基于高山峡谷区域特殊配电装置楼建设设计研究

基于高山峡谷区域特殊配电装置楼建设设计研究

毛宇  徐晴  高智威

西南电力设计院有限公司  四川成都  610000

摘要：西南地区丰富的清洁能源大多处于高山峡谷地带，而用地紧张是高山峡谷地带面临的最大挑战。本文以配电装置楼为研究对象，根据换流站的功能需求，综合考虑其结构选型、总平布局、建筑平面布置与防火分隔、建筑结构耐火、建筑构造与装修、安全疏散、消防设施、供暖和通风系统、建筑防水等多方面因素，给出了一整套高山峡谷区域中特殊配电装置楼的解决方案。

关键词：高山峡谷区域；配电装置楼；

引言:高山峡谷区域修建换流站最大特征就是用地紧张，建筑只能竖向空间上发展，涉及到电气出线、投资、施工等方面因素，往地下发展难度巨大，只能修建多层配电楼，建筑相应从结构选型、总平布局、建筑平面布置与防火分隔、建筑结构耐火、建筑构造与装修、安全疏散、消防设施、建筑防水等方面进行详细方案研究。

1  设计输入条件

GIS全称气体绝缘组合电器设备，它将一座换电站中除变压器以外的一次设备，包括断路器、隔离开关、接地开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、母线、电缆终端、进出线套管等，经优化设计有机地组合成一个整体。据电气资料某高山峡谷地区换流站配电楼由GIS室（3/2接线320m长x16m宽x15t吊车吊钩高10m）（单母线接线388m长x9m宽x10t吊车吊钩高10m）、继电器室（56m长x9m宽x层高4.2m）组成，其中继电器室所占本层防火分区建筑面积比例大于5％，根据《火力发电厂与变电站设计防火标准》 GB50229－2019配电楼火灾危险性应为丁类，耐火等级二级，详细分析见4.2.4。

2  结构选型

考虑到站址高寒地区的温差极大，在建筑选材时，要避免采用变形系数大的板材作为建筑材料，这些材料容易受温差变化导致老化、变形、脱落的加剧，于此，应主要选用石材、木材、水泥制品和一些变形系数小的金属材料；施工工艺方面，要尽可能多的采用胶粘的施工工艺，而尽可能少采用水泥粘接的施工工艺。一方面高寒地区施工周期短不利于水泥粘接施工，极大的温差和冬季冰冻会造成水泥粘接大量的开裂、剥落、脱落、碱蚀等等。

在交通运输不便、施工周期受天气影响非常大的地方，钢结构是非常理想的建造方式，现场施工量少、安装快捷、综合造价可控，施工工艺相对简单，简化现场操作，利于项目建成。

3  总平布局

根据全站总平布局，预留给配电楼修建场地仅426m长，39m宽。根据《建筑防火通用规范》（GB55037）3.4.1工厂厂区内应设置可通行消防车并与外部公路连通的道路以及3.4.2高层应至少沿建筑的两个长边设置消防车道，据此，最终确定修改区域尺寸为426m长，31m宽。

4  建筑平面布置与防火分隔

按电气资料3/2接线GIS 320m长，加上继电器室56m，总长376m，设置在一层；单母线GIS 388m长，设置在二层；考虑桥式吊车运行空间，吊钩上至少应预留3m高空间，上下层高均为13m，建筑高度26.3m，因此配电楼为高层工业厂房。

表4-1 建筑经济技术表

根据《建筑设计防火规范GB50016 （2018年版）》丁类高层厂房每个防火分区的最大允许建筑面积4000m2，但是3/2接线GIS 320m长x16m宽＝5120m2，远超防火分区面积，电气布置也不允许分为两个防火分区。

GIS室内设备采用的是六氟化硫灭弧介质，是一种无机化合物，化学式为SF6，常温常压下为无色无臭无毒不燃的稳定气体，分子量为146.055，在20℃和0.1 MPa时密度为6.0886kg/m3，约为空气密度的5倍，六氟化硫分子结构呈八面体排布，键合距离小、键合能高，因此其稳定性很高。SF6是强电负性气体，它的分子极易吸附自由电子而形成质量大的负离子，削弱气体中碰撞电离过程，因此其电气绝缘强度很高，在均匀电场中约为空气绝缘强度的2.5倍。SF6气体在t≈2000K时出现热分解高峰，因此在交流电弧电流过零时，SF6对弧道的冷却作用比空气强得多，其灭弧能力约为空气的100倍。由于SF6气体具有优良的不燃性、灭弧性能和绝缘性能以及良好的化学稳定性，它从20世纪50年代末开始被用作高压断路器的灭弧介质。在超高压和特高压断路器中，SF6作为灭弧介质，已取代油，并已大量取代了压缩空气。综上所述，GIS室火灾危险性为戊类，规范上也有明确。

