劉 麗 張 楠 張 嵩 聶文海 王國(guó)鵬

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智能變電站預(yù)制式二次設(shè)備布置及優(yōu)化建議

劉 麗1張 楠1張 嵩1聶文海1王國(guó)鵬2

（1. 國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 100038； 2. 國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司，北京 100052）

模塊化智能變電站通過(guò)采用預(yù)制艙，實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備模塊化生產(chǎn)，由廠家集成安裝、調(diào)試等，模塊化配送，減少了現(xiàn)場(chǎng)二次接線以及設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試工作量，縮短了建設(shè)周期，取得了較大的建設(shè)效益。但在工程實(shí)施過(guò)程中，面臨艙體及屏柜重復(fù)防護(hù)處理、艙內(nèi)空間利用率不高、艙內(nèi)接線復(fù)雜、改擴(kuò)建操作困難等問(wèn)題。本文針對(duì)110kV智能變電站提出預(yù)制艙式二次組合機(jī)架結(jié)構(gòu)方案：將多個(gè)分立部件固定在艙壁和艙底，形成整體機(jī)架式結(jié)構(gòu)，安裝方便，配置靈活，兼顧空間利用率和維護(hù)便利性；改進(jìn)艙內(nèi)屏柜模塊布置方式和艙二次回路連接方式，實(shí)現(xiàn)智能變電站空間、功能、運(yùn)維等的一體化設(shè)計(jì)。使變電站建設(shè)走向科技含量高、資源消耗低、環(huán)境污染少、精細(xì)化建造的道路。

智能變電站；模塊化；預(yù)制艙；機(jī)架式

現(xiàn)有變電站建設(shè)過(guò)程中存在著現(xiàn)場(chǎng)施工量大、建設(shè)周期長(zhǎng)、建設(shè)質(zhì)量難于控制、接口復(fù)雜、占用資金多等問(wèn)題[1]。模塊化變電站是一種把高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備、配電變壓器和低壓配電裝置按一定的接線方式組成一體的工廠預(yù)制型戶內(nèi)外緊湊式配電設(shè)備，使變電站建設(shè)走向減少土地占用、降低變電站造價(jià)、縮短建設(shè)周期、與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)、提高運(yùn)行可靠性、較少設(shè)備維護(hù)的發(fā)展模式[2]。

對(duì)于模塊化變電站來(lái)說(shuō)，二次設(shè)備的模塊化尤為重要。二次設(shè)備模塊化后，系統(tǒng)的二次設(shè)備可以在廠家內(nèi)完成內(nèi)部接線及單系統(tǒng)調(diào)試，設(shè)備到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，僅需要在施工過(guò)程中放置模塊之間的對(duì)外引接的電纜，很大程度減少了現(xiàn)場(chǎng)電纜的敷設(shè)的工作量，降低了施工的復(fù)雜度與出錯(cuò)的可能性，縮減了施工周期，提高了施工質(zhì)量。另外由于二次功能模塊整體運(yùn)輸、安裝，所以減少了現(xiàn)場(chǎng)二次屏柜就位的施工量和施工時(shí)間及施工難度，提高了工藝水 平[3]。

110kV作為配電網(wǎng)電壓等級(jí)的趨勢(shì)日漸明顯，110kV及以下變電站建設(shè)數(shù)量越來(lái)越多，簡(jiǎn)單、可靠、快速的模塊化建設(shè)方式勢(shì)成為今后變電站建設(shè)的主流模式[2]。然而，現(xiàn)行預(yù)制艙式二次組合設(shè)備存在艙體及屏柜重復(fù)防護(hù)處理、屏柜內(nèi)空間利用率不高、艙體尺寸過(guò)大、屏間連線多、接線復(fù)雜、艙內(nèi)外工作環(huán)境適應(yīng)性差等問(wèn)題，有待優(yōu)化。

1 傳統(tǒng)預(yù)制艙內(nèi)二次設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)

