葉鍵民，蔡京陶，王若愚，王卿瑋，毛森茂，王詩超

(1. 深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000； 2. 中國能建廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510663)

超大和特大城市的持續(xù)擴(kuò)容，是中國城市化發(fā)展的趨勢。然而城市擴(kuò)容，對于公共管理和公共資源配置將帶來新的壓力。國內(nèi)深圳、廣州等城市，一些公共資源如電力設(shè)施建設(shè)與城市環(huán)境的矛盾日趨顯著。城市人口高速增長的同時(shí)帶來了電力負(fù)荷的快速增長，進(jìn)而導(dǎo)致城市電力設(shè)施對城市用地提出了更多的需求，城市用地的緊缺又對電力設(shè)施與城市布局的融合提出了更高的要求。國外城市化進(jìn)程較早的日本東京、美國西雅圖等城市，在城市快速擴(kuò)張的階段，對電力設(shè)施與城市融合做了較多的探索，如日本東京新豐洲地下變電站建于市民公園之下，不僅解決了市中心電力供應(yīng)緊張的局面，同時(shí)完善了中心城區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，使安全供電的可能性大大提高，還為居民提供了集健身、休閑于一體的敞開式都市花園[1-2]；美國西雅圖丹尼變電站，打破傳統(tǒng)風(fēng)格約束，把城市步行街道、景觀、基礎(chǔ)設(shè)施融為一體，結(jié)合公園規(guī)劃設(shè)計(jì)，通過環(huán)形的多階梯走廊把行人吸引到變電站，變電站最高處可以將城市景觀盡收眼底，實(shí)現(xiàn)了公共基礎(chǔ)設(shè)施、城市設(shè)計(jì)和景觀建筑的高度融合[3-4]。

本文研究了日本東京電力設(shè)施與城市布局融合的有關(guān)經(jīng)驗(yàn)和做法，通過借鑒其在城市電力設(shè)施建設(shè)的先進(jìn)理念和城市混合功能規(guī)劃經(jīng)驗(yàn)，有利于我國形成科學(xué)、規(guī)范、全局化的城市電力設(shè)施發(fā)展方向，對我國深圳、廣州等特大型城市提高城市用電可靠性、完善電力設(shè)施功能、融合電力設(shè)施建設(shè)與城市布局帶來一些啟示。

1 日本電力公司概況

按供電區(qū)域劃分，日本成立有東京電力、北陸電力、中部電力、關(guān)西電力等10家電力公司。不同電力公司之間聯(lián)系較弱，跨區(qū)域電力交換較少。以東京電力公司為例，其實(shí)行發(fā)輸配供一體化管理，供電范圍為首都和附近其他地區(qū)，供電人口約5 000萬，總的供電面積4萬km2，承擔(dān)了日本近1/6的電力供應(yīng)份額[2]。2019年東京電力供電范圍的最高供電負(fù)荷約達(dá)6 000萬kW，售出2 800億kWh電量，占日本全國總售電量的36.2%。東京電力公司在其管轄區(qū)域內(nèi)建設(shè)了堅(jiān)固的輸配電線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對所有客戶的雙回路供電；已建成足夠的發(fā)電裝置，系統(tǒng)峰值備用率超過8%，完成了從“供電”到“良好供電”的變換。

日本東京地區(qū)人口密度大，用電量和負(fù)荷密度在全球大中城市居于前列。隨著城市化水平和電力工業(yè)的快速發(fā)展，電力設(shè)施與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)的要求逐步提高，東京電力公司在緩解土地資源緊缺與電力設(shè)施建設(shè)矛盾，實(shí)現(xiàn)變電站建筑設(shè)計(jì)與周圍環(huán)境融合結(jié)合方面，開展了一些較好的舉措。

