智能变电站预制式二次设备布置及优化建议
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
国网冀北电力有限公司经济技术研究院、国网冀北电力有限公司的研究人员刘丽、张楠、张嵩、聂文海、王国鹏，在2017年第6期《电气技术》杂志上撰文指出，模块化智能变电站通过采用预制舱，实现二次设备模块化生产，由厂家集成安装、调试等，模块化配送，大大减少现场二次接线，减少设计、施工、调试工作量，大大缩短建设周期。取得了较大的建设效益。但在工程实施的过程中，面临舱体及屏柜重复防护处理；舱内空间利用率不高；舱内接线复杂；改扩建操作困难等问题。
本文针对110kV智能变电站提出预制舱式二次组合机架结构方案，将多个分立部件固定在舱壁和舱底，形成整体机架式结构，安装方便、配置灵活、兼顾空间利用率和维护便利性；改进舱内屏柜模块布置方式，改进舱二次回路连接方式，实现智能变电站空间、功能、运维等的一体化设计。使变电站建设走向科技含量高、资源消耗低、环境污染少、精细化建造的道路。
1 引言
现有变电站建设过程中存在着现场施工量大、建设周期长、建设质量难于控制、接口复杂、占用资金多等问题[1]。模块化变电站是一种把高压开关设备、配电变压器和低压配电装置按一定的接线方式组成一体的工厂预制型户内外紧凑式配电设备，使变电站建设走向减少土地占用、降低变电站造价、缩短建设周期、与周围环境协调、提高运行可靠性、较少设备维护的发展模式[2]。
对于模块化变电站来说，二次设备的模块化尤为重要。二次设备模块化后，成系统的二次设备可以在厂家内完成内部接线及单系统调试，设备到达现场后，仅需要在施工过程中放置模块之间的对外引接的电缆，大大减少了现场电缆的敷设的工作量，降低了施工的复杂度与出错的可能性，缩减了施工的周期，提高了施工的质量。另外由于二次功能模块整体运输、安装，减少现场二次屏柜就位的施工量，极大地减少了施工时间及施工难度，提高了工艺水平[3]。
110kV作为配电网电压等级的趋势日渐明显，110kV及以下变电站建设数量越来越多，简单、可靠、快速的模块化建设方式势成为今后变电站建设的主流模式[2]。然而现行预制舱式二次组合设备存在舱体及屏柜重复防护处理、屏柜内空间利用率不高、舱体尺寸过大、屏间连线多、接线复杂、舱内外工作环境适应性差等问题，有待优化。
2 传统预制舱内二次设备安装结构
2.1 技术发展历程及现状
自预制舱开展应用以来，舱内屏柜的尺寸及结构形式出现多次变化。2013年，由于预制舱内屏柜采用单列布置，为了尽可能提高舱内屏柜容量，制造厂家采用了基于GB/T 19520.2的宽度为600mm的屏柜，机柜采用前后接线结构，柜内空间基本可以满足接线及运维的要求，但由于首批试点工程预制舱宽度为2500mm，舱内维护空间明显不足[4]。
图1 预制舱内屏柜单列布置图
传统预制舱将二次设备安装于屏柜内，屏柜作为单个载体集成于舱内。随着前接线装置的开发应用，舱内屏柜在不改变舱体结构形式的基础上可双列布置于舱内，从而可以最大化利用舱内空间[5][6][7]。
2014年，出于方便运维的考虑，标准预制舱宽度扩展为2800mm，同时提出的“前接线、前显示”装置设计理念，已被各生产厂家接受，并通过了入网检测，具备工程投运条件[8]。
在“前接线、前显示”装置应用的基础上，屏柜双列靠墙的布置方式得到广泛应用。使预制舱内可容纳屏柜的数量成倍增加。但前接线机柜的结构形式、运维方法与传统前后接线的机柜有较大改变，经过多次试点工程检验，运维人员普遍反映600mm宽的前接线机柜给接线及运维带来不便，只有装置一侧安装走线槽，且走线槽宽度仅为40mm。
考虑到运维扩建和检修等的需要，国网公司统一将预制舱内的前接线机柜宽度尺寸定为800mm，装置两侧均可布置走线槽，且走线槽宽度大幅提升。
