变电站二次设备舱是电力系统中的关键组成部分，负责安装和管理各类控制、保护、监测及通信设备。这需要舱体设计坚固，具备防火、防尘和散热功能，内部安装的设备包括保护装置、控制系统、监测仪器和通信设备，用于实时监控和优化电力系统的运行 [14] 。二次设备舱不仅提升了电力系统的安全性和稳定性，还通过模块化设计和标准化生产，提高了建设效率和维护便捷性。变电站二次设备舱如 图1 所示。

预制舱体骨架选用型钢。内墙板选用优质热镀锌板，材料机械性能完全能满足轻钢结构强度要求。考虑吉林220 kV永吉变电站所在地区为严寒地区，钢材选用Q345，为低合金钢，塑性和焊接性能良好，低温性能好，可用于−40℃以下环境，相比Q235材质，Q345综合力学性能更好(强度较高、加工和焊接工艺较好)，并具有较好的耐磨、耐蚀、耐低温性能。

据吉林市人民政府通告，在2024年7月，永吉县受到了两次重要的降水事件的影响。这反映了该地区在面对自然灾害时的应对挑战，需要采取相应的预防和应对措施来减少可能的灾害影响。降水量的增多也意味着原始预制舱内墙板未考虑降水的问题，易导致预制舱漏水破坏二次舱设备的性能。这需要在顶棚与内外墙板中添加材料使其具备防水性能的同时保留原有的保温效果。经研究，文本将聚氨酯加入到顶棚与内外墙板中。

聚氨酯保温板是一种高效的绝热材料，广泛用于建筑和工业领域。它的核心性能体现在多个方面 [15] 。首先，它具有优异的隔热性能，热导率通常在0.020到0.025 W/(m∙K)之间，能够有效隔离热量，从而保持建筑物内温度的稳定。相比于其他保温材料，聚氨酯保温板的薄板也能提供相当良好的保温效果，适合那些对空间要求较高的应用场景。改进的二次设备舱材料选型如 表1 所示。

吉林永吉工程项目所在位置为郊区，地面粗糙度按B类地区取值，风速按低于12级风(风速约为36.9 m/s)计算，风载荷计算方法参照GB 50009-2012。垂直于建筑物表面的风载荷标准值按公式(1)计算：

$w_k={\beta }_z{\mu }_s{\mu }_z{w}_0$ (1)

式中， $w_k$为风载荷标准值， ${\beta }_z$为高度z处的风振系数，按GB 50009-2012规定，预制舱结构可不考虑风压脉动对结构产生风振的影响，遂取值1.0； ${\mu }_s$为风载荷体型系数，按GB 50009-2012第8.3.1条，当屋面坡度角≤15˚时，取值0.6，本文设计的预制舱顶大于15˚，因此其值大于0.6，考虑原始预制舱，风载荷体型系数取1； ${\mu }_z$风压高度变化系数，按GB 50009-2012规定，取值1.0； $w_0$为基本风压，kN/m²。基本风压按重现期为50a取值，即w0 = 0.85 kN/m²。

表面风压为0.85 kN/m (0.00085MPa)，吹风面积为整个竖直墙正面和屋顶正面。舱体受力面积及风向示意图如 图2 所示。

预制舱舱体框架模型及风载应力结果仿真示意图如 图3 所示。

从0.85 kN/m²风载工况可以看出：模型最大应力出现在屋顶顶棚的方形垫脚上，最大值为211 MPa，小于Q345的屈服强度345 MPa。其余材料部件上的应力远小于相关材料的屈服强度，安全。根据材料在屈服前的线性关系，最大应力达到材料的345 MPa屈服强度的时候最大风压为345 × 0.85/211 = 1.38 (kN/m²)。

积雪以静载的形式对预制舱顶部施加压力，使舱顶构件产生形变，积雪冰冻后温度变化也会改变钢型材结构的刚度特性 [16] 。GB 50009-2012《建筑结构载荷规范》规定，雪载荷计算公式如下 [17] ：

$S_k={\mu }_r{S}_0$ (1)

式中， $S_k$雪载荷标准值，kN/m²； ${\mu }_r$屋面积雪分布系数； $S_0$基本雪压，kN/m²。

永吉地区基本雪压按50 a重现期的雪压0.85 kN/m²计算；规范规定，当屋面坡度角≤25˚时，雪载应按均匀分布考虑，故 ${\mu }_r$为1.0；雪压载荷为0.85 kN/m² (0.00085 MPa)，雪压面积是整个屋顶斜面。舱体雪压载荷工况示意图如 图4 。

雪压载荷应力示意图如 图5 所示。从0.85 kN/m²雪压工况可以看出：模型最大应力出现在屋顶顶棚的方形垫脚上，最大值为207 MPa小于Q345的屈服强度345 MPa。其余材料部件上的应力远小于相关材料的屈服强度。根据材料在屈服前的线性关系，最大应力达到材料的345 MPa屈服强度时，最大雪压为345 × 0.85/207 = 1.41 (kN/m²)。

预制舱结构固有频率按模态分解法计算，建模时，舱内电力二次设备和围护墙体质量等效施加在承载结构上，从横向和纵向两个方向对结构进行抗震分析。分析条件为：重力加速度为9.8 m/s，由于地震模拟耗时较长，板状部件受地震影响较小，故模拟中省略；模拟为烈度为8的地震，水平加速度最大为0.4 g = 3.95 m/s。本例中X方向作为水平加速度模型受破坏最大，所以选取X方向作为水平加速度施加方向。Z方向固定。水平和竖直加速度幅值曲线选取Abaqus官方实例当中所用的koyna幅值曲线。舱体工况分析示意图如 图6 所示。

