对城区地下变电站与民用建筑合建的探讨
摘 要 针对城市商业区建设变电站所面临的新问题，提出对土地的综合利用措施，即将地下变电站与民用建筑结合建设，通过采用无油化设备，提高消防的安全性；通过地面上的商业开发，提高土地利用率，美化城市环境，同时降低工程造价，获得满意的经济效益。随着经济的不断发展，广州的人均国民经济产值1997年已位居全国各大城市第2名，并成为珠江三角洲的经济、文化、政治及金融中心，特别是近几年房地产的开发，供电负荷猛增，使变电站的分布越来越密，并逐渐深入到市中心人口稠密区。为此，在城区建设变电站就面临一些新的问题。
1 问题的提出
城区房地产的开发和旧城改造，使深入市中心的变电站越来越多，其建设难度也越来越大，主要面临下列几个问题：
a)用地紧张，站址难觅，即使能征得用地，面积也非常小，设计难度大、要求高。
b)征地拆迁费用非常昂贵，已远远超出建变电站的费用，致使每千伏安造价很高。
c)市中心往往为繁华的商业用地，有着极高的商业价值，特别对于广州这样的城市来说，土地资源十分有限和宝贵，如仅建1座3～4层的变电站，则土地得不到充分利用，是一种极大的资源浪费。
d)与周围环境协调的要求高，建筑的格调与景观和环境要融为一体。
e)防火、防爆、防噪声的要求特别高。
由于上述原因，我们在对变电站进行设计时，就必须综合考虑，全面衡量各方面的利与弊。为解决这些问题，借鉴国外的经验，特别是如何降低造价，提高土地的利用价值，考虑在地下建变电站，地面上进行物业开发，不失为一种新的途径、新的思路。
2 基本技术原则
由于变电站建设在繁华的商业区，对消防、噪声的要求特别高，因此，在这种特殊环境中建地下变电站，就必须确定以下几点作为主要设计原则：
a)简化接线，尽量采用线路-变压器组单元接线形式，10 kV 采用单母线分段接线，分段开关设备自投。当1台主变或1条线路故障时，可保证不间断供电。
据了解，香港已投入运行多年的地下变电站，也是采用线路-变压器组单元接线方式；但变压器高压侧不设开关，只设负荷开关，且负荷开关装在SF6气体绝缘变压器上，成为一整套装置。多年的运行表明这一做法是成功的，不仅节省了投资，且可减少占地面积。
b)设备选型宜小型化，以减少占地面积，使整体布置趋于紧凑合理。
c)全站设备无油化，包括主变压器采用进口的SF6气体绝缘变压器。这样全站无易燃、易爆物，既能简化消防系统，又可将火灾的影响局限在地下，而不致影响到地面。
d)简化总体布置，尽量减少挖方量，减少设备布置层数，以方便运输和安装，简化消防、通风系统，同时为将来的运行维护创造良好的条件。
e)按无人值班站考虑，设“四遥”系统。
通过以上几项措施，简化设计，减少运行维护工作量，从而为地下变电站结合地面民用建筑的建造提供了现实的可行性。下面以一个100 kV 终端变电站为例进行阐述。
3 变电站建设规模及主设备选型
3.1 建设规模
由于变电站地处繁华市区的负荷中心，其负荷密度相当高，故应尽量提高主变压器容量。考虑到 10 kV 开关拒的容量一般为 3 150 A，最大不超过4 000 A，所以主变压器容量取50 MVA为宜。如确需采用 63 MVA 的主变压器容量，也可将2台开关柜并列运行，当然需要设置平衡保护。为此，可按表1规模考虑。
3.2 主要设备选型
a)主变压器选用进口的SF6气体绝缘、三相双卷风冷有载调压变压器。
b)110 kV 设备采用GIS，或组合式电器。使采用的负荷开关可直接与主变压器组成一整套装置，使设备布置更简明紧凑。
c)10 kV 高压开关柜可选用合资厂生产的中置式手车柜，或采用XGN型箱式固定封闭开关柜，内装真空开关。
d)无功补偿装置选用干式成套电容器装置。
表1 110 kV 地下变电站推荐考虑规模
