Xcel Energy建造一个紧凑的115千伏气体绝缘变电站，为丹佛市中心提供可靠的电力。
美国科罗拉多州丹佛正在进行能源和城市变革，传统的空气绝缘变电站（AIS）——采用敞开母线和老化的开关柜，已经不能满足容量需求和北美电力可靠性协会提出的可靠性要求。为解决对城市和能源建设的新需求， Xcel Energy与 Burns＆McDonnell合作设计了一个气体绝缘变电站（GIS），可在紧凑的空间内满足系统保护和可靠性要求，并为日常行人提供相当大的视觉冲击力。
115千伏GIS开关设备使用六氟化硫（SF6）绝缘气体，适用于持续供电和隔离故障电流的要求。通过使用三维建模，紧密协调各方，实施新颖的设计和安装思路，控制容纳115-kV GIS的建筑物规模，最大限度地平衡现有设备安装和所需的空间。
拼图式的设计
八年前，Xcel Energy设想了最终的五阶段计划。该计划的实施在2012年开始，并进行了深入的分区分析，以确定一个废弃的20世纪40年代时期的4千伏变电站建筑的历史地位以及将该建筑物重新用于新GIS的可行性。分区应用的目标是建立一个先进的变电站，与现有的建筑和周围环境融为一体，保护主要街道行人友好的外观，并为不断发展的艺术区提供一个有吸引力的视觉效果。
Xcel能源公司确定，旧的4千伏变电站大楼并不是需要保护的历史建筑，而且由于它不能用于新的GIS设备，所以该建筑物将被拆除。这为在115千伏母线和相关的中压金属开关柜基础上，增加第三台40 MVA变压器提供了重要空间。
第一阶段的工作即计划好了后续工作的停电安排，使得后续工作不影响系统可靠性的要求。阶段2和阶段3的主要任务是建造GIS室，以及与三个地下115千伏传输线路中的一个、与三个变压器相连，使得115千伏系统形成六位GIS环形总线。
未来的阶段4和5将把两个剩余的地下115千伏电路和变压器＃1和＃2连接到GIS。最终的计划项目将增加新的配电开关设备，替换先前由115 kV空气绝缘变电站断路器，隔离开关和母系所占用的空间。将现有的继电器，控制和通信电路分阶段布置到GIS室后，旧电气设备室（EEE）将被拆除。
变电站发展的演变（从左到右）显示了4kV变电站的原始场地，新变压器和开关设备的阶段1以及带有GIS室的阶段2和3。
极端挑战
当涉及城市空间中新GIS的设计和建造时，Xcel Energy必须克服许多极端挑战：
• 属性限制。繁忙的主干道和毗邻物业线的人行人道需要昂贵的许可证才能封闭或阻塞街道。假期和特殊事件禁止街道封闭，这增加了施工时间安排的挑战。此外，现场没有施工停车场，由于地理位置的原因，Xcel Energy设施频繁贴标需要在所有街道表面涂防涂鸦涂料。特别是由于设备和铺设面积有限，另一项挑战是沙土的低承载能力，因此需要额外的台体或桩来为基础提供支撑。
• 现有设备。在通电的高压母线和设备附近进行了工作，现有的保护继电器在施工期间无法承受大的振动。另外，现有的电气和电子设备阻碍了将现有变电站设备的控制和电源电路接入新的GIS室。
• 地下干扰。现有的地下高压和中压电路位于拟建工程附近。与遇到的现场条件相比，这些电路的竣工图纸文档不准确。另外，现有的预制周边墙和相关基础阻碍了GIS室的占地面积。
• 电缆加热和载流量。中压供电电路的几个电路交叉需要对地下高压电路进行载流量研究，以确定受影响电缆的加热和由此产生的载流能力评估问题。
通过使用三维建模，紧密协调各方，实施新颖的设计和安装思路，115-kV GIS室的建设规模，严格按照平衡现有设备和所需的空间的要求建成。
三维建模是关键
由于多个工程学科为争取每个可用的立方英尺以最小化工作占用空间，因此必须在设计过程即使用3-D建模实现协作，从而避免冲突和干扰。三维建模程序确定了空间问题，并使所有工程学科能够快速评估GIS室的设计变更。
三维模型被用来执行许多任务，包括结构分析; 定位电气和暖气，通风和空调设备以及管道系统; 布线电缆桥架; 并提供工作，安装和维护许可。GIS的制造商提供了其产品的三维模型和必要的工作空间间隙，以在GIS大厅中准确地模拟设备布置。
3D模型还使Xcel能源运营和维护团队能够进行虚拟浏览。这有助于该团队对空间进行可视化并反馈意见，其中包括安全和操作的最重要指导原则，就此可以在不需要第三方帮助的情况下安全地解决典型的维护问题。
机箱模型的三维横截面显示了设备室，GIS托架，高压电缆过渡和螺旋桩。
在模型的帮助下确定了两个关键的空间和安装顺序问题。首先，一部分现有的围墙堵塞了GIS室。幸运的是，预制面板中的伸缩缝提供了一个机会，可以在没有锯切的情况下移除该部分，这可能会影响墙体的结构完整性。其次，由于进入GIS室的地下传输电缆的相位方向不一致，因此使用3-D模型为未来的安装人员提供了一种有效途径，以便将高压电缆布线并将相位转换为正确的与GIS终端模块相连接。此外，对这些电缆进行建模有助于确认未来115千伏电缆安装时预制墙上预安装的街道级导线槽的位置。
现有的电气控制室阻碍控制电缆管道进入GIS室的花园平台，空间弯管弧度低于正常的安装要求。通过使用千斤顶和钻孔方法在旧控制室基础下面安装四个20英寸（508毫米）管壳来解决问题，以避免可能的振动导致意外继电器跳闸，并适应将控制电缆管道安装到现有变电站设备。
地下容量研究
