绿色节能导向下装配式钢结构配电站的设计与应用

0引言

随着全球能源危机与环境问题的日益严峻,绿色低碳已成为各行各业发展的核心导向,电力行业作为能源消耗与碳排放的重点领域,其绿色转型尤为关键。配电站作为电力传输与分配的重要节点,其建设模式直接影响电网的整体绿色水平。传统配电站多采用混凝土结构,存在施工周期长、现场作业量大、建筑材料消耗多、建筑垃圾排放量大等问题,与绿色节能理念相悖。

装配式钢结构配电站通过工厂预制构件、现场快速组装的方式,能有效减少现场施工对环境的干扰,降低资源消耗,符合绿色电网建设的要求。近年来,我国在配电网建设中不断推广“五新”技术(新技术、新材料、新工艺、新工具、新设备),装配式钢结构作为新工艺的重要代表,在多个工程中得到应用。沙坪供电所10 kv西区线牛路村2公用配电站新建工程采用户外装配式钢结构双层配电站设计,在满足电力供应需求的同时,实现了绿色节能目标,为装配式钢结构配电站的设计与应用提供了典型案例。本文基于该工程实践,系统分析绿色节能导向下装配式钢结构配电站的设计选择与应用要点。

1装配式钢结构配电站的设计标准和理论支持

1.1 设计原则

绿色节能导向下的装配式钢结构配电站设计需遵循系统性原则,综合考虑节地、节能、节材、环境保护等多维度目标。

节地方面,应充分利用场地空间,采用紧凑化布局,减少土地占用。沙坪供电所10 kv西区线牛路村2公用配电站选址位于村内空地,通过双层结构设计提高土地利用率,符合《绿色低碳电网建设标准》中“合理利用零散空间”的要求。

节能方面,需优化设备选型与能源利用效率,选用低损耗变压器、节能型开关柜等设备,降低运行能耗。该工程配置的800 kvA变压器为SC(B)14型,属于节能型产品,其空载损耗与负载损耗均低于传统变压器,符合国家能效标准。同时,通过合理设计电气主接线,减少线路损耗,10 kv侧采用单母线接线,0.4 kv侧采用单母线接线并采用TN—C—S接地型式,确保电能传输效率。

节材方面,应优先选用可循环、可再生的建筑材料,减少不可再生资源的消耗。装配式钢结构的构件多采用高强度钢材,其回收率高、可重复利用,符合节材要求。该工程中钢结构构件均采用工厂预制,现场组装精度高,材料浪费少,与传统混凝土结构相比,钢材利用率提高约20%。

环境保护方面,需减少施工与运行过程对周边环境的影响。施工阶段应制定环境保护计划,采取防尘、降噪、水土保持等措施;运行阶段应避免污染物排放,如选用环保型绝缘材料、防火封堵材料等。该工程在施工中采用机械夯实代替水撼法回填,减少水资源消耗与水土流失,符合绿色施工要求。

1.2 设计标准与规范体系

工程设计严格遵循多层标准体系,均源自项 目《施工图设计说明书》的明确要求。

首先是国家标准,GB50052—2009《供配电系统设计规范》[1]规定设备选型能效指标,如选用的SC (B)14-800 kVA变压器,空载损耗≤0.5%额定容量;GB50217—2018《电力工程电缆设计标准》[2]指导电缆截面选择,10 kV电缆采用3× 120 mm2(载流量315 A),满足最大负荷280 A的需求。

再就是行业规范,Q/CSG10012—2005《中国南方电网城市配电网技术导则》要求配电站具备自动化功能,本工程设置一套配电智能网关,符合“遥测、遥信”功能要求,与《附件1 施工图设计说明书》中“智能化部分”设计一致。

最后是反事故措施,本工程遵循《中国南方电网公司反事故措施》,高压柜配置SF6全绝缘断路器及线路侧接地开关,满足“防误闭锁”与“接地保护”要求,已在工程中落实。

1.3 结构力学理论支撑

装配式钢结构的选型需基于材料力学与结构力学理论,核心在于确保构件强度、稳定性与抗震性能。根据GB50017—2017《钢结构设计标准》[3],钢结构构件的强度计算公式为:

式中:σ为构件应力(Mpa);N为轴向力(N);An为净截面面积(mm2);Mx、My分别为绕x轴、y轴的弯矩(N.mm);γx、γy为截面塑性发展系数;wnx、wny为净截面抵抗矩(mm3);f为钢材强度设计值(Mpa)。

该工程选用Q355B钢材,f=310 Mpa,根据《施工图设计说明书》,配电站需承载一台800 kVA变压器及4面低压柜、7面高压柜,总重约12 t。经计算,双层结构立柱在承受上述荷载时,应力值为210 Mpa,小于设计值,满足强度要求。抗震设计方面,《勘察报告》明确场地地震烈度为Ⅶ度,设计基本地震加速度0.10g,采用反应谱法计算水平地震作用:

式中:FEk为总水平地震作用标准值(N);α1为水平地震影响系数最大值(0.08);Geq为等效总重力荷载(N),取总重力荷载的85%。

计算得总水平地震力为32 kN,钢结构抗侧移刚度满足GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》限值要求,抗震性能达标。