根据《预制舱式二次组合设备技术规范》规定，110kV智能化变电站配置1个III型预制舱（12200×2800×3133mm）可基本满足建设和使用要求[9][10]。
图2 III型舱屏柜布置图
2.2技术发展趋势
新型的模块化机架式安装结构在提高预制舱使用率、方便设备运维、提高设备安全性方面具有一定优势，日渐成为研究热点[11]。目前，主要有2种典型的机架式方案：
(1)按功能划分设备区域的模式
此方案的机架式结构对机架内的设备按功能划分不同的区域进行安装，空开安装区域位于机架最上部，附件安装区域位于机架最下部，中间区域安装二次设备、右侧区域安装评屏柜端子及竖向走线槽。
(2)不设前门的集成式机架结构
集成式机架结构最大的特点是不设置前门，二次设备直接外露。机架单体分左侧设备安装部分和右侧设备维护部分，机架内、机架间、舱内采用开放式维护通道，由于不设前门,增加了操作空间。
然而，模块化分隔式结构方案在横向上仅将原封闭的屏柜侧板替换为网格板，也即横向上的两面屏柜仍存在明显的物理阻隔，限制了同一间隔内设备的横向布置；上下分隔式结构方案只是机械地将原屏柜空间一分为二，在利用其安装一个完整间隔的设备时，可能导致空间不足或空间过剩的情况；功能分区结构式单纯按功能分区，当多个间隔的设备安装在同一列时，可能给运维造成不便；无门框式结构将二次设备直接布置于面板上，虽然增大了检修操作的通道，但是容易造成误碰面板上的按钮与操作开关，造成二次装置的误操作，对于运行维护方来说，是很不便利的。
考虑到上述结构形式的诸多不利因素，需对预制舱内屏柜的结构形式进行进一步的优化，使接线、运维及远期更换更加方便。
3机架式二次设备布置方式
3.1一体化设计、分立式安装的结构形式
根据GB/T 19520中的定义，机架是按照预定间距配置的一系列成对的垂直构件，构件可固定在地板、天花板或墙壁上。将定义中的垂直构件设计成由多个标准零件组成的长方形片状结构，作为机架的基本装配单元，固定在舱体地板和墙壁上，图3所示：
图3 机架式结构的片状基本装配单元
将上述基本装配单元作为机架式结构的基础及受力单元。多个装配单元在整体制造的预制舱底部槽钢与侧壁上通过螺钉紧固，再通过各类型的横向连接零件将不同装配单元之间进行连接，形成安装灵活方便、并具有良好强刚度的整体框架。
图4 机架式结构的整体框架安装示意图
3.2机架尺寸的优化
利用机架式一体化设计的优势，将单个零件作为左右两组机架单元共同的受力构件及安装基础，可节约更多的空间，结合工程设计需要和国家标准，设定机架的宽度为700mm。
一般机柜深度均为600mm，由于前接线装置的前部空间130mm为统一尺寸，无法优化，各厂家装置后部深度各不相同，从统计数据来看，一般深度不超过280mm，但考虑到部分其他装置，如交换机等设备深度可能超过300mm，因此，统一将后部装置深度定为不超过350mm，此数据也不宜改变。
此时，可优化的空间只有装置前面板到机柜正面的85mm。此数值的规定，来源于为装置正面开关、按钮的深度，以及机柜正面其他凸起设备（如压板等）的深度预留安装空间。可将压板等凸起设备采用嵌入式结构，如图5所示：
图5 压板嵌入式安装结构
通过优化设计，可将设备正面空间节约，使前门与设备间的距离缩短。将前门与设备间的距离由85mm缩短至50mm，再将装置后部最小空间由35mm优化至20mm，则可将机架深度空间优化至550mm。
预制舱内维护通道宽度=预制舱宽度－舱壁厚度×2-机架深度×2。
由于预制舱深度为标准尺寸2800mm，采用超细活性粉末、水泥、优质细骨料、高强度纤维等组分的RPC新型仓体材料，可使舱壁厚度缩小至70mm，再结合上述对机架深度的优化，使预制舱内维护通道的宽度为2800－70×2－550×2=1560mm，即舱内维护空间可达1560mm，大大增加了运维的便利性。