名称 规模 主变压器 3×50 MVA 110 kV出线回路数 3回 10 kV出线回路数 3×12回 无功补偿 6×4 200 kvare)变电站用变压器、接地变压器选用干式变压器，且可将两者功能合为一体，以减少设备用房。
f)蓄电池选用阀控式全封闭酸性电池。
g)二次设备全站采用微机保护装置，同时装设综合无功自动调压装置。
当然上述的设备选型只是根据地下变电站建在城市商业区的特点进行的，主要从节省用地，满足消防，方便维护的角度考虑，也可作适当的修改。
4 总体布置与建筑结构的考虑
鉴于征地情况的千变万化，不可能给出一种特定的模式，这里我们仅讨论总体布置方案的一些原则性要求，以说明地下变电站的技术可行性。
首先，要考虑的是大型设备的运输通道。而且，既要考虑地下部分通道，也要满足地面上运输和消防通道的要求，同时还有垂直通道的要求。一般地面上可利用公路或规划路等；垂直通道则可在人行道、绿化带上预留吊物井，井口设可拆装盖板，平时盖上板，必要时掀开盖板，即可进行吊装运输。如吊物井设在绿化带上，则该通道还可以作为通风系统的风口。
其二，应考虑一次主设备间的连接。由于采用了简化接线，变压器高压侧设备的连接较易解决。110 kV 如采用负荷开关与ST6气体绝缘变压器整套设备，则只需将电缆引出即可。而主变压器低压侧与10 kV高压开关柜之间既可用电缆，也可采用母排连续。当然采用电缆具有灵活方便的优点，但由于电流大，使电缆的截面和数量也随之增大，并使电缆与高压开关柜的连接难度增大，有可能加多一个过渡连接柜。这将使本已有限的空间更为困难。母排则具有载流量大，连接直观的优点，但一般要求变压器与高压室靠近布置。在受地形条件限制时，则难以采用。
其三，应考虑地下变电站的结构与地面上民用建筑结构的协调关系。既要满足地下变电站的工艺要求，又要满足地面上民用建筑间隔和采光的合理性。特别对高层建筑，整幢大楼的电梯井简力筒位于中央，应注意其对地下站布置的影响。协调关系的好坏，是整个项目的关键，也是我们进行设计的重点，因为这直接影响到整个综合建筑的经济性。
众所周知，主变压器室和10 kV 高压室占的空间最大，也是变电站的核心部分。因此，设计时应充分考虑到其运行维护的方便性，使布置清晰，便于操作、便于巡视，梁柱结构简单，且能满足上层民用建筑的合理性要求，使间隔合理，采光充足，不产生暗间。上层民用建筑的功能可根据具体情况而定，或为写字楼，或为商住楼等。一般，裙房可考虑首层为商铺，第2～4层为停车场。
其四，尽量使设备布置在1层，使之清晰明了，紧凑合理，便于电缆的敷设连接，便于运输安装和操作维护。
最后，应根据站址周围的环境来确定地面上民用建筑的功能，以获得最佳的经济效益。同时还应考虑与环境的协调，增强城市建筑的美学效果。
曾对广州地区某站进行了方案研究。该站总用地面积1 512 m2，可用地面积1 100 m2左右。总体方案布置：地下为变电站，主变压器、高压室分布在南北两侧，中间设大楼的电梯井，其它如控制室、电容器室布置在东西端。除主变压器在-8.00 m层外，其它设备均布置在-5.50 m层，下方设电缆层以利电缆敷设。变压器低压侧采用母排连接。站内设U型通道，另外在东北和西北角各设1个楼梯专供地下变电站平时巡视维护和疏散人员用。整个站的布置清晰明了，紧凑合理，既便于运输安装，也便于操作维护。地面上首4层为裙房；第5～28层为住宅，每层的建筑面积488.9 m2，分为6户。间隔有两房一厅和三房一厅，面积由55.2～81.4 m2不等。由此可见，采用地下变电站与民用建筑合建的形式，技术上是可行的。
5 消防、通风及噪声处理
5.1 消防系统
变电站常用的灭火装置通常有以下几种：水喷雾灭火系统、固定式气体灭火系统以及移动式或手提式气体灭火器。
