国网浙江电力攻克新一代智能变电站关键技术
1月18日,嘉兴平湖乍浦镇,一个多月前投运的浙江省首个新一代智能变电站220千伏勤丰变电站各项指数平稳正常,正在源源不断地为浙北百姓送去冬日的“温暖”。
但路过这里的人都会多看她几眼。的确,勤丰变院子里两侧9根独立钢管杆和伸向不同方向的“翅膀”十分“拉风”,而且有一个好听的名字――“双飞蜓”。“双飞蜓”的背后则是我国变电站设计历史上第一个垂直出线的变电站。
破旧立新 香蕉和牙签帮了我们大忙
这几根特立独行的钢管杆从梦想照进现实,国网浙江经济技术研究院的设计团队用了三年时间。
2013年,国网浙江经研院设计中心参加了国家电网公司输变电工程设计竞赛,中心主任陈飞和同事们琢磨着设计一个既方便施工建造,又节能环保的新作品。
什么样的变电站才是符合历史发展潮流的?结合社会发展现实,陈飞团队把最关键的目标锁定在节约土地上,创造性地提出了垂直出线方式。
“我们通常讲做事要补‘短板’,木桶能盛多少水取决于它最短的那块木板,而变电站要想节约土地,则要砍‘长板’。”
一般情况下,变电站在结构上分为这样几排。以高压出线侧为例,围墙外面的终端塔连接的是门型架,起到将线路引进站内的作用,可以看作第一排。第二排为GIS设备,又称气体绝缘全封闭组合电器,它将断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器等封闭于充满六氟化硫密闭容器中。再往里的第三排是并列布置的主变。
主变宽度并不大,220千伏GIS单间隔宽度最小也可做到3米。唯独受出线方式所限,每一回线路的门型架有12米宽,六回就要72米。正是它“撑起”了变电站的腰围,又顺带着抬高了昂贵的母线等变电站耗材用量,让GIS设备的优势不能充分发挥。
“门型架的设计是由长期以来我们所采用的变电站出线方式决定的。”设计中心变电室副主任高美金摊开一张变电站规划图纸。通常情况下,变电站GIS设备与终端塔连接时采用架空出线,三相导线水平排列,连接她们的门型架必须一字排开。门型架宽度成了变电站总平布置的“长板”,浪费了不必要的土地。
“既然水平方向上能做,为什么不能让它竖起来呢?”高美金和同事们联想到输电线路中三相导线就是垂直排列,就打算利用“空间换平面”原理把变电站出线方式“扭过来”。团队打破原来的平面设计思维,培养空间立体视角,先设计了品字形出线、双层出线,后设计出螺旋式、阶梯式垂直出线方案,但要么横向尺寸优化有限,要么耗钢量太大,结构复杂,检修不方便。
最终,设计团队锁定了“双飞蜓”式垂直出线方案。GIS三相套管垂直于主母线方向一字排列,出线构架简化为一根独立钢管杆,三相导线通过独立钢管杆横担挂点引至上中下三层,同杆双回实现垂直式出线。
但横担如何设计才能让挂在上面的导线满足安全距离?没有设计模型,没有先例借鉴,大家又遇到了难题。深夜,设计室里灯火通明,废弃的图纸堆满房间。
一筹莫展时,一位同事拨开一根香蕉正准备往嘴里送。“有了!”陈飞见状立即叫大家找来牙签插在香蕉上,拴上细线一遍遍演示,终于得到了三层出线横担分别错开45度的最佳角度。
远远看去,长了八对“翅膀”的独立钢管杆就像两只趴在树干上的蜻蜓,因此,这项关键技术又被称为“双飞蜓”。
我国第一个变电站垂直出线设计方案就此出炉,三相导线垂直排列直接上挂,由独立钢管杆的横担牵引,与终端塔相连。这种设计颠覆了变电站传统水平出线和门型构架的常规模式。2回出线共用一根独立钢管杆实现三相导线上中下三层垂直出线,较常规水平出线,220千伏、110千伏单间隔宽度最优均可减少50%。
当年7月,这一设计方案让所有专家眼前一亮,摘得国家电网输变电工程设计竞赛一等奖。不久,“GIS双飞蜓出线布置结构”获得了国家发明专利授权,并被中国电力建设关键技术成果评审鉴定为“达到国际先进水平”。
思维融合 理论碰上实践才会慢慢坚强
拿了大奖的陈飞团队并不满足。在他们眼中,“这么好的物件儿要变成现实才有意义。”于是陈飞开始了多单位、多部门的沟通协调,落实应用工程。由于GIS垂直出线不是国家电网公司通用设计,各个工程都不敢用。
几个月后,事情有了转机。经过国网浙江省电力公司推荐,国网公司基建部将这一设计列为“国家电网公司依托工程基建新技术研究”项目,这意味着垂直出线可以从图纸走进现实了。
2014年恰逢浙江省第一个新一代智能变电站在嘉兴开建。嘉兴220千伏勤丰变成为陈飞团队立志拿下的目标。
但是开始并不顺利。高美金来到嘉兴平湖实地查看后发现,原来的设想与现实对接不上,好多细节都不周全,“参加竞赛的作品放到实际的工程中确实嫩了点儿。”
开弓没有回头箭。陈飞再次召集变电、线路、土建三个专业的工程师,完善方案。这一次,他们更加注重专业融通、思维融合。
团队要求每个设计细节都要从不同专业同时考量。“双飞蜓”上的螺母用什么型号,法兰大小怎么选,钢管杆做多高合适,里面灌不灌混凝土,爬梯如何安装才安全美观。这些问题被再次导入软件计算系统中进行数据采集、分析与运算。他们利用自主研发的三维仿真设计系统对电气距离等进行仔细校验,每个问题都要结合其他专业的意见调整到无可挑剔。
采用水平出线时,横排门型架两侧受力,构架相对稳定。而采用垂直出线,独立钢管杆一边承受来自输电线路终端塔的张力,另一边由于导线直接向下走,由套管接入GIS设备,没有了足够的张力保持平衡。安全会不会成问题?
