2007年，波特兰通用电气公司（PGE）开始计划更换一座80年历史的变电站和近1.5英里（2.4千米）老化的15千伏海底配电电缆，以确保俄勒冈州波特兰市中心和美国南部城市南部滨水区拥有充足的可靠电力供应，以支持该地区的发展和发展。11年后的今天，8,300万美元的Marquam项目即将完成。
新的115kV交联聚乙烯电缆将从位于威拉米特河以东的PGE哈里森变电站和通过新蒂尔库姆过桥到新的Marquam变电站供电，靠近河流西侧的市中心。然而，为了将电力从桥梁输送到变电站，Black＆Veatch的项目工程师 首先必须在繁忙的5号州际公路的12条通道下架设1050英尺（320米）的XLPE电缆，同时避开地下障碍物和谈判各种土壤类型。
Marquam变电站还向PGE和Black＆Veatch提出了自己的一系列独特挑战。指定位置是一个小型城市地段，夹在I-405和I-5公路之间，周围有很多公园，当地道路和住宅建筑。
PGE项目经理Ezra Richards说：“Marquam项目是PGE在波特兰市中心电网有史以来最大的投资。“这实际上相当于一个案例研究，不仅在复杂的工程中，而且是在受到局限的城市地区工作时管理数十个承包商的平衡行为。”
从一开始，PGE就遇到了几个关键问题：
- 那种电缆系统最能满足项目目标？
- 电缆如何穿过威拉米特河？
- 团队如何克服小而复杂的工地上的施工难题？
- 变电站如何与配电网连接？
选择电缆
通过Black＆Veatch的可行性研究，PGE选择了带有2500-kcmil分段铜芯和高密度聚乙烯（HDPE）护套的115-kV交联聚乙烯绝缘电缆，从哈里森变电站向西运行至Marquam站。交联聚乙烯电缆已成为世界范围内的地下传输标准，因为它比依靠加压氮气或矿物油绝缘的旧技术更容易维护。
电缆系统的设计目标是在40年的设计寿命内连续运行至少1260A。新生产线每相有一根电缆，每个电缆都有一个独立的分布式温度传感（DTS）系统来监测温度，一个连续的铜质接地连续导体用于故障返回电流，以及一个专用的光纤通信系统。因此，设计需要六根聚氯乙烯（PVC）或HDPE导管 - 每根电缆一根，导线和光纤线各一根。反过来，每个导管将被包裹在混凝土或压实砂中以为缆线提供可接受的热环境。接下来的两个挑战涉及更多。
跨越波特兰水域
由于许可证和视觉限制，威拉米特河上空不允许架空跨越，并且河床下方的水平定向钻井（HDD）被确定为太昂贵。因此，PGE确定穿越威拉米特河最合适的方法是将电缆穿过未来Tilikum Crossing Bridge混凝土桥面的PVC导管，同时避开天气和视线两个主要因素。
由于运输和安装的限制，PGE决定将穿过威拉米特河的电缆链接来自哈里森变电站运行的电缆，以及Marquam变电站的预制混凝土拱顶 - 在Tilikum交叉桥两侧各一个。
为了建造从桥西侧的拱顶到I-5高速公路的115千伏输电线路段，项目工程师与当地官员密切合作，在波特街下开辟线路，这条繁忙的新大街提供了进入火车，公共汽车，骑自行车者和行人的Tilikum过桥。波特街的工程师不得不提高波特街12英尺（3.7米）的高程，并在两侧用机械稳定土（MSE）挡土墙进行支撑，而这些挡土墙则用金属或合成带从面对墙壁进入土壤。然后将115千伏线路的管道安装在MSE带之间的单层中，并灌入黄沙。
建设变电站
每个人都知道建设Marquam变电站将是一个重大挑战。由于它位于波特兰市中心，该地点位于先前的老站，不仅留下了多个地下障碍物，而且还留下了在其南侧已有膝盖支撑稳定性的挡土墙。所有这些都非常靠近115千伏输电线路进入变电站的地方。
此外，考虑到它的预期用途以及将其变成最先进的设施所需的建筑空间，该工地长290英尺，宽210英尺（88米乘64米），规模较小。尽管面临这些挑战，但PGE很幸运能够在波特兰密集的城市环境中获得这块土地。由于最终建设将包括六台50 MVA变压器，而PGE希望采用3/2断路器接线方案以提高系统可靠性和运营灵活性，因此该电力公司选择了气体绝缘变电站（GIS）设计。通常需要10英尺（3米）相间距的空气绝缘变电站相比，在新站的设计中，允许通电相位仅是几英寸。
另外，115千伏的GIS通常使用高架套管终端将输入线路连接到变电站设备; 然而，Marquam的GIS需要地下电缆接头来优化空间并保持足够的电气安全间隙。有限的场地空间使得地下电缆的GIS应用成为理想的选择，但该场地需要额外的设备：
- 39台联网开关柜和未来用于13-kV馈线电路的27台出线开关柜
- 用于线路和变压器保护 - 继电保护设备的60英尺（18米）保护控制柜
- 三个13千伏箱式并联电容器组，未来可再提供三个电容器组
- 北侧有四个储藏室，用于处理配送线路的四个外出钻孔外壳
- 大型拱顶 - 长100英尺，宽30英尺，深15英尺（30米乘9.1米乘4.6米） - 在南侧收集进出的XLPE传输电缆并为GIS设备提供基础。
