二次设备预制舱保温结构设计

张元，胡道徐，李葛忠，易杰，常永良

(1． 思源电气股份有限公司，上海201108;2． 上海思源弘瑞自动化有限公司，上海201108)

青海110 kV 多巴变预制舱是国家电网公司第2批9 项标准配送式智能变电站试点预制舱工程的唯一一个华东以外的试点工程。预制舱智能变电站建设，需要遵循“安全性、适用性、通用性、经济性”协调统一的原则，实现“标准化设计、工厂化加工、装配式建设”，结合通用设计、 “两型一化”和全寿命周期设计等标准化建设成果〔1〕，并根据青海地区高寒高海拔、沙尘大特点作针对性设计。

由于受运输条件限制(外保温会占用一部分空间)，预制舱通常采用内保温的方式，内保温层材料与内装修材料通常合二为一〔2〕。例如，采用金属面的聚苯乙烯、聚氨酯和岩棉等夹心板进行装饰，或在泡沫塑料板表面贴石膏板或各类装修板等。内保温形式的箱体容易出现热桥现象，需要做适当处理，防止结露和发霉影响室内环境。

而青海多巴显著的特点就是高海拔寒冷气候，因此保温和隔热设计对于预制舱整体设计显得尤为重要。青海多巴县的地理自然条件为:海拔高度:2 350～2 800 m;环境温度:－31.7～+33.4 ℃;太阳辐射强度:1 120 Wm2;最大日温差:25 ℃;平均相对湿度:61%;大气压力:86～106 kPa。

1 预制舱相关规范和要求

工程中用到的型预制舱的箱体尺寸(长×宽×高)为12 200 mm×2 500 mm×3 133 mm(以上长和宽的尺寸不包含顶盖，但高度尺寸包含顶盖)〔1〕。预制舱整体框架由钢骨架结构焊接而成，满足起吊、运输、栓固、提供舱内元器件安装位置要求，整个保温层结构使用外保温层加内保温层来实现，墙体由外墙金邦板、呼吸纸、岩棉、欧松板、结构构件、内墙铝塑板组成，吊顶采用岩棉夹芯板，底部采用岩棉板和岩棉夹芯板。

文献〔1〕对于预制舱暖通的要求:每个预制舱内设2 台工业一体式空调，壁挂式安装，1 台故障时仍可满足舱内二次设备正常工作要求5～30 ℃。

冬季室外气温在一天中波动很小，其传热过程以稳定传热为主;夏季室外气温和太阳辐射在一天中随时间有较大的变化，是周期性的不稳定传热。冬季保温一般只要求提高围护结构的热阻，夏季隔热不仅要求围护结构有较大的热阻，而且要求有较好的热稳定性。

保温设计应确保内表面不结露，即内表面温度不低于室内空气的露点温度。结露点会使内装饰表面潮湿，霉变甚至滴水。内保温结构的露点位置是在靠近外墙内侧的表面存在结构冷(热)桥的部位，这些部位因内外温差过大常产生结露现象，应避免结构冷(热)桥的存在。

2 预制舱的保温结构设计

2.1 保温材料选择

二次设备预制舱应尽可能采用热导系数小的高效保温隔热材料，以减少保温层的厚度，提高室内使用面积〔3〕。目前主要的保温材料有聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料、岩棉板、玻璃棉等。它们的材料性能对比见表1。

表1 聚氨酯喷涂硬泡与岩棉板部分性能对比

考虑到加工工艺和施工成本，此次预制舱的保温材料选择岩棉板和岩棉夹芯板，虽然热阻低于聚氨酯和环保要求次于聚氨酯，但其防火性能大大优于聚氨酯〔4〕。

2.2 墙体设计

墙体由外墙金邦板、呼吸纸、岩棉、欧松板、结构构件、内墙铝塑板组成。

外岩棉板厚度为50 mm，内岩棉板厚度为30 mm，同时在钢方柱之间塞满80 mm 厚岩棉板。金邦板是一种外墙装饰板，呼吸纸的作用是使水气单向透过性，水气不向墙体渗透，欧松板为垫衬安装呼吸纸和金邦板作用，结构构件为钢方管，内墙为铝塑板加30 mm 厚的岩棉板。外岩棉板可依金邦板龙骨和钢方柱间隙进行填充，内岩棉板依铝塑板大小进行填充，此次选用的铝塑板的规格大小为1 220 mm×2 440 mm，采用无缝干挂方式进行安装，达到内装饰面平整美观的效果。墙体构成如图1所示:

内外双层保温的效果要比单一保温层的保湿效果好(假设总厚度保持一致)，2 种方案均能符合节能传热阻的要求，但单一保温层在进行内装饰时，一些内装饰面接口，如保温夹芯板插接口，相互垂直的墙体以及墙体与屋面和地板的接缝等部位热流密集，内表面温度较低，易产生冷(热)桥，可能产生程度不同的结露现象。

