智能变电站二次光缆优化设计

唐宝锋，陈　明，林　榕，齐晓光，邢　琳

(国网河北省电力公司经济技术研究院，石家庄　050021)



智能变电站二次光缆优化设计

唐宝锋，陈明，林榕，齐晓光，邢琳

(国网河北省电力公司经济技术研究院，石家庄050021)

摘要：针对智能变电站二次光缆用量巨大、敷设混乱、现场熔接受施工条件制约等问题，提出智能变电站二次光缆优化设计方案，从光缆整合优化、连接方式优化、敷设优化3个方面进行了详细论证，研究成果可为智能变电站二次光电缆设计提供理论指导和优化建议。

关键词：光缆；优化；整合；光缆敷设；预制光缆

由于智能变电站采用网络化通信手段替代原有的控制电缆，使得控制电缆用量减少，而光缆及其相关材料(光纤配线架、熔接点等)的用量大幅增加。由于各设计院设计能力及设计理念的差别，仍存在较多光缆连接或配线布局等方面的问题，导致光缆实际用量及配套材料用量激增，没有体现出智能变电站装置集成、信息冗余的特点。同时，光缆熔接点的增加，易造成光缆接线混乱，降低施工效率。针对以上问题，从光缆整合、连接方式及光缆敷设3个方面进行研究分析，提出了智能变电站光缆优化设计方案。

1光缆整合优化

1.1光缆整合的基本原则

根据相关行业标准、企业标准及通用设计的要求，确定光缆整合的原则如下：

a. 依据将去向相近的光缆整合为一根多芯光缆的原则，利用既有二次屏柜转接或设置集中转接屏对光缆进行整合。

b. 光缆整合时双重化配置的设备所对应的连接光缆应各自独立；若设置双网，过程层A、B网所对应的光缆应各自独立。

c. 减少光缆选型，铠装光缆采用12芯或24芯，室内尾缆采用4芯、8芯或12芯。每根光缆要求至少预留2芯做为备用芯。

1.2实施效果分析

以某110-A1-1方案的110 kV智能变电站为例。变电站按终期规模设计，采用2×50 MVA三绕组有载调压变压器及1×50 MVA双绕组有载调压变压器。110 kV出线3回，采用扩大内桥接线；35 kV出线6回，采用单母线分段接线；10 kV出线26回，采用单母线三分段接线。

该工程通过设置集中转接屏实现光缆的优化整合。具体配置为：二次设备室配置1面168口的光纤配线柜，110 kV GIS设备区配置1面132口光纤配线箱，光纤配线架之间采用光缆连接。

以间隔为单位，110 kV GIS智能组件柜光纤配线箱到二次设备室光纤配线柜的光缆根据双套配置各自独立的原则，汇总成11根12芯光缆，传输110 kV GIS智能组件所有GOOSE、SV信息。每台主变压器本体智能组件柜采用1根12芯光缆连接至二次设备室光纤配线柜。

二次设备室内110 kV GIS智能组件柜设备与光纤配线箱之间采用尾缆连接；35 kV、10 kV设备与二次设备室设备统一采用尾缆连接。

光缆整合前后的用量对比分析如表1所示。

表1优化前后光缆、尾缆数量对比

适用范围整合前光缆/根整合后光缆/根尾缆/根二次设备室至110kVGIS智能组件柜36110二次设备室至主变本体智能组件柜930二次设备室至35kV开关柜808二次设备室至10kV开关柜12012二次设备室柜间303110kVGIS智能组件柜柜间60635kV开关柜柜间20210kV开关柜柜间404总计801435

光缆优化整合后，110 kV间隔至二次设备室光缆由36根整合为11根，光缆长度约减少61%；主变压器本体智能组件柜至二次设备室光缆由9根整合为3根，光缆长度约减少67%。由于光缆数量减少，电缆沟可相应减小或改为埋管方式，因此经济效益明显。

2光缆连接方式优化

智能组件安装在配电装置现场的智能控制柜内部，根据光缆连接起止点不同，将光缆连接分为：GIS智能控制柜至二次保护室，保护室内不同屏柜之间，同一屏柜内二次设备之间。

在现有的光缆连接方案中，保护室内不同屏柜之间通常采用预制尾缆连接，同一屏柜内二次设备之间采取光纤跳线连接。对室外配电区(智能控制柜)至二次保护室的连接，根据连接方式的不同可分为光缆熔接和预制光缆两种方式，如图1所示。