预制舱舱体抗震应力示意图如 图7 所示。从吊装的工况可以看出：模型最大应力出现在屋顶顶棚的方形垫脚上，最大值为94.6 MPa，小于Q345的屈服强度345 MPa。其余材料部件上的应力远小于相关材料的屈服强度，安全。

基于热力学仿真软件Flotherm，按照实体模型分别建立复合墙体、顶部保温层、底部保温层以及防静电地板的等效传热模型 [18] 。采用实体模型建立电力二次设备屏柜及装置插箱并赋予插箱额定功耗，分析其在极端温度下的保温性能。

为了保证舱内设备正常运行的环境条件，预制舱舱体采用双层保温结构，保温层厚度≥50 mm。隔热保温板采用双层优质钢板(内部填充物采用建设部许可聚氨酯防火保温材料，确保整个预制舱的保温和防火性能) + 环保金属装修层，保证达到“24墙”的保温功效。

本次舱体保温隔热研究采用k-ε双方程湍流模型进行模拟，数值模拟采用由连续性方程、动量守恒方程以及湍流脉动动能方程(k方程)等数学表达式。同时做以下假定：

(1) 预制舱内部空气低速流动且不可压缩，并符合Boussinesq方程假设；

(2) 空气流动为稳态紊流；

(3) 不考虑重力的影响；

(4) 忽略由流体黏性力做功引起的耗散热。

相应环境条件如下：

(1) 环境温度−45℃~+45℃，正常工作状态下舱内温度宜控制在18℃~25℃范围内。在任意一台空调故障时舱内温度可为5℃~30℃范围内。

(2) 屏柜总功率为4080 W。

(3) 空调。两台直流变频风管机，最大制热功率5800 W，最大制冷功率5000 W。

(4) 预制舱采用1个电暖气采暖，壁挂式安装，布置在舱体内长度方向的右侧底部。

(5) 新风系统采用1个抽风风扇及1个吹风风扇设计，目的是提供足够的风压和风量，风扇的风量根据推荐值采用1000 m³/h。预制舱温控系统基本模型如 图8 所示。

针对温控系统空调制冷、新风系统制冷、空调加电暖气共同取暖三种情景进行仿真，对总体的温控系统环境温度工作状态区间进行确认和验证。

实验一：温控系统空调制冷仿真。仿真模拟环境温度45℃时，预制舱内温度环境情况，温控系统中设备工作状态为空调开启、电暖气关闭、所有风扇关闭。分别仿真两台空调同时工作和一台空调故障时另一台空调单独工作的情况。

(1) 两个空调同时开启。设定空调出口温度13℃，由于热空气向上流动，高温情况下应重点关注预制舱上部温度情况，因此取距底部2 m高截面进行验证。仿真结果如 图9 所示。

图9. 距舱底2 m高度温度截面图

由仿真结果可以看出，当环境温度为45℃且两台空调同时开启时，舱内部空气温度在19℃~24℃之间，满足设计要求。

(2) 单侧空调开启。一台空调故障时另一台空调单独工作，设定空调出口温度10℃。仿真结果如 图10 所示。

图10. 距舱底2 m高度温度截面图

由仿真结果可以看出，当环境温度为45℃且单侧空调开启时，舱内部空气温度在21℃~28℃之间，满足单台空调故障时的设计要求。

图11. 距舱底2 m高度温度截面图

实验二：温控系统新风系统制冷仿真。仿真模拟环境温度15℃时，预制舱内温度环境情况，温控系统中设备工作状态为空调关闭、电暖气关闭、所有风扇开启。仿真结果如 图11 所示。

由仿真结果可以看出，当环境温度为15℃新风系统开启时，舱内部空气温度在21℃~25℃之间，满足设计要求。

实验三：温控系统空调加电暖气取暖仿真。仿真模拟环境温度−45℃时，预制舱内温度环境情况，温控系统中设备工作状态为空调开启、电暖气开启、所有风扇关闭。分别仿真两台空调同时工作和一台空调故障时另一台空调单独工作的情况。

(1) 两个空调同时开启。设定空调出口温度22℃，由于冷空气向下流动，低温情况下应重点关注预制舱底部温度情况，因此取距底部0.5 m高截面进行验证。仿真结果如 图12 所示。

图12. 距舱底0.5 m高度温度截面图

由仿真结果可以看出，当环境温度为−45℃且两台空调，右侧电暖气同时开启时，舱内部空气温度在20℃~23℃之间，满足设计要求。

(2) 单侧空调开启。一台空调故障时另一台空调单独工作，设定空调出口温度22℃。仿真结果如 图13 所示。

图13. 距舱底0.5 m高度温度截面图

由仿真结果可以看出，当环境温度为−45℃且单侧空调，右侧电暖气同时开启舱内部空气温度在12℃~22℃，满足单台空调故障时的设计要求。

根据综合仿真结果，以下为总体的温控系统环境温度工作状态区间：

1) −45℃~−5℃为空调加取暖器制热区间。

2) −5℃~0℃为温控系统不工作区间。

3) 0℃~15℃为新风系统工作区间。

4) 15℃~45℃为空调制冷区间。