地下变电站的上部为民用高层建筑，地处繁华的商业区，所以对消防的要求特别高。这一点在我们进行设备选型时就已经充分地考虑到了。由于采用无油化设备，如变压器为SF6气体绝缘，10 kV 高压柜采用真空开关，变电站用变压器、接地变压器为干式变压器，以及采用干式电容器等，使得全站无易燃、易爆物，从根本上解决了消防难题，从而相应地简化了消防系统，也提高了防火的安全性。为此，可不再设水喷雾系统和固定式灭火系统，只需在各电气设备间配备移动式或手提式CO2灭火器。当然，楼层走道分层设置CO2气瓶，并设安全指示灯或指示牌，便于火灾时人员疏散。
站内各电气设备间、电缆层均应设置火警探测器，可采用感温感烟探头、线型感温电缆等。由于地下站环境潮湿，尚应考虑探测器的防潮功能。
控制系统应具有监视、自动、手动、远动等功能，且可将报警及控制信号通过RTU传输到调度中心或消防部门。
5.2 通风系统及噪声处理
地下变电站的通风系统与地面站不同，其设备的散热通风必须依靠机械通风。主变压器是全站最大的热源，有水冷和风冷2种冷却方式。由于水冷方式的复杂性及给运行维护带来的困难，一般尽量采用风冷方式。
为此，可考虑采用由地面绿化带自然进风，流经各设备用房，然后由排风机通过风管将室内的热空气抽至室外。主控室和10 kV 高压室可设空调。
值得注意的还有对噪声控制的要求。由于所有设备均放置在地下，而混凝土墙及楼板本身已具有良好的隔声效果，因此只要在进、排风口采取消声措施，就可有效降低噪声。
降低噪声的主要措施：
a)采用低噪声轴流风机；
b)进出风井处设置厚片式消声器；
c)进出风口处设绿化带吸声；
d)降低风管的设计风速。
另外，还可通过加装吸音材料来降低噪声。一般，经上述方法处理后，均能满足环保要求。
另一个必须考虑的问题是电磁干扰问题。首先，在设计中，我们应尽量避免选用对外电磁干扰大的设备，如空芯电抗器等。其次，在地面层设置好的屏蔽层，以减少对外界的电磁干扰影响。除此之外，还可采用一些屏蔽电缆以免受电磁场的干扰。
6 综合利用的经济性
通过前面的阐述，我们知道，为满足消防要求，我们选用SF6气体绝缘变压器和小型化、无油设备，从而使部分设备需从国外进口。为此，设备购置费成倍增长，整个地下变电站的投资约为常规地面站的2倍及以上。但综合利用后，将地面上民用建筑产权出售，则可收回投资。曾对广州地区某站进行的可行性研究表明，对1个110 kV 终端站(规模如前所述)，其技术经济指标如下：
总用地面积 1 512 m2
总建筑面积 15 231.6 m2
裙房 2 280 m2
住宅 11 733.6 m2
地下站 1 218 m2
建筑密度 37.7%
容积率 10.0
土方量 9 744 m3
变电站投资 6 386万元
工程总投资 9 580万元
住宅等销售价 9 520万元
在征地费用不变的情况下，虽然地下站比地面站的费用增多约3 400万元，但考虑在地面上建1幢28层的商住楼后，收益与支出基本持平。
7 结束语
通过以上的分析比较可知，对土地的综合利用，不仅技术上可行，而且经济效益明显：既能有效地提高土地利用率，改善城市景观，优化城市环境，也能有效降低工程费用，并可以很好地解决消防和噪声污染问题。
如变电站本期只上2台主变压器，则效益更为明显。其产生的对社会的间接效益更是无法估量。
国外在这方面已有多年成功运行的经验，我国一些大城市也有这方面的例子，并随着经济的发展，呈现出越来越迫切的需要。预计未来几年，将会有更多的地下变电站出现，希望本文对此能有一些参考价值。
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