最大的挑战之一是不得不从10米长的可疑的25英尺（7.6米）厚的挡土墙修建传入的电缆室。那堵墙支撑着现有的街道和附近的住宅，并有数十个无法拆除的护膝支撑。但是，膝盖支架正在占用变电站设备所需的宝贵资源。在正常情况下 - 对于这个高度的墙壁 - 系杆背可以用来将墙锚定在其后面的土壤中，但是距离线只有3英尺（0.9米），这种方法不是一种选择。PGE公司决定，唯一的解决方案是在距离现有墙3英尺处建造第二个更坚固的挡土墙，并且由于空间限制，悬臂式支撑墙是唯一的选择。
Black＆Veatch工程师选择了惠普18 x 204钢制轴承桩，这是目前生产的最大的这种桩。每个长50英尺（15.2米）长的钢桩被固定在一个4英尺（1.2米）直径的混凝土填充套管内，该套管延伸到地平面以下25英尺，在变电站等级上方留下25英尺的桩以支撑新墙。这些桩沿墙的整个长度相隔7英尺（2.1米）。
进一步增加难度，在新的挡土墙施工过程中，必须不断支持现有的墙体。这需要一个广泛的施工协调计划，包括在现有支撑之间安装墩，将现有墙连接到新桩，然后逐个重新安置支撑，以便不断支撑旧墙。此外，由于对施工期间现有墙体的完整性的担忧，工程师沿其全长安装了倾斜监测器。这些显示器足够敏感，可以检测全天温度变化引起的墙壁变化，如果发现任何超出严格公差范围的移动，都会向项目组提供自动警告。
虽然旧墙在施工过程中证明是稳定的，但新墙确实将极端荷载转移到了下面的土壤上。由于挖掘距离墙仅10英尺，因此这对于大型GIS地下室挖掘和模板的支撑是必要的。撑板模板留在拱顶内，直到浇筑屋顶板之后。之后通过出入舱口取下支撑。尽管在这个地段的南侧正在进行这项重大的努力，但在变电站北侧仅100英尺远的地方就已经开始了千斤顶和井下的努力。
链接到波特兰电网
安装40条配电线PGE计划在市中心的波特兰电网需要四个千斤顶和孔，每个孔直径4英尺，长度为235英尺（72米），从Marquam地段的北侧伸出。虽然典型的钻孔通常是水平的，或者可能倾斜1度，但是I-405的另一侧的变电站和地面之间的40英尺（12.2米）的高程差迫使钻孔者将这些钻孔中的两个从Marquam变电站向上10.5度，另外两个8.5度。有一次，这些钻孔在高速公路下方35英尺（10.7米）处，在I-405高速公路的基础之间，公差非常严格。
钻孔和钻孔承包商冈萨雷斯镗孔和隧道工程不得不在混凝土整体排水管线的2英尺（0.6米）范围内钻孔，同时与支撑I-405的基础保持最小距离。有一次，该公司不得不用螺丝刀替换钻头上的普通钻头去除混凝土碎屑，但通常这些钻孔完美无缺。司钻必须击中一个12平方英寸（77平方厘米）的目标，他就这样做了。
但是，要达到这一点需要应对很多工程挑战。该团队首先不得不为挖掘机创建一个基地 - 在Marquam地段，40英尺×50英尺×26英尺深（12.1米×15.2米×7.9米）。这需要大量的支撑，但由于靠近3英尺直径的加压水管线，I-405高速公路以及一座新的学校建筑，Caruthers街上的接收站更加具有挑战性。为了监测安装支撑期间对学校的影响，PGE在学校安装了振动监测仪，该监测仪完好无损。为了成为一名好邻居，尽量减少对学校活动的干扰，Caruthers的主要工作是在上课时间和学校放假期间完成的，PGE在整个工作期间与学校保持密切沟通。
复杂管理的关键
灵活性和创造力是项目成功的关键，因为这是围绕模糊性和复杂性进行设计的教训。该项目有许多工程部件 - 电力，土木，架空输电，地下输电和配电 - 具有复杂的现场条件和技术挑战。因此，每个人都必须密切合作，在每一点上达成共识。PGE，Black＆Veatch，供应商和支持承包商之间不仅需要不断的沟通，而且对于PGE能够不断与电气设备匹配地下设计以及确保所有设备按计划设计和制造的能力来说，至关重要。
Scott Stocker 是波特兰通用电气的首席工程师，也是Marquam传输项目的项目工程师。Stocker在输配电设计方面有超过9年的经验。他是俄勒冈州立大学BSME学位的注册专业工程师。
Ian Grant 是Black＆Veatch的高级项目工程师，负责地下项目的土建设计。Grant在地下输电和变电站民用项目方面拥有超过14年的经验。他是波特兰大学BSCE学位的注册专业工程师。
Brenton Waechter Smith是Black＆Veatch的项目工程师，负责变电站的设计。Waechter Smith在变电站设计方面有超过7年的经验。他是加利福尼亚州和俄勒冈州的注册专业工程师，拥有威斯康星大学麦迪逊分校的电子工程学士学位和华盛顿大学的电子工程学士学位。
摘自：tdworld.com - Engineering Complexity in Substation Design
#Substation