2 東京電力設(shè)施建設(shè)面臨的問題

東京電力公司在電力設(shè)施規(guī)劃建設(shè)過程中，首先面臨的是土地資源緊缺問題，導(dǎo)致變電站規(guī)劃選址尤其困難。此外緊缺的土地面積又對建筑主體的設(shè)計(jì)提出了更高的要求和標(biāo)準(zhǔn)。另外則是對于征收土地所需付出的補(bǔ)償金較高，嚴(yán)重影響整個(gè)變電站的經(jīng)濟(jì)效益。最后則是社會(huì)對變電站產(chǎn)生的電磁輻射存在一定的偏見認(rèn)知，這就導(dǎo)致在變電站建設(shè)過程中易受到一定程度的阻力。

東京電力公司為了確保電力設(shè)施建設(shè)工程項(xiàng)目的順利開展，采取了以下措施和方式：①充分利用城市綜合管廊。電力電纜與通信電纜、供熱供水管道供用管廊，高效利用土地資源；②將變電站建設(shè)在地下，充分開發(fā)地上和地下空間的利用率；③建設(shè)合建變電站、裝配式變電站等，使電力設(shè)施與其他建筑合理結(jié)合，最大程度地發(fā)揮土地資源的利用率，也不影響到整個(gè)城市的美觀設(shè)計(jì)，進(jìn)而滿足城市用電需求，提高變電站的經(jīng)濟(jì)效益；④充分發(fā)揮廣場、公園等基礎(chǔ)公共設(shè)施的空間利用率，既保證不會(huì)干涉到整個(gè)城市的空間，還能夠?qū)⒆冸娬镜墓δ芙Y(jié)構(gòu)嵌入到整個(gè)城市的發(fā)展中，進(jìn)而不斷推動(dòng)整個(gè)城市的和諧穩(wěn)定發(fā)展。

3 日本綜合管廊工程建設(shè)

3.1 東京臨海副都心綜合管廊

東京城市副中心之一的臨海副都心,位于東京市中央港區(qū),占地面積共4.42 km2。臨海市副都心的市政基礎(chǔ)和配套設(shè)施齊全,每座建筑都可以直接連通上下水、供電通訊、供氣及垃圾回收系統(tǒng),市政管線的種類總共有10種[5-6]。東京臨海副都心綜合管廊斷面示意圖見圖1。

圖1 東京臨海副都心綜合管廊斷面示意圖

為使市政管道高效運(yùn)行，除了雨水管道之外，其他9種管線都被歸納為綜合管廊。該綜合管廊擁有目前世界上最大的截面規(guī)格、管廊長度和能包含的管線量，項(xiàng)目總成本約32億美元，每年維護(hù)管理費(fèi)用需370萬美元。臨海綜合管廊項(xiàng)目成本高，效果顯著，安全性和可靠性都很好。

臨海綜合管廊建筑物的總長度約為16 km，標(biāo)準(zhǔn)斷面主管廊寬度約19.2 m，高為5.2 m，管道間留置2 m的清潔、凈空,方便其對管道進(jìn)行定期的巡視及日常保養(yǎng)。敷設(shè)使用的管線大致分為電力電纜線路、給水管、再生飲用水管、數(shù)據(jù)通訊線路、供熱管道、供冷水管、燃?xì)廨斔凸艿赖雀黝惞艿?，同時(shí)在這條管廊內(nèi)還將為未來的建設(shè)項(xiàng)目提供一定的空間。

3.2 氣體絕緣線路綜合管廊

氣體絕緣線路(Gas Insulated Line,GIL)多用于水電站、核電廠及火電廠。世界上最長的GIL線路在日本，即Shinmeika-Tokai線，該類型的輸電系統(tǒng)總體長度3.3 km，電壓等級275 kV，電流承受能力為6.3 kA，采用綜合式管廊敷設(shè)。綜合管廊建筑坐落在地下30 m，內(nèi)徑5.6 m，分上下2層，綜合管廊上層主要作為雙回GIL輸電線路，下層主要是為發(fā)電廠提供液化天然氣的綜合管道，通過一個(gè)共用的綜合管廊極大地改善和提高了其空間的利用率，節(jié)約了項(xiàng)目建設(shè)投資，目前綜合管廊運(yùn)行情況良好。日本Shinmeika-Tokai線路綜合管廊斷面圖見圖2。

