shí)際制冷，艙內(nèi)最低溫度18 ℃，最高溫度25.4 ℃。

2)夏季制冷。環(huán)境溫度33.4 ℃，同時(shí)考慮太陽輻射的影響，艙內(nèi)屏柜發(fā)熱，空調(diào)1 失效，僅單臺(tái)空調(diào)工作(制冷)，空調(diào)出風(fēng)溫度18 ℃，單臺(tái)空調(diào)實(shí)際制冷，艙內(nèi)最低溫度18.5 ℃，最高溫度28.3 ℃。

3)夏季制冷。環(huán)境溫度33.4 ℃，同時(shí)考慮太陽輻射的影響，艙內(nèi)屏柜發(fā)熱量，空調(diào)2 失效，僅單臺(tái)空調(diào)工作(制冷)，空調(diào)出風(fēng)溫度18 ℃，單臺(tái)空調(diào)實(shí)際制冷，艙內(nèi)最低溫度19.3 ℃，最高溫度28.6 ℃。

4)冬季制熱。環(huán)境溫度－31.7 ℃，同時(shí)考慮艙外空氣流動(dòng)的影響，艙內(nèi)屏柜發(fā)熱，空調(diào)不工作，僅使用電暖器進(jìn)行加熱。當(dāng)電暖器實(shí)際加熱時(shí)，艙內(nèi)最低溫度19.1 ℃，最高溫度25.4 ℃。

5)極端低溫冷啟動(dòng)制熱。從仿真計(jì)算結(jié)果可以看出，環(huán)境溫度－31.7 ℃，艙內(nèi)屏柜不工作，并開啟電暖器和空調(diào)加熱，艙內(nèi)環(huán)境溫度從－31.7℃升溫到－5 ℃(溫升27 ℃)，用時(shí)10 h，加熱時(shí)間偏長。

加熱時(shí)間偏長的主要原因有:

1)整個(gè)預(yù)制艙熱容非常大，而加熱功率相對(duì)較小;

2)隨著艙內(nèi)溫度的升高，導(dǎo)致內(nèi)外溫差增加。會(huì)有更多的熱量與外界進(jìn)行熱交換，延長了加熱時(shí)間。

由仿真分析可得出結(jié)論:

1)保溫性能的高低對(duì)預(yù)制艙維持艙內(nèi)溫度十分重要，保溫性能越好，對(duì)預(yù)制艙制冷和加熱越有利;

2)按此保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制冷和加熱要求均可以滿足文獻(xiàn)〔1〕規(guī)定的艙內(nèi)二次設(shè)備正常工作要求5～30 ℃;

3)預(yù)制艙低溫冷啟動(dòng)的預(yù)加熱時(shí)間較長，調(diào)試時(shí)(裝置不發(fā)熱)如遇極端低溫(－31.7 ℃)，大約需要封閉情況下加熱1 天方可進(jìn)倉工作。

4 結(jié)語

目前國內(nèi)預(yù)制艙的研究才剛剛開始起步，對(duì)該領(lǐng)域的熱工研究尚未形成體系，青海110 kV 多巴變預(yù)制艙根據(jù)青海地區(qū)高寒高海拔、沙塵大特點(diǎn)作針對(duì)性設(shè)計(jì)，為這一類型地區(qū)預(yù)制艙今后設(shè)計(jì)研發(fā)提供了可供參考的實(shí)例。

二次設(shè)備預(yù)制艙可以讓變電站建設(shè)更容易，具有占地少、投資省的突出優(yōu)點(diǎn)。隨著行業(yè)越來越多的資源投入，生產(chǎn)加工工藝的發(fā)展，在優(yōu)化布局、增強(qiáng)保溫性能、抗風(fēng)沙和減少制造加工工期上還需進(jìn)一步深入研究。預(yù)制艙的未來發(fā)展可以滿足全球各地區(qū)特殊環(huán)境的要求，同時(shí)也滿足減少投資、縮短工期、低碳環(huán)保的要求。

〔1〕國家電網(wǎng)公司． 預(yù)制艙式二次組合設(shè)備技術(shù)規(guī)范(報(bào)批稿)〔S〕． 2013．

〔2〕嵇翔，但春林． 基于標(biāo)準(zhǔn)配送式智能變電站的集裝箱式電力設(shè)備艙方案研究〔J〕． 電力系統(tǒng)裝備，2013(7):74-78．

〔3〕林釗． 幾種常用保溫材料應(yīng)用比較〔J〕． 制冷，2004，23(04):86-87．

〔4〕郭莉． 保溫材料的概況及選擇〔J〕． 四川電力技術(shù)，2005，28(01):52-55．