4预制式二次设备配线及防护方案
4.1机架内设备配线及防护解决方案
受前接线机柜结构形式的限制，左右两侧布置走线槽的条件下，无法竖向安装接线端子[12]。由于以往采用数字采样，舱内电缆数量不多，需要的接线端子数量也较少，采用端子横排布置的。在本文中，对机架单元的结构进行优化，采用装置偏置，一侧安装走线槽和接线端子。
图6 装置偏置示意图
右侧接线区域采用200mm宽的竖向走线空间够，用55mm宽的电缆走线槽，为解决端子接线空间的问题，在端子选型时，可采用以下两个方案：（1）选择两端均可正面接线的插接型小型化端子，即90°接线端子；（2）采用普通接线端子，把端子倾斜安装后，也可以满足接线要求。
装置另一侧配置光缆理线板，方便光缆走线。机架单元采用不对称双开门结构。左侧门宽度为500mm，结构采用19英寸标准机架式安装模数，在装置的相应位置安装透明玻璃封板，走线槽相应位置安装金属盖板，既可方便的观察设备工作状态，又可确保设备不被误碰或误操作。右侧门宽度为200mm，为走线槽及端子盖板，打开后可对接线区域进行操作。
机架上层为空开安装区域，空开采用机架内固定安装的方式，为保障操作人员人身安全，为空开配置旋转式防护封板，封板上开操作孔，当封板闭合时，空开操作手柄露出，可进行开合操作，当封板旋转打开时，可对空开进行接线维护。
4.2 机架式结构舱内走线及维护方式
机架式结构分为上下2部分，上部又分为设备区和走线区，高度2000mm，设备区安装空开、二次装置、压板等设备，走线区布置竖向走线槽和接线端子。下部为机架间的走线层，高度200mm，布置贯穿机架的横向走线槽盒，以及接地铜排等附件，走线层采用下翻式门，方便操作。
预制舱内走线采用环形通道，同列机架间设备的连接线缆通过机架下方走线层中设置的走线槽行线，工厂化接线时，可暂不安装走线层防护门，方便人员施工。在现场接线及维护时，可将走线层防护门翻转打开，换线或新增线缆时，走线层高度完全满足施工操作的需要。机架下方的横向走线槽盒，采用分区域分层走线结构，可将光缆、电缆走线路径完全分离，方便运维，避免误操作，如图所示：
图7 横向走线槽盒分区域走线示意图
图8 横向走线槽盒分区域走线示意图
在防静电地板下方的走线夹层中靠近短墙两侧的位置，设置走线槽盒，将相对的双列机架走线层中的横向走线槽盒联通，供相对机架上安装的设备之间连线使用。当需要维护连接对称机架设备间的连线时，只需打开走线层防护门，并掀开覆盖在对侧走线槽盒上方的几块防静电地板，即可完成施工，避免了传统维护线缆时，需要掀开大部分地板的现象，既提高了工作效率，又防止了地板反复拆卸造成的损伤[14][15]。
图9 对侧机架间走线维护示意图
4.3集中配线单元设计
本文采用光缆集中配线机架实现预制舱内二次屏柜的对外光电缆接线。集中配线机架按照预制舱内实际光电缆接入需求，设置光缆集中转接模块。将多个预制光缆转接模块集成至标准装置结构内。预制舱内预制光缆均通过集中配线机架与舱外接线，通过集中配线机架至预制舱内各个屏柜，预制舱内部走线示意如下图所示：
图10 预制舱内部走线示意图
5结论
本文通过对预制舱式二次组合机架结构方案进行深化研究，将多个片状基本装配单元固定在舱壁和舱底，形成整体机架式结构，安装方便、配置灵活，布局更加合理，施工更加便利；在遵循国家标准的前提下，对舱内机柜的宽度、深度尺寸进行优化设计，采用700mmÍ550mm的机架式结构，在运行可靠性的基础上，兼顾了空间利用率和维护便利性；改进舱内屏柜模块及设置及布置方式，改进舱二次回路连接方式，减少误操作的可能性，实现智能变电站空间、功能、运维等的一体化设计。
本文较好的解决了现有问题，达到了优化目的、降低了舱体投资成本，具有较大的推广前景。