2.3 顶部设计

制舱宜采用双坡屋顶结构，也可采用单坡结构，屋面坡度6%，可预防积水和积雪。

为防止排水管冬天严寒情况下结冰爆裂，预制舱屋面采用散排水方式(空调排水管只有夏天会有滴水情况，冬天没有，因此排除在这个情况之外，空调排水管采用暗敷方式。)。

预顶部保温层的厚度为100 mm。顶部的结构如图2 所示。

图2 预制舱屋顶结构

2.4 底部设计

预制舱箱体底部安装在架空的防潮湿的水泥墩，因此，除箱体前后、左右和顶部与室外空气直接接触外，底部也与室外空气直接接触。因此底部的保温设计尤其重要。

底部采用H 型钢和槽钢焊接而成，底部保温采用50 mm 厚岩棉板和50 mm 厚岩棉夹芯板，同时在预制舱的内表面上铺设38 mm 厚木基陶瓷防静电地板，木质材料有一定的保温性能，同时中间有一定的密封空气层，提高预制舱整体保温效果。

考虑到整体密封要求，在完成线缆安装后，须把预制舱底部进线口用防火泥封堵，以达到密封保温的效果，同时进线口的大小设置为700 mm×600 mm 大小，增加保温效果。预制舱底部结构如图3:

图3 预制舱底部结构

3 预制舱的热仿真

通过以上舱体结构的保温隔热设计，只需要在舱体端部各安装1 台工业空调(制冷功率4 kW，制热1 kW)和1 kW 电暖气，即可满足多巴地区设备运行要求。电暖气辅助加热为二次设备预制舱中首次尝试使用，电暖气采用不带风扇壁挂式安装的辐射加热型，每套电暖气由4 个最大额定功率250 W 的电暖片组成，布置在舱体内长度方向的两端。

预制舱热仿真共选取了5 种极限情况来分析:

1)夏季制冷。环境温度33.4 ℃，同时考虑太阳辐射的影响，舱内屏柜发热，2 台空调同时工作(制冷)，空调出风温度18 ℃，每台空调实际制冷，舱内最低温度18 ℃，最高温度25.4 ℃。

2)夏季制冷。环境温度33.4 ℃，同时考虑太阳辐射的影响，舱内屏柜发热，空调1 失效，仅单台空调工作(制冷)，空调出风温度18 ℃，单台空调实际制冷，舱内最低温度18.5 ℃，最高温度28.3 ℃。

3)夏季制冷。环境温度33.4 ℃，同时考虑太阳辐射的影响，舱内屏柜发热量，空调2 失效，仅单台空调工作(制冷)，空调出风温度18 ℃，单台空调实际制冷，舱内最低温度19.3 ℃，最高温度28.6 ℃。

4)冬季制热。环境温度－31.7 ℃，同时考虑舱外空气流动的影响，舱内屏柜发热，空调不工作，仅使用电暖器进行加热。当电暖器实际加热时，舱内最低温度19.1 ℃，最高温度25.4 ℃。

5)极端低温冷启动制热。从仿真计算结果可以看出，环境温度－31.7 ℃，舱内屏柜不工作，并开启电暖器和空调加热，舱内环境温度从－31.7℃升温到－5 ℃(温升27 ℃)，用时10 h，加热时间偏长。

加热时间偏长的主要原因有:

1)整个预制舱热容非常大，而加热功率相对较小;

2)随着舱内温度的升高，导致内外温差增加。会有更多的热量与外界进行热交换，延长了加热时间。

由仿真分析可得出结论:

1)保温性能的高低对预制舱维持舱内温度十分重要，保温性能越好，对预制舱制冷和加热越有利;

2)按此保温结构设计，制冷和加热要求均可以满足文献〔1〕规定的舱内二次设备正常工作要求5～30 ℃;

3)预制舱低温冷启动的预加热时间较长，调试时(装置不发热)如遇极端低温(－31.7 ℃)，大约需要封闭情况下加热1 天方可进仓工作。

4 结语

目前国内预制舱的研究才刚刚开始起步，对该领域的热工研究尚未形成体系，青海110 kV 多巴变预制舱根据青海地区高寒高海拔、沙尘大特点作针对性设计，为这一类型地区预制舱今后设计研发提供了可供参考的实例。

二次设备预制舱可以让变电站建设更容易，具有占地少、投资省的突出优点。随着行业越来越多的资源投入，生产加工工艺的发展，在优化布局、增强保温性能、抗风沙和减少制造加工工期上还需进一步深入研究。预制舱的未来发展可以满足全球各地区特殊环境的要求，同时也满足减少投资、缩短工期、低碳环保的要求。

〔1〕国家电网公司． 预制舱式二次组合设备技术规范(报批稿)〔S〕． 2013．

〔2〕嵇翔，但春林． 基于标准配送式智能变电站的集装箱式电力设备舱方案研究〔J〕． 电力系统装备，2013(7):74-78．

〔3〕林钊． 几种常用保温材料应用比较〔J〕． 制冷，2004，23(04):86-87．

〔4〕郭莉． 保温材料的概况及选择〔J〕． 四川电力技术，2005，28(01):52-55．