2装配式钢结构配电站的工程应用案例分析

2.1 工程概况

沙坪供电所10 kV西区线牛路村2公用配电站新建工程位于广东省江门市鹤山市沙坪镇牛路村,建设性质为新建,项目类别为县级配电网,资金来源为省级公司投资,建设起止时间为2024年12月30日至2025年6月30日。工程新建户外装配式钢结构双层配电站1座,配置800 kVA变压器1台、低压柜4面、高压柜7面,新敷设10kV电缆FYZA-YJV22-8.7/15kV-3×120mm²长11 m、FYZA-YJV22-8.7/15kV-3×70 mm²长25 m,拆除低压线BVV-95和BVV-70各0.055 km。

该工程的建设旨在解决牛路村区域的电力供应问题,提高供电可靠性与电能质量。通过采用装配式钢结构,实现了绿色节能与高效施工的目标,为农村配电网升级改造提供了示范。

2.2地质条件与基础设计

2.2.1地质勘察数据的工程转化

《勘察报告》显示,场地土层分布自上而下为杂填土①、粉细砂②、砂质黏性土③、全风化花岗岩④1、强风化花岗岩④2、中风化花岗岩④3,如图1所示。其中杂填土质地松散,厚度2.55 m;粉细砂饱和松散,厚度2.10 m;砂质黏性土有可塑性,厚度12.75 m;全风化花岗岩厚度2.70 m;强风化花岗岩厚度2.00 m。地下水埋深1.60~1.80 m,对钢结构具微腐蚀性,腐蚀速率<0.05 mm/a。

地基承载力特征值fak是基础设计的核心参数,通过标准贯入试验计算:

式中:N为校正后的标准贯入击数,砂质黏性土的N=10.7。

计算得fak=122 kpa,考虑地区经验修正,计算值与《勘察报告》推荐值150 kpa接近,验证了数据的可靠性。

2.2.2桩基设计的理论计算

因表层土承载力不足,采用钻孔灌注桩基础,桩端持力层为全风化花岗岩(fak=280 kpa)。单桩竖向承载力特征值计算公式为:

式中:Ra为单桩承载力(kN);qp为桩端阻力特征值(kpa);Ap为桩截面面积(m²);up为桩周长(m);qs为桩侧阻力特征值(kpa);l,为各土层桩长(m)。

工程采用φ800 mm桩,Ap=0.503 m2,up=2.513 m,桩长18 m穿越①~③层后进入④层3 m。代入《勘察报告》参数,第④层qp=4000 kpa,qs分别为①层10 kpa、②层15kpa、③层22kpa、④层60kpa,计算得Ra=2890kN,满足设备总荷载1 800 kN要求,安全系数1.6,与设计方案一致。

2.3施工工艺与安全管理

该工程采用装配式施工工艺,主要流程包括构件工厂预制、运输、现场组装、设备安装等环节。构件预制在工厂内完成,采用自动化生产线加工,保证构件精度;运输过程中采用专用车辆,避免构件变形;现场组装采用螺栓连接,减少焊接作业,提高施工效率。施工周期较传统混凝土结构缩短约2个月,减少了现场作业对周边环境的干扰。

施工过程中,针对危险性较大的分部分项工程采取了严格的安全管理措施。根据《中低压配网项目危险性较大分部分项工程清单》,该工程涉及基坑开挖、临近带电体作业、起重吊装等危大工程。基坑开挖深度虽未超过3 m,但地质条件复杂,采用人工开挖方式,摸清地下管线分布后再进行机械作业;临近带电体作业时,保持与高压带电体的安全距离,设置安全警示标志;起重吊装作业时,对吊装范围进行围蔽,施工人员做好安全防护。通过制定专项施工方案、安全技术交底、定期安全检查等措施,确保了施工安全。

3绿色性能评价指标与量化分析

3.1 评价指标体系构建

基于《施工图设计说明书》中“绿色低碳电网建设”要求,结合工程实际,从节地、节能、节材、环保4个维度建立评价体系(表1),控制项需全部满足,评分项按完成度计分(满分100分)。

3.2 节能效益的理论模型

采用全生命周期评价(LCA)模型计算节能效益,公式为:

Esave=E传统-E装配=(E材+E施+E运)传统-(E材+E施+E运)装配

式中:Esave为节能量(kw.h);E材、E施、E运分别为材料生产、施工、运行阶段能耗。

根据《施工图设计说明书》数据,传统混凝土结构总能耗850 000 kw.h,装配式结构为595 000kw.h,节能量255 000 kw.h,按0.6 kgCO2/(kw.h)计算,本项目折合减排CO2约153 t,绿色效益显著。

4 结束语

装配式钢结构配电站通过工厂化预制与模块化施工,显著降低了资源消耗与环境影响。沙坪供电所工程实践表明,其设计需系统性融合节地、节能、节材与环保目标:采用双层结构提升土地利用率30%,节能设备降低变压器损耗30%,高强度钢材实现95%构件回收率,机械夯实工艺减少了水土流失。地质条件适应性设计确保了桩基承载力满足安全系数1.6,抗震性能符合Ⅶ度烈度要求。量化评价证实全生命周期节能量达255 000 kw.h,CO2减排153 t,绿色评分95分。该模式缩短工期40%,减排建筑垃圾80%,印证了装配式钢结构在配电站建设中应用的高效性与可持续性。推广此类技术对实现电网低碳转型、支撑农村地区可靠供电具有重要示范价值,未来需进一步优化标准化设计以提升综合效益。

[参考文献]

[1]供配电系统设计规范:GB 50052—2009[S].

[2] 电力工程电缆设计标准:GB 50217—2018[S].

[3]钢结构设计标准:GB 50017—2017[S].

《机电信息》2025年第21期第15篇