而继电器室中屏柜数量和电缆较多，虽然都采用的是A级或B级阻燃电缆；但是电缆大都由聚乙烯、交联聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、天然橡胶等材料制作，这些材料的氧指数都在19或以下，一般在300度－－400度即能引燃。并且燃烧时发热量比同等重量的煤炭还要大，所以，采用这些材料制作的电缆一旦着火就将不能自熄而延燃，这是导致电缆火灾的蔓延扩大的主要原因。同时电缆着火燃烧时产生大量烟气中的有毒气体达到一定浓度时，就会损害人体健康以致丧命。因此防火规范也明确继电器室火灾危险性为丁类。

综上，根据《火力发电厂与变电站设计防火标准》GB50229－2019条文解释11.1.1 建筑中若采用防火分隔措施，则分隔的区域可以分别确定危险性分类和耐火等级，否则应按火灾危险性类别高者，防火分隔措施一般指防火墙。GIS室应按戊类设计，继电器室按丁类，之间应采用实体防火墙（耐火极限≥3.0h）完全分隔开来。

5  建筑结构耐火

根据《建筑防火通用规范》GB55037－2022配电楼钢承重构件应按耐火极限和受力情况进行耐火性能验算和防火保护设计。配电楼为高度不大于50m的高层厂房，耐火等级应为二级，钢柱耐火极限≥2.5h，钢梁耐火极限≥1.5h，屋顶承重构件耐火极限≥1.0h。

配电楼内GIS室无可燃性材料，继电器室存在有难燃电缆，从经济性、施工便利性出发，配电楼钢承重构件采用防火涂料保护经济合理。根据《建筑钢结构防火技术规范》GB51249－2017 和《钢结构防火涂料》GB 14907－2018 钢柱采用非膨胀型防火涂料，厚度≥15mm；钢梁、屋顶承重构件采用膨胀型防火涂料，厚度≥1.5mm，具体厚度施工时应根据采购产品说明书来确定。

6  建筑构造与装修

GIS与继电器室之间应采用防火墙完全分隔开来。《建筑防火通用规范》GB55037－2022 防火墙任一侧的建筑结构或构件以及物体受火作用发生破坏或倒塌并作用到防火墙时，防火墙应仍能阻止火灾蔓延至防火墙的另一侧。按通用规范要求，防火墙应为自承重的实体墙，砌体填充墙或钢筋混凝土墙，不应采用防火板类轻质防火墙。实际上，防火板类墙体在火灾和射流水枪的作用下，或者在受损结构或相邻垮塌物体的侧向作用下，很快就会失去其完整性，不能很好的发挥阻止火势蔓延的作用。因此，在实际工程中不应采用此种构造的防火墙。

配电室装修材料根据《建筑内部装修设计防火规范》GB50222－2017均应采用A级不燃材料，地面采用水性聚氨酯自流平，墙面为单层压型钢板，楼板和屋面采用压型钢板底膜钢筋桁架楼层板。

7  安全疏散

表7-1 建筑经济技术表

根据以往工程经验，GIS厂房内设备较大，人员通道无法连续性设置，造成疏散距离折线弯曲，因此平面考虑长轴方向从端部开始间距不大于50m设置一个楼梯间。单母线GIS 388m长布置在二层，两端还需设置各10m长的设备运输平台，因此配电楼总长388＋2x10＝408m，共需设置9部楼梯。楼梯采用45°室外钢梯，考虑美观，楼梯设置屋面和局部墙面，满足自然采光、通风、排烟等要求。

8  消防设施

根据《建筑防火通用规范》GB 55037－2022 配电楼内主要工艺房间GIS室为戊类厂房，应设置室外消火栓，室内设手提式磷酸铵盐干粉灭火器＋推车式磷酸铵盐干粉灭火器，可不设置室内消火栓和自动喷水灭火系统。

配电楼采用室外疏散钢梯，具有良好的防烟排烟条件。

《建筑防火通用规范》GB 55037－20221 8.3.1条丙类高层厂房应设置火灾自动报警系统，配电楼不涉及此项。

9  供暖和通风系统

GIS设备在－25℃以上气温下均可正常运行，因此配电楼无需设置供暖空调系统，根据《建筑节能与可再生能源利用通用规范》GB 55015－2021和《工业建筑节能设计统一标准》GB 51245－2017 GIS室属于二类工业建筑，围护结构热工性能限值不做要求，墙面采用单层压型钢板围护。GIS室设置有机械排风，自然进风系统，避免SF6气体聚集。

继电器室布置有保护屏柜、通信屏柜等，运行期间对温度、湿度有要求，需设置空调系统，围护采用双层保温压型钢板围护或砌体填充墙，围护结构热工性能限值满足规范要求。

10  建筑防水

《建筑与市政工程防水通用规范》GB55030－2022 工程防水应遵循因地制宜、以防为主、防排结合、综合治理的原则。配电楼防水等级依据工程类别和工程防水使用环境确定为：屋面Ⅰ级防水；外墙为非封闭式金属幕墙，室内对渗漏不敏感，因此外墙和地面不设置防水层。考虑到配电楼屋面有H型钢柱出线构架，采用金属屋面节点复杂，漏水隐患较大，因此配电楼二层单母线GIS室屋面也采用压型钢板底膜钢筋混凝土桁架屋面板。屋面设3道高分子防水卷材，在钢柱出屋面地方还附加有混凝土保护支墩和卷材，保证屋面整体防水性能。