2.1采用预制光缆方式连接

相对于传统的光缆熔接工艺而言，即插即用的预制光缆技术以及小型化、高密度的新型连接器技术，可以在大幅降低现场施工强度、缩短变电站建设周期的同时，消除传统熔接操作带来的多种质量风险，提高系统长期运行可靠性。

图1　智能变电站光缆连接方式

预制光缆是一种在光缆连接端事先预制连接器的光缆连接技术。与智能变电站常用的室内尾缆相比，预制光缆具备室外光缆的高防护性，通过光缆即插即用可以在大幅降低现场施工强度、缩短变电站建设周期的同时，消除传统熔接操作带来的多种质量风险，使之具备室外长距离、复杂环境、恶劣条件下的施工可靠性与安全性，是智能变电站光缆系统建设的未来发展方向。

预制光缆可分为单端预制和双端预制2种。

单端预制采用一端预制，另一端现场熔接。考虑到场地施工受环境因素影响较大，熔接较困难，而室内环境较好，熔接相对容易，因此单端预制推荐采用场地端预制，户内熔接的方案，如图2所示。

图2　光缆单端预制方案示意

双端预制即在光缆两端均预制连接器，现场不需要熔接，实现光缆的即插即用。如图3所示。虽然双端预制光缆具有明显的技术优势，但由于其余长不可更改，需要在设计阶段对光缆长度进行精确估计，提高了设计难度。

单端预制光缆及双端预制光缆的对比分析如表2所示。

图3　光缆双端预制方案示意

表2单端预制与双端预制比较

比较内容单端预制双端预制工作量节省一半熔接及接线工作量节省全部熔接及接线工作量余长控制长度可以调整,余长控制精确长度不能更改,余长需要收纳备用芯可减少备用芯收纳压力备用芯全部预制,需要收纳灵活性连接后不易调整在余长范围内可以调整

2.2光缆熔接与光缆预制的应用

光缆熔接基于光纤配线架，将会造成辅材的增加及人工成本的上升，同时增加了现场施工时间，光缆熔接的质量也受现场条件的制约。即便如此，由于设计过程及施工方案不存在障碍性因素，因此，该方案在一段时间内仍将是智能变电站的主要建设方式。

通过对不同电压等级变电站人工成本、辅材及光缆生产成本的对比，可以对光缆熔接和光缆预制两种方案的经济性进行对比分析。

对于500 kV变电站，光缆用量为70 km，12口的光纤配线架用量约为150个。光缆价格约为1.7万元/ km，敷设价格为0.22万元/ km，光缆熔接费为40万元。因此，一个500 kV变电站光缆及安装总价格在174.73万左右。如果使用双端预制光缆，12口免熔接光纤配线箱目前价格为1 500～1 600元/台，与光纤配线架价格基本持平。12芯光纤连接器单价为650元/个，若按150个计算，共需9.75万元，因此使用预制光缆方案并不明显增加工程造价。由于光缆即插即用，节约了光缆熔接费40万元。此外，光缆预制方案还极大缩短了工程建设周期，综合成本要远低于光缆熔接方式。

对于220 kV变电站，光缆用量约为25 km，光缆熔接费用为20万元，整站光缆建设费用总计68.1万元。如果使用双端预制光缆，12芯光纤连接器费用总计约为6万元。综合比较，可较常规方案节约14万元。

另外，目前预制光缆尚处于试用阶段，其制作成本具有较大的下行空间，而依赖于人工熔接的光纤配线架成本处于上升趋势。因此，从长远来看，以预制式光缆为载体的光缆整合成本有望更低于基于光纤配线箱的形式。

综上所述，预制光缆优越的性能已使其成为未来智能变电站建设的方向，但考虑到目前还处于试点阶段，对长度控制及设计正确率要求较严格，因此对设计单位提出了较高的要求。预制光缆方案的应用，需结合智能变电站实际建设情况，综合考虑安全性、经济性等因素。