圖2 日本Shinmeika-Tokai線路綜合管廊斷面圖

4 東京變電設(shè)施建設(shè)與城市融合

4.1 東京新豐洲地下變電站

地下變電站的設(shè)置一般分為地下三層，一層布置有主控制室、通信機(jī)房、電容器室、消防設(shè)備安全防護(hù)室等，二層布置主變室、10 kV開關(guān)控制室、110 kV GIS室、接地變室等功能房間，三層為電纜夾層。

日本東京新豐洲500 kV地下變電站是世界上第一個(gè)深入城市地區(qū)的地下變電站，同時(shí)也是世界上第一個(gè)已經(jīng)建成的500 kV地下變電站。地面建筑為9層，變電站總?cè)萘坑? 480 MVA，分為3臺(tái)500 kV、1 500 MVA主變壓器，6臺(tái)275 kV、300 MVA主變壓器，3臺(tái)66 kV主變壓器。

該變電站共有三種電壓標(biāo)準(zhǔn)：500、275、66 kV。500 kV為線路式變壓器機(jī)組，275 kV一次出線為6回，66 kV出線數(shù)為8回。變電站底部布置了變壓器、電抗器、電容器等重型裝置，中間布置GIS等輕型裝置，頂部分別布置了控制室、排氣塔，降低了變電站建造成本。大型裝置進(jìn)入地下的物流運(yùn)輸渠道和有效途徑是地下變電站設(shè)計(jì)中要考慮的一個(gè)重要方面。

此外，新豐洲變電站GIS室層梁底標(biāo)高只比GIS設(shè)備高1 m。GIS室不需要安裝檢修用車，選擇工業(yè)級的照明燈并將其安裝到合理的位置上，這樣就可以大大降低后期的維護(hù)成本，操作方便。常規(guī)的變電站GIS房間一般高度可達(dá)10 m，主要考慮到的就是在GIS房間里設(shè)置自動(dòng)駕駛，其運(yùn)營所需的路徑高度要求較大。這樣的高層建筑設(shè)計(jì)很難在地下變電站實(shí)施。

東京電力公司擁有的地下變電站共享有許多地上的配套設(shè)施，包括公園、寺廟、辦公大廈、電力公司建筑物等。通過這些地上的設(shè)施，地下變電站得到了很好的屏蔽,同時(shí)使得變電站的噪聲、電磁輻射等都得到了有效的降低，達(dá)到協(xié)調(diào)建筑物的景觀、維護(hù)環(huán)境、增強(qiáng)了變電站的安全性等目的。

4.2 東京代官山合建變電站

合建變電站即變電站與商業(yè)設(shè)施融合建設(shè)。合建變電站上蓋物業(yè)產(chǎn)權(quán)多為電力公司自有。東京市區(qū)變電站的建設(shè)面臨著許多問題，包括用地緊張、與城市周邊建筑風(fēng)格協(xié)調(diào)配合、設(shè)備運(yùn)行噪聲對居民生活或辦公影響等外部因素，合建變電站是有效的解決措施之一。合建變電站工程建設(shè)中有較好的成果，不僅合理利用公共資源，減少土地占用，降低成本，而且減少噪聲對周圍環(huán)境的干擾，解決了與周圍環(huán)境建設(shè)的協(xié)調(diào)問題。

合建變電站”就是將常規(guī)布置的變電站的建、構(gòu)筑物集約為一個(gè)整體模塊，將其附設(shè)到其他建筑綜合體中去，故而稱之為“合建式變電站”(見圖3)。

圖3 合建變電站示意圖

以東京特色街區(qū)代官山為例，其超高層公寓項(xiàng)目納入了一個(gè)面積達(dá)13 000 m2的變電樞紐站。這一項(xiàng)目將超高層建筑與大型電力設(shè)施很好地結(jié)合在一起，且正是因?yàn)闁|京電力公司購買了不易被當(dāng)時(shí)市場消化的地下空間用來建設(shè)變電站，才使得該項(xiàng)目順利實(shí)施。項(xiàng)目建成以來，對于將超高層建筑與變電樞紐站放在一塊基地上的問題未引起任何爭議。