在最终总体布置的详细设计中，确定了新的115千伏地下电路和现有中压供电设备的几个交叉口。对中压电路负载进行了理论计算，并组装了有关新电缆和现有电缆的信息，以执行模拟总体加热效果的载流量研究，特别是在每个电缆交叉处。
该研究确定了避免电缆老化或故障的最大允许负载，并对115千伏电路路径和埋地深进行了修改，以满足所有电路所需的正常和紧急额定值。
螺旋桩的安装减少了现有继电器的振动风险。
工作人员在现有的电气控制室下安装箱孔，以便将导管通道接入新的GIS室。
拥塞缓解
为了降低挖掘成本并尽可能降低可能发生的淹水的影响，地下高压电缆敷设室位于花园平台，GIS大厅的主层位于其正上方。保护和控制室位于夹层楼层，位于电池室之上，俯瞰GIS大厅。使用多次迭代的布局来减少GIS室的整体尺寸，最大限度地降低成本并适应现有设施的场地限制。
岩土工程报告中提到了支撑围护结构基础的方法，该方法提供了三种选择供考虑。没有使用钻孔混凝土桥墩，因为担心沙土塌陷和钻井平台和桥墩套管空间有限。尽管在经济上具有吸引力，但驱动桩对位于邻近电气控制室的现有保护继电器构成振动风险。最后，选择了螺旋墩，安装费用的增加几乎被抵消，原因是快速安装的60个支撑点的和避免继电器误动风险的价值。
选择用预制或预应力墙体和地板镶板而不是现浇或混凝土砌块建造GIS室是保持其施工简单的重要方法，因为场地通道和铺设区域的限制，时间进度要求以及繁忙的城市街道和人行道不允许复杂的现场浇筑。
预制墙壁和地板面板在附近的工厂制造，具有强绝缘性以提高能源效率，双T形底板面板设计用于满足GIS制造商要求的非常严密的平坦度公差。砖饰面被用来补充现有的周边墙。预定交付预制墙板和地板铺板可以直接从交付拖拉机挂车上进行起重。面板和甲板在不到一周的时间内建成，最小程度地封闭周边街道和人行道。预制方法还可以在安装屋顶甲板面板之前，使用桥式起重机安装GIS。
GIS室采用预制墙面和地板来减少许多特定场地的限制。
建筑系统和生命安全
保持简单的概念扩展到GIS建筑系统和生命安全要求的设计。选择现成的触摸屏控制器作为楼宇新风系统。唯一安装空调的空间是继电器室和电池室。高低温度的限值均为标准设计。
鉴于GIS室的尺寸，材料组成和占用分类，不需要灭火系统。紧急出口路径经过精心设计，符合所有生命安全法规。集成了主火灾报警面板的吸气式烟雾探测系统为Xcel Energy系统运行调度提供了非常早期的火警探测。此外，还提供了一个耗氧报警系统，考虑到操作人员担心，SF6虽然是无毒的，但它是一种比空气重的气体，有窒息风险。包括电池室通风和氢气检测报警，并集成到火灾报警系统的可寻址数据总线中。
一个新的变压器和开关柜设备（位于防火墙之后）占据了一个4千伏的旧建筑面积。
安装的GIS设备和本地控制柜的简洁空间意味着在规划和协调方面进行了大量投资，从而使该项目取得成功。
交钥匙协调
考虑到支持GIS功能所需的广泛和复杂的工厂平衡系统，很容易忘记新设施的跳动心脏是高压GIS开关设备。在设计过程中，GIS制造商，Xcel Energy和Burns＆McDonnell之间的紧密协调，进行了多次关键的面对面和电话会议。
设计完成后，下一个要协调的挑战就是在空间受限的地点交付和安装GIS设备。由于在现场交钥匙工作人员不允许其他施工活动的情况下，GIS制造商代表在动员安装之前检查设施的状况是否完整和清洁。设备的物理组装，到本地控制柜的接线以及GIS的测试和调试均由开关设备制造商进行。
Xcel Energy新的GIS变电站为丹佛市中心不断增长的艺术区提供了独特的视觉吸引力。
任务完成
通过使用三维建模，紧密协调，实施新颖的设计和安装思路，一个崭新的115-kV GIS室，通过精巧地平衡现有设备和所需空间建成。随着GIS和容纳GIS的建筑现在已经安装并投入使用，Xcel能源公司可以将该项目推进到最终阶段。该变电站将极大地提高当地115千伏输电系统的可靠性，GIS的紧凑特性使未来能够安装更多的、新的开关设备，以提高丹佛市中心的中压配电网络的可靠性。
Brian Richter是科罗拉多州的注册专业工程师，也是Xcel Energy的变电站和输电工程外包高级经理。他的背景是变电站工程和设计以及继电保护。
Charlaine Douden是Xcel Energy变电站和输电工程外包团队的成员，在变电站项目的设计和项目管理方面拥有超过30年的经验。
Janson Ferrera是Burns＆McDonnell的注册专业工程师和项目经理，为大型公用事业设计变电站项目。他的项目经验涵盖了绿地和棕地的广泛范围，包括仅工程和工程采购 - 构建项目交付方法。
编者按： Xcel Energy和Burns＆McDonnell将于2018年IEEE PES T＆D Conference＆Expo期间于4月18日主持该变电站的巡回演出。注册是有限的。这个项目也将在会议期间的IEEE年轻专业人员项目小组会议上介绍。
摘自：tdworld.com - Xcel Energy's New Aesthetic GIS Substation Provides Reliability
#GasInsulatedSwitchgear, #Transmission
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