1.1 技術(shù)發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

自預(yù)制艙開(kāi)展應(yīng)用以來(lái)，艙內(nèi)屏柜的尺寸及結(jié)構(gòu)形式出現(xiàn)多次變化。2013年，預(yù)制艙內(nèi)屏柜采用單列布置。為了盡可能提高艙內(nèi)屏柜容量，制造廠家采用了基于GB/T 19520.2的寬度為600mm的屏柜，機(jī)柜采用前后接線結(jié)構(gòu)，柜內(nèi)空間基本可以滿足接線及運(yùn)維的要求，但首批試點(diǎn)工程預(yù)制艙寬度為2500mm，艙內(nèi)維護(hù)空間明顯不足[4]。

圖1 預(yù)制艙內(nèi)屏柜單列布置圖

傳統(tǒng)預(yù)制艙將二次設(shè)備安裝于屏柜內(nèi)，屏柜作為單個(gè)載體集成于艙內(nèi)。隨著前接線裝置的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，艙內(nèi)屏柜在不改變艙體結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上可雙列布置于艙內(nèi)，從而最大化利用艙內(nèi)空間[5-7]。

2014年，出于方便運(yùn)維的考慮，標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制艙寬度擴(kuò)展為2800mm，同時(shí)提出的“前接線、前顯示”裝置設(shè)計(jì)理念，已被各生產(chǎn)廠家接受，并通過(guò)了入網(wǎng)檢測(cè)，具備工程投運(yùn)條件[8]。在“前接線、前顯示”裝置應(yīng)用的基礎(chǔ)上，屏柜雙列靠墻的布置方式得到廣泛應(yīng)用。使預(yù)制艙內(nèi)可容納屏柜的數(shù)量成倍增加。但前接線機(jī)柜的結(jié)構(gòu)形式、運(yùn)維方法與傳統(tǒng)前后接線的機(jī)柜有較大改變。經(jīng)過(guò)多次試點(diǎn)工程檢驗(yàn)，運(yùn)維人員普遍反映600mm寬的前接線機(jī)柜給接線及運(yùn)維帶來(lái)不便，只有裝置一側(cè)安裝走線槽，且走線槽寬度僅為40mm?？紤]到運(yùn)維擴(kuò)建和檢修等的需要，國(guó)網(wǎng)公司統(tǒng)一將預(yù)制艙內(nèi)的前接線機(jī)柜寬度尺寸定為800mm，在裝置兩側(cè)均可布置走線槽，且走線槽寬度大幅提升。

根據(jù)《預(yù)制艙式二次組合設(shè)備技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，110kV智能化變電站配置1個(gè)Ⅲ型預(yù)制艙（12200mm×2800mm×3133mm）可基本滿足建設(shè)和使用要求[9-10]。

1.2 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

新型的模塊化機(jī)架式安裝結(jié)構(gòu)在提高預(yù)制艙使用率、方便設(shè)備運(yùn)維、提高設(shè)備安全性方面具有一定優(yōu)勢(shì)，日漸成為研究熱點(diǎn)[11]。目前，主要有兩種典型的機(jī)架式方案。

1）按功能劃分設(shè)備區(qū)域的模式

此方案的機(jī)架式結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)架內(nèi)的設(shè)備按功能劃分不同的區(qū)域進(jìn)行安裝，空開(kāi)安裝區(qū)域位于機(jī)架最上部，附件安裝區(qū)域位于機(jī)架最下部，中間區(qū)域安裝二次設(shè)備、右側(cè)區(qū)域安裝評(píng)屏柜端子及豎向走 線槽。

2）不設(shè)前門(mén)的集成式機(jī)架結(jié)構(gòu)

集成式機(jī)架結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)是不設(shè)置前門(mén)，二次設(shè)備直接外露。機(jī)架單體分左側(cè)設(shè)備安裝部分和右側(cè)設(shè)備維護(hù)部分，機(jī)架內(nèi)、機(jī)架間、艙內(nèi)采用開(kāi)放式維護(hù)通道，不設(shè)前門(mén)，增加了操作空間。