東京代官山變電站與常規(guī)變電站的不同點(diǎn)在于：

1)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不同。代官山變電站與主體建筑統(tǒng)籌規(guī)劃設(shè)計(jì)，變電站按工業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，主體建筑按民用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，合建設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)按兩者較高級別執(zhí)行；同時(shí)代官山合建變電站設(shè)計(jì)還滿足相應(yīng)類別行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2)變電站電氣設(shè)備無油化。代官山變電站與合建建筑零距離甚至嵌在其中，共處同一個(gè)場所，采取了特殊有效的防范措施，解決消防問題。根據(jù)日本相關(guān)消防規(guī)定，110 kV及以上電壓等級的變電站的布置要求均為間隔一定的防火間距獨(dú)立建造。因此，代官山合建變電站所有電氣設(shè)備均采用了無油化設(shè)計(jì)。

3)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。代官山變電站火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)納入主體建筑火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)一體設(shè)計(jì)，采用三重報(bào)警方式，將消防報(bào)警信號(hào)分別送至東京電力調(diào)度中心、東京電力安防中心及主體建筑報(bào)警系統(tǒng)，滿足不同單位及部門的管理及監(jiān)控要求。

總的來說，合建變電站不單獨(dú)征地，不設(shè)圍墻，優(yōu)化利用土地資源，是城市基礎(chǔ)設(shè)施與城市開發(fā)項(xiàng)目集約融合的重大創(chuàng)新突破。合建變電站可上蓋物業(yè)，進(jìn)一步提高城市土地開發(fā)價(jià)值，增加社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。合建變電站與主體項(xiàng)目的統(tǒng)籌設(shè)計(jì)、同時(shí)施工，避免了變電站滯后建設(shè)時(shí)由于居民對變電站的不理解進(jìn)行的阻攔，有效降低了變電站建設(shè)的社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)，解決了變電站建設(shè)困難的問題。

4.3 東京豐島裝配式變電站

裝配式變電站是通過標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的設(shè)計(jì)與建造，實(shí)現(xiàn)工廠化加工和生產(chǎn)變電站構(gòu)件和材料，最終利用規(guī)模化生產(chǎn)全面達(dá)到提升質(zhì)量，快速施工和降低成本的目標(biāo)[7]。它是由技術(shù)性高、安全性好、污染小的智能模塊化單元構(gòu)成的密集型、多用途功能封閉式的變電站。

以東京110 kV豐島裝配式變電站為例，主要組成部分均在生產(chǎn)廠商制造、調(diào)試，現(xiàn)場施工時(shí)快速拼裝，各建筑物、構(gòu)筑物實(shí)現(xiàn)并聯(lián)施工，建設(shè)效率明顯高于傳統(tǒng)現(xiàn)澆變電站，工期大幅度縮減。變電站的圍墻、大門、結(jié)構(gòu)支架、設(shè)備支架等全部采用組合式裝配鋼結(jié)構(gòu)、蒸壓輕質(zhì)加氣混凝土板，所有鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件也在廠商處預(yù)制，進(jìn)行工業(yè)化、規(guī)?；a(chǎn)，技術(shù)統(tǒng)一化，規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化。現(xiàn)場施工基本無濕式作業(yè)，施工無污染、無噪聲，對施工作業(yè)人員健康的不良影響大幅度減少。與傳統(tǒng)變電站相比，東京豐島裝配式綜合變電站在設(shè)計(jì)上具有工期短、現(xiàn)場操作時(shí)間短、質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，減少占地面積，集約生產(chǎn)，縮短工期，使變電站建設(shè)走上了科學(xué)技術(shù)含量高、精密細(xì)化建設(shè)的道路。