每个独立钢管杆上八根互呈45度角的横担,它们各自安放在什么高度最合适?由它们连接的导线在大风、覆冰等特殊工况下能不能满足安全距离?
2015年1月8日,陈飞团队带着这些问题北上,来到中国电力科学研究院进行模拟仿真试验。整个团队陪着黑黝黝的钢管杆经受着大风、覆冰、外力破坏等特殊运行工况的考验。一项项数据陆续出炉,构架扰度和应变值等均在正常范围内。
先前的预想经受住了考验,方案最终确定了下来,220千伏独立钢管杆的高度被确定为24米,双飞蜓的翅膀――四对横担分别开在距地面9米、14米、19米和24米处,交叉角仍为45度。其他问题也找到了最为稳妥的解决办法。
团队成员、设计中心变电室主任高亚栋回忆,随后召开的项目初设评审会上,建设、运维单位虽然原则上认可垂直出线可以节省投资,同意该方案,但对施工难度、检修维护方式、设备安全性,甚至变电站扩建时吊车能否进入等问题提出了诸多质疑。
由于在设计时就采用了变电、线路、土建多专业融合的思路,这些问题陈飞和同事们早有考虑。设计团队一一向相关人员做出解答,并根据属地公司的带电、停电检修等运维习惯对方案进行了个性化补充。
“一种新事物出现时,总会因为和以前的运作方式不一样而不太容易接受。即便它本身没什么问题,也都需要一个适应的过程。”高亚栋这样理解别人的质疑。
垂直出线让220千伏勤丰变成为没有施工经验可以借鉴的项目。进入土建阶段,设计团队绷紧了神经,时刻为施工单位做好技术支撑,力求勤丰变一次成优。
今天,勤丰变投运已近两月,一切正常。由于采用了垂直出线,变电站总占地面积较通用设计减少18%,节约土地2.39亩,节约投资180万元。
雄心勃勃 推广不只有经济上的考量
勤丰变的顺利建成让陈飞团队的梦想照进了现实,也让他们收获了一大波荣誉。
“220kV户外GIS 变电站垂直出线方式及总平面布置优化的研究”获得2015年中国电力建设科学技术进步二等奖、国网浙江省电力公司科学技术进步二等奖,相关成果已获得国家发明专利2项,实用新型专利4项,“关于推广应用GIS垂直出线方式,节约土地资源的建议”被评为国网公司2015年优秀合理化建议。
梦“醒”时分,他们又开始许下一个愿望了。“梦想还是要有的,我们希望变电站垂直出线能够进入国家电网通用设计名录。”
变电站的设计建造是一项高技术含量的工作。为了保证其安全可靠,只有进入“通用设计”名录的技术方案才被认为是可靠的,才能在工程中广泛使用。现在该项技术被列为国家电网公司依托工程设计新技术推广应用实施目录发布应用类成果,意味着垂直出线技术可以用,但每次都要写专题报告申请。
“如果都像勤丰变这样走流程,推广的成本足以令人望而却步。”陈飞说。
推广得有推广的价值。问及GIS垂直出线的优势,陈飞显得十分自信。
“首先是省!”按照国网浙江经研院的初步计算,如果一个220千伏变电站采用GIS垂直出线,那么高压侧、中压侧的单间隔宽度最多可减少50%。以浙江每年新增25座220千伏变电站的现实情况计算,全省每年可节约占地60亩,节约投资4500万元。
“省钱是次要的,土地资源不可再生。”随着中国经济社会的发展,在发达地区或山地丘陵地带,能够新建变电站的地方少之又少。灵绍特高压直流工程绍兴换流站就为了争取足够的面积而开山凿石。不少老的变电站要想改扩建,也会面临围墙内土地不够、围墙外无地可征的困境。所以,在内部构造上,每一寸土地的节省都意义非凡。
此外,由于输电线路塔一般是三相导线垂直排列,因此GIS垂直出线挂线更方便与终端塔对接。其灵活的模块化设计功能,也为变电站改扩建施工等提供了方便。
而高亚栋看好这一新发明,更是因为它符合了新一代智能变电站的发展趋势。
新一代智能变电站有系统高度集成、结构布局合理、装备先进适用、经济节能环保、支撑调控一体等特征,是我国变电站建设的发展方向。
简单地说,将来的变电站要小型化、智能化、集成化。实现这一目标,需要通过整体集成设计,优化变电站主接线和总平面布局,整合各分系统功能,通过设备的标准化设计、模块化建设等手段,实现现场机械化施工,提高工程建设安全质量、工艺水平。
这些举措如今都已在嘉兴勤丰变的设计中采用,陈飞团队还实施了“集成化智能设备+一体化业务平台+模块化建设”的标准化模式。“双飞蜓”式垂直出线的应用,解决了小型化的新一代智能变电站普遍需要电缆出线匹配(易导致送出容量受限)的不足,开创了新一代智能变电站设计建造先河。
先进理念造就先进成果。嘉兴220千伏勤丰变在设计人员的精心打造下,应用了国内首套基于大数据继电保护可视化运维与防误预警平台,集光伏建筑和微电网等高新科技于一体,创造了高效利用各种能源的新范本,也昭示着变电站未来的发展方向。
“研究为本,创新为魂。”陈飞团队经常说:“经验上比不过,但创新上要突破。”带着这股闯劲儿,这支年轻的团队期待着下一个项目的落地。
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