然而，仍存在如下問(wèn)題：①模塊化分隔式結(jié)構(gòu)方案在橫向上僅將原封閉的屏柜側(cè)板替換為網(wǎng)格板，也即橫向上的兩面屏柜仍存在明顯的物理阻隔，限制了同一間隔內(nèi)設(shè)備的橫向布置；②上下分隔式結(jié)構(gòu)方案只是機(jī)械地將原屏柜空間一分為二，在利用其安裝一個(gè)完整間隔的設(shè)備時(shí)，可能導(dǎo)致空間不足或空間過(guò)剩的情況；③功能分區(qū)結(jié)構(gòu)式單純按功能分區(qū)，當(dāng)多個(gè)間隔的設(shè)備安裝在同一列時(shí)，可能給運(yùn)維造成不便；④無(wú)門(mén)框式結(jié)構(gòu)將二次設(shè)備直接布置于面板上，雖然增大了檢修操作的通道，但是容易造成誤碰面板上的按鈕與操作開(kāi)關(guān)，造成二次裝置的誤操作，對(duì)于運(yùn)行維護(hù)方來(lái)說(shuō)，是很不便利的。

考慮到上述結(jié)構(gòu)形式的諸多不利因素，需對(duì)預(yù)制艙內(nèi)屏柜的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，使接線、運(yùn)維及遠(yuǎn)期更換更加方便。

2 機(jī)架式二次設(shè)備布置方式

2.1 一體化設(shè)計(jì)、分立式安裝的結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)GB/T 19520中的定義，機(jī)架是按照預(yù)定間距配置的一系列成對(duì)的垂直構(gòu)件，構(gòu)件可被固定在地板、天花板或墻壁上。將定義中的垂直構(gòu)件設(shè)計(jì)成由多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)零件組成的長(zhǎng)方形片狀結(jié)構(gòu)，作為機(jī)架的基本裝配單元，固定在艙體地板和墻壁上，如圖3所示。

將上述基本裝配單元作為機(jī)架式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)及受力單元。多個(gè)裝配單元在整體制造的預(yù)制艙底部槽鋼與側(cè)壁上通過(guò)螺釘緊固，再通過(guò)各類型的橫向連接零件將不同裝配單元之間進(jìn)行連接，形成安裝靈活方便、并具有良好強(qiáng)剛度的整體框架。

2.2 機(jī)架尺寸的優(yōu)化

利用機(jī)架式一體化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，將單個(gè)零件作為左右兩組機(jī)架單元共同的受力構(gòu)件及安裝基礎(chǔ)，可節(jié)約更多的空間，結(jié)合工程設(shè)計(jì)需要和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定機(jī)架的寬度為700mm。

一般機(jī)柜深度均為600mm，由于前接線裝置的前部空間130mm為統(tǒng)一尺寸，無(wú)法優(yōu)化，各廠家裝置后部深度各不相同，從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，一般深度不超過(guò)280mm，但考慮到部分其他裝置，如交換機(jī)等設(shè)備深度可能超過(guò)300mm，因此，統(tǒng)一將后部裝置深度定為不超過(guò)350mm，此數(shù)據(jù)也不宜改變。

此時(shí)，可優(yōu)化的空間只有裝置前面板到機(jī)柜正面的85mm。此數(shù)值的規(guī)定，來(lái)源于為裝置正面開(kāi)關(guān)、按鈕的深度，以及機(jī)柜正面其他凸起設(shè)備（如壓板等）的深度預(yù)留安裝空間?？蓪喊宓韧蛊鹪O(shè)備采用嵌入式結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可將設(shè)備正面空間節(jié)約，使前門(mén)與設(shè)備間的距離縮短。將前門(mén)與設(shè)備間的距離由85mm縮短至50mm，再將裝置后部最小空間由35mm優(yōu)化至20mm，則可將機(jī)架深度空間優(yōu)化至550mm。