裝配式變電站利用“裝配式”技術(shù)，更改了傳統(tǒng)變電站建設(shè)模式。在東京豐島裝配式變電站建設(shè)中，使用預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)材料加工制作的各種建筑元件、電氣設(shè)備及自動(dòng)化控制單元以及電纜的集成與組裝等一系列創(chuàng)新技術(shù)，減少了工作量，工期時(shí)間大大縮短，保證質(zhì)量，減少人工成本，提高質(zhì)量和環(huán)境效益。裝配式變電站是變電站建設(shè)的一場新革命，它不僅突破了傳統(tǒng)變電站電氣布局、土建設(shè)計(jì)和施工模式，更是對電網(wǎng)及電網(wǎng)工作者的一種挑戰(zhàn)。裝配式智能變電站雖處于發(fā)展初期，但將來應(yīng)是提高電網(wǎng)建設(shè)水平、促進(jìn)智能電網(wǎng)發(fā)展的有效途徑之一。

5 對國內(nèi)特大型城市電力設(shè)施建設(shè)的啟示

深圳電力負(fù)荷密度位居全國之首，隨著城市發(fā)展特別是城市更新改造工作的開展，城市變電站，尤其中心高密度負(fù)荷區(qū)變電站選址落地越發(fā)困難，變電站用地與土地供給的矛盾越來越突出。借鑒日本東京電力設(shè)施建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)和舉措，在深圳電力設(shè)施建設(shè)規(guī)劃選址、方案制定時(shí)綜合考慮城市綜合管廊、地下變電站、合建變電站以及裝配式變電站等方案，可以產(chǎn)生較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益：

1)可與城市布局有機(jī)融合。采用城市綜合管廊，地下變電站、合建變電站等，消除了架空線路走廊的征地以及與環(huán)境協(xié)調(diào)等問題，有效利用了地下空間，可以實(shí)現(xiàn)與城市環(huán)境的融合。

2)大幅節(jié)省工程用地。采用地下變電站、合建變電站不須單獨(dú)征地，不新建圍墻，可以優(yōu)化利用土地資源。根據(jù)南網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，圍墻內(nèi)占地面積不超過3 071 m2，深圳國土局要求為不超過2 500～2 800 m2，地下變電站、合建變電站幾乎不征地，節(jié)省率達(dá)100%。

3)顯著提高土地開發(fā)價(jià)值。地下變電站、合建變電站可上蓋物業(yè)，進(jìn)一步提高了城市土地開發(fā)價(jià)值，增加社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。以某110 kV變電站上蓋物業(yè)計(jì)，可新增建筑面積約2萬m2，以深圳地區(qū)地面商業(yè)價(jià)值估算，新增經(jīng)濟(jì)效益不低于20億元。

4)有效提高供電可靠性。合建變電站可深入負(fù)荷中心，縮短供電半徑，對提高區(qū)域的供電可靠性具有重要作用。以深圳灣科技生態(tài)園為例，如采用110 kV合建變電站方案，該變電站與科技生態(tài)園商業(yè)建筑合建，直接為科技園生態(tài)城提供10 kV出線，供電半徑可縮短至500 m以內(nèi)，比深圳供電局規(guī)定10 kV供電半徑3 km縮短83%，可減少線損20%。

6 結(jié) 語

日本東京與我國一些特大型城市如深圳、廣州等，在地形、人口密度、城市化進(jìn)程、電力負(fù)荷分布、土地資源緊缺等方面存在高度相似性。隨著近年來我國更注重打造生態(tài)城市、綠色城市,社會(huì)對電力設(shè)施與環(huán)境融合的要求越來越高。深圳等特大型城市新的電力設(shè)施建設(shè)借鑒日本東京采用的城市綜合管廊、地下變電站、合建變電站等方案和措施，不僅可以緩解變電站用地壓力，集約利用土地，提高土地綜合利用價(jià)值；同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)變電站深入負(fù)荷中心，縮短供電半徑，提高供電可靠性，較好地解決城市發(fā)展與電網(wǎng)建設(shè)的矛盾，實(shí)現(xiàn)電力實(shí)施與城市布局較好的融合。