3光缆敷设优化

3.1光缆敷设方式选择

光缆敷设的方式有直埋、穿管、电缆沟、电缆隧道、槽盒或桥架等，根据智能变电站光缆数量较多而电缆数量减少的特点，可以对光缆的敷设进行优化。

3.1.1电缆沟

对电缆沟形式的光缆敷设方式，可适当改造电缆沟结构，对二次电缆沟分功能设置。上部为电力电缆区，中间为控制电缆区，下部为光缆区。通过明确电缆沟分层功能，可有效降低光缆与电缆之间的相互影响。考虑到光缆较细且截面积较小，可适当缩减光缆层高度，增加层数。将控缆层由一层增加至两层，提升电缆沟的使用效率，见图4。

图4　电缆沟结构改造(单位：mm)

此外，也可采用预制电缆沟或变截面电缆沟的设计方案，便于减少现场施工工程量。

3.1.2电缆槽盒

电缆槽盒敷设方式体积小巧、布置灵活、施工周期短、产品外形美观，比较适合

电缆数量较少、工艺要求较高的智能变电站，金属材料槽盒还有机械强度高、电磁屏蔽效果好等优点。

电缆槽盒内部光、电缆混合敷设容易造成电磁干扰，且为后续检修、施工带来不便。因此槽盒内部应适当设置隔板，将电缆槽盒划分成不同分区，降低干扰的同时也便于后期维护。电缆槽盒的内部结构如图5所示。

图5　电缆槽盒内部结构(单位：mm)

3.2光缆敷设优化方案

结合现有工程，对光缆敷设的方案进行总结及优化，可从以下几个方面考虑。

a. 优化变电站总平面布置，减少设备区与二次设备室之间的距离，从而减少光缆、电缆用量。

b. 优化电缆沟的布置方式，可将原有的双侧电缆沟改为单侧电缆沟，减少开挖土方量。在光缆、电缆较少的区域，可改用埋管方式。

c. 对于室外光缆，应按不同电压等级、主变压器本体分区布置，并按光缆截面、站区面积大小合理共用电缆沟和设置电缆沟截面，光缆宜布置在电缆支架最底层。

d. 当采用就地端设置集中转接屏的光缆整合方式时，应尽量将转接屏设置在配电装置中心区域；当采用双端设置集中转接屏的光缆整合方式时，应尽量将转接屏设置在配电装置中心区域和二次设备室入口处。根据终期光缆、电缆数量确定电缆沟截面。

e. 对于室内光缆，应首先确定光缆敷设范围，

并根据光缆入口位置和入口处光缆总数量统筹考虑，使光缆路径总长最短，并避免局部区域光缆过度拥挤。

f. 在设备选型方面，在设备可靠性满足要求前提下，选用SV、GOOSE共口传输的智能组件。

4结束语

通过对智能变电站二次光缆优化进行研究，重点讨论了光缆整合优化、连接方式优化及敷设优化3个方面内容，并提出优化建议，主要研究成果如下：

a. 通过光缆整合，可将去向相同的光缆整合为一个多芯光缆，减少光缆用量；

b. 分析了室外光缆熔接和光缆预制两种连接方式，建议结合智能变电站实际情况及经济性分析决定选用哪种方式；

c. 提出光缆敷设优化方案，并对电缆沟及槽盒敷设方式提出优化设计。

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本文责任编辑：靳书海

Optimization Design of Secondary Fiber and Cable of Smart Substation

Tang Baofeng,Chen Ming,Lin Rong,Qi Xiaoguang,Xing Lin

(State Grid Hebei Electric Power Corporation Economic Technology Research Institute,Shijiazhuang 050021,China)

Abstract:Aiming at current situation of great number of secondary optical cable and laying chaos and welding process restricted by field working condition in intelligent substation,a kind of optimizing design method is put forward in this paper.In the aspects of integrated optimization of optical cable,optimization of connecting,and optimization of laying,the scheme is introduced in detail.The results can give theoretical direction and optimizing suggestion to next projects.

Key words:optical cable;optimization;integration;optical cables laying;prefab fiber optic cable

收稿日期：2016-03-25

作者简介：唐宝锋(1980-)，男，高级工程师，主要从事电力系统继电保护，电力仿真分析等研究工作。

中图分类号：TN913.33

文献标志码：B

文章编号：1001-9898(2016)03-0004-03