預(yù)制艙內(nèi)維護(hù)通道寬度=預(yù)制艙寬度－艙壁厚度×2-機(jī)架深度×2。

預(yù)制艙深度為標(biāo)準(zhǔn)尺寸2800mm，采用超細(xì)活性粉末、水泥、優(yōu)質(zhì)細(xì)骨料、高強(qiáng)度纖維等組分的RPC新型倉(cāng)體材料，可使艙壁厚度縮小至70mm，再結(jié)合上述對(duì)機(jī)架深度的優(yōu)化，使預(yù)制艙內(nèi)維護(hù)通道的寬度為2800-70×2-550×2=1560mm，即艙內(nèi)維護(hù)空間可達(dá)1560mm，極大增加了運(yùn)維的便利性。

3 預(yù)制式二次設(shè)備配線及防護(hù)方案

3.1 機(jī)架內(nèi)設(shè)備配線及防護(hù)解決方案

受前接線機(jī)柜結(jié)構(gòu)形式的限制，左右兩側(cè)布置走線槽的條件下，無(wú)法豎向安裝接線端子[12]。以往采用數(shù)字采樣，艙內(nèi)電纜數(shù)量不多，需要的接線端子數(shù)量也較少，采用端子橫排布置。在本文中，對(duì)機(jī)架單元的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，采用裝置偏置，一側(cè)安裝走線槽和接線端子。

右側(cè)接線區(qū)域采用200mm寬的豎向走線空間夠，用55mm寬的電纜走線槽，為解決端子接線空間的問(wèn)題，在端子選型時(shí)，可采用以下兩個(gè)方案。

1）選擇兩端均可正面接線的插接型小型化端子，即90°接線端子。

2）采用普通接線端子，把端子傾斜安裝后，也可以滿足接線要求。

裝置另一側(cè)配置光纜理線板，方便光纜走線。機(jī)架單元采用不對(duì)稱雙開(kāi)門(mén)結(jié)構(gòu)。左側(cè)門(mén)寬度為500mm，結(jié)構(gòu)采用19in標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架式安裝模數(shù)，在裝置的相應(yīng)位置安裝透明玻璃封板，走線槽相應(yīng)位置安裝金屬蓋板，既可方便的觀察設(shè)備工作狀態(tài)，又可確保設(shè)備不被誤碰或誤操作。右側(cè)門(mén)寬度為200mm，為走線槽及端子蓋板，打開(kāi)后可對(duì)接線區(qū)域進(jìn)行操作。

機(jī)架上層為空開(kāi)安裝區(qū)域，空開(kāi)采用機(jī)架內(nèi)固定安裝的方式，為保障操作人員人身安全，為空開(kāi)配置旋轉(zhuǎn)式防護(hù)封板，封板上開(kāi)操作孔，當(dāng)封板閉合時(shí)，空開(kāi)操作手柄露出，可進(jìn)行開(kāi)合操作，當(dāng)封板旋轉(zhuǎn)打開(kāi)時(shí)，可對(duì)空開(kāi)進(jìn)行接線維護(hù)。

3.2 機(jī)架式結(jié)構(gòu)艙內(nèi)走線及維護(hù)方式

機(jī)架式結(jié)構(gòu)分為上下兩部分：上部又分為設(shè)備區(qū)和走線區(qū)，高度2000mm，設(shè)備區(qū)安裝空開(kāi)、二次裝置、壓板等設(shè)備，走線區(qū)布置豎向走線槽和接線端子；下部為機(jī)架間的走線層，高度200mm，布置貫穿機(jī)架的橫向走線槽盒，以及接地銅排等附件，走線層采用下翻式門(mén)，方便操作。

預(yù)制艙內(nèi)走線采用環(huán)形通道，同列機(jī)架間設(shè)備的連接線纜通過(guò)機(jī)架下方走線層中設(shè)置的走線槽行線，工廠化接線時(shí)，可暫不安裝走線層防護(hù)門(mén)，方便人員施工。在現(xiàn)場(chǎng)接線及維護(hù)時(shí)，可將走線層防護(hù)門(mén)翻轉(zhuǎn)打開(kāi)，換線或新增線纜時(shí)，走線層高度完全滿足施工操作的需要。機(jī)架下方的橫向走線槽盒，采用分區(qū)域分層走線結(jié)構(gòu)，可將光纜、電纜走線路徑完全分離，方便運(yùn)維，避免誤操作，分別如圖7和圖8所示。

在防靜電地板下方的走線夾層中靠近短墻兩側(cè)的位置，設(shè)置走線槽盒，將相對(duì)的雙列機(jī)架走線層中的橫向走線槽盒聯(lián)通，供相對(duì)機(jī)架上安裝的設(shè)備之間連線使用。當(dāng)需要維護(hù)連接對(duì)稱機(jī)架設(shè)備間的連線時(shí)，只需打開(kāi)走線層防護(hù)門(mén)，并掀開(kāi)覆蓋在對(duì)側(cè)走線槽盒上方的幾塊防靜電地板，即可完成施工，避免了傳統(tǒng)維護(hù)線纜時(shí)，需要掀開(kāi)大部分地板的現(xiàn)象，既提高了工作效率，又防止了地板反復(fù)拆卸造成的損傷[14-15]。

3.3 集中配線單元設(shè)計(jì)

本文采用光纜集中配線機(jī)架實(shí)現(xiàn)預(yù)制艙內(nèi)二次屏柜的對(duì)外光電纜接線。集中配線機(jī)架按照預(yù)制艙內(nèi)實(shí)際光電纜接入需求，設(shè)置光纜集中轉(zhuǎn)接模塊，將多個(gè)預(yù)制光纜轉(zhuǎn)接模塊集成至標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)內(nèi)。預(yù)制艙內(nèi)預(yù)制光纜均通過(guò)集中配線機(jī)架與艙外接線，通過(guò)集中配線機(jī)架至預(yù)制艙內(nèi)各個(gè)屏柜，預(yù)制艙內(nèi)部走線示意如圖10所示。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)預(yù)制艙式二次組合機(jī)架結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行深入研究，采取如下措施：①將多個(gè)片狀基本裝配單元固定在艙壁和艙底，形成整體機(jī)架式結(jié)構(gòu)，安裝方便、配置靈活，布局更加合理，施工更加便利；②在遵循國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的前提下，對(duì)艙內(nèi)機(jī)柜的寬度、深度尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用700mm×550mm的機(jī)架式結(jié)構(gòu)，在運(yùn)行可靠性的基礎(chǔ)上，兼顧了空間利用率和維護(hù)便利性；③改進(jìn)艙內(nèi)屏柜模塊及設(shè)置及布置方式，改進(jìn)艙二次回路連接方式，減少誤操作的可能性，實(shí)現(xiàn)智能變電站空間、功能、運(yùn)維等的一體化設(shè)計(jì)。

本文較好地解決了現(xiàn)有問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化目的，降低了艙體投資成本，具有較大的推廣前景。

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Layout and Optimization Suggestion of Prefabricated Secondary Equipment in Smart Substation

Liu Li1Zhang Nan1Zhang Song1Nie Wenhai1Wang Guopeng2

(1. State Grid JIBEI Electric Economic Research Institute, Beijing 100038; 2. State Grid JIBEI PowerCompany Limited, Beijing 100052)

Modular smart substation through the use of prefabricated modules to achieve the modular production of secondary equipment, greatly reduce the scene of the second wiring, reduce the design, construction, commissioning workload, and shorten the construction period. But in the process of project implementation, there are many problems, such as repetitive protective treatment of the cabin body and screen, low-utilization of cabin space, complexity of cabins wiring, renovation and expansion difficulties and so on. In this paper, a prefabricated secondary composite rack structure is proposed for 110kV smart substation. Rack structure can be installed easily, flexible configuration and taking into account the space utilization and maintenance convenience. The scheme improves the connection mode of cabin secondary circuit by improving the layout of cabin module, and realize the integrated design of smart substation's space, function, operation and maintenance, which makes the construction of substation go towards a road of high technology content, low resource consumption, less environmental pollution and streamline construction.

smart substation; modular; prefabricated cabin; rack structure

劉 麗（1982-），女，黑龍江省哈爾濱市人，碩士，副高級(jí)工程師，主要從事智能變電站二次設(shè)計(jì)及電網(wǎng)智能化規(guī)劃和評(píng)審相關(guān)工作。