智能变电站预制舱式二次设备一体化结构布局的应用

文/丁双印　杨宁

2012年国家电网公司启动了新一代智能变电站的研究与设计工作，提出了紧凑型、模块化、预制舱式组合设备等智能变电站设计理念。预制舱式二次组合设备是变电站模块化设计理念的重要体现，先后开展了一系列的试点和推广示范站的建设，其在减少占地和缩短工期方面的效果显著。

本文首先分析了影响预制舱空间利用率和人员运维便利性的主要因素，并简单介绍了目前常用的几种舱体拼接方式在设备远期改扩建工作中的问题。在此基础上，提出舱内一体化结构设计的依据及其内部二次设备的优化布置方案的方法，并结合220kV变电站的工程应用进行了应用效果验证。

1　影响二次设备预制舱空间利用率和运维便利性的主要因素

1.1　前接线保护装置开发完善程度

前接线保护装置对预制舱应用的影响，主要集中在屏柜布局方式、预制舱拼舱形式及其现场施工工作量三个方面。

当前接线装置开发不完善时，采用传统屏柜结构，如安徽220kV清竹变采用单舱单列模式、湖北110kV未来城变采用双舱双列模式。该两种模式舱内可放置屏柜数目少。为了提高舱内空间利用率，后续的工程也尝试过单舱双列模式，如重庆220kV大石变采用单舱双列模式，±800kV灵州换流站采用增大舱体尺寸的单舱双列模式。针对该四项工程的舱体尺寸、现场施工量等信息统计如下。

单舱双列较单舱单列和双舱双列的可放置屏柜数目增加近一倍，此外还具有现场免拼接、免舱内布线、舱体成本低等优势，但单舱双列模式仅能通过舱体侧壁开门或增大舱体的方式进行设备检修。舱外检修不能满足全天候检修需求；增大舱体尺寸除增加运输成本外，对道路的通过能力也有较高要求。

1.2　屏柜尺寸

目前舱内屏柜尺寸有800×600×2260、600×600×2260、600×900×2260 等。在相同规格预制舱内进行屏柜放置时，缩小屏柜尺寸可有效提高放置屏柜数目。

1.3　舱内布缆方式

二次设备舱内需要布设电缆、光缆、尾缆等多种线缆。舱内线缆布设方案主要有舱顶设置行线架、舱底设置行线架和两者相结合的3种方案。该三种方式舱内均采用屏柜结构，线缆布设工作需要等到屏柜就位后开展，此外线缆穿插于舱体和屏体的结构之间，对后续的线缆维护工作造成不便。

较多采用的舱底设置电缆夹层方案在线缆维护过程中，首先将防静电地板掀开后才能在狭小的空间内进行操作，工作量大、施工周期长。

1.4　屏柜终远期改扩建

二次设备舱内远期改扩建工作主要采用后期新增屏柜后再进行线缆连接的方案，或提前将空柜体就位，改造期间再进行设备的屏内安装和配线工作。前者工作强度大，后者受限于舱内的狭小空间，改造周期长。

由1.1-1.4节分析可知，影响二次设备舱内空间利用率和运维便利性的因素集中在前接线装置和屏柜的结构形式上，鉴于前接线装置已经逐步成熟和普及，应针对屏柜结构形式开展优化研究，此外也需针对舱内设备的运维工作便利性开展研究，实现高效快捷的运维工作。

2　二次设备一体化结构布局研究

针对上述问题，提出基于一体化结构布局的屏柜优化方案，解决舱内空间利用率低、屏柜入舱困难的问题。提出开放式布缆方案研究设计，解决光电缆安装维护困难的问题。

2.1　二次设备一体化结构尺寸

以III型舱为例,其外部尺寸为12200×2800×3133，防静电地板 250mm。

2.1.1结构高度

舱内净高2670mm，按照功能分区将舱内高度自下而上分为三部分：防静电活动地板高度、一体化结构高度和附属安装构件。除去防静电活动地板高度剩余2420mm。参照传统屏柜高度，一体化结构按照2300mm，附属构件120mm进行高度分配。

2.1.2结构宽度

传统前接线屏柜中装置端子横排安装于屏柜底部，安装数目受限。为方便后期设备运维工作，缩短装置和端子之间的连接路径，将端子竖向设置在装置右侧。

2.1.3结构深度

为满足不同厂家设备安装深度的要求，结构单元深度参照传统盘柜深度600mm设计，同时考虑取消屏门并采取必要的防误碰措施后深度减少，因此结构单元深度为550mm。

2.1.4小结

通过上述分析，预制舱内单个结构单元尺寸为2300×700×550，使用该尺寸结构后，舱内屏柜空间布置能够达到最大利用率。

2.2　一体化结构内二次设备布局

2.2.1结构单元模块化分区方案

结构单元内部参照现有屏柜设备安装方式，自上而下分为：空开安装区、设备安装区和附件安装区，其中设备安装区左右分为装置安装区和装置检修区。

2.2.2设备安装区高度设计

为提高单个结构内设备安装数量，首先对结构内所需要安装的设备进行高度统计。保护装置为4U或者6U高度，交换机和盘线架多是1U高度，以220kV电压等级以上间隔使用2台交换机为例，则4U高度可满足2台交换机和1台盘线架的安装需求；智能化装置的硬压板及按钮数量按照保护类装置配置2个硬压板和1个复归按钮；测控类装置配置3个硬压板和1个复归按钮配置；4U安装面板最多可布置2排，每排9个硬压板或按钮，因此4U面板可满足6台保护或4台测控的安装需求。

2.3　一体化结构的运维便利性设计研究

2.3.1结构单元的人体工程学设计

按照检修人员在站立姿势下的视野分析，人的视点约在1.5-1.6m之间，最佳视野在水平视点上下各10°的位置范围内，即装置安装高度处于1215-1920mm之间，高度为700mm。根据上述高度要求，结合分析数据，当采用“6模数”装置布置方式时，具有最佳操作体验。

2.3.2一体化结构模式下的线缆布设方案

开放式维护通道方案，包括结构单元内部、同列结构单元之间和舱内走线通道三个部分。

（1）结构单元内开放式维护通道。在装置安装区右侧设置等高的设备检修区放置端子排，采用左侧竖向安装尾缆、通讯线，右侧竖向安装电缆的光电分离的线缆布设方案。

（2）同列结构单元间开放式维护通道。使用“7”字形立柱结构，使同列结构单元立柱即可形成一个连贯、开放式的布缆通道。将防静电地板下部的同列光电缆布设通道移至防静电地板上部。

（3）舱内（两列结构单元间）的线缆跨接通道。在两列结构之间防静电地板之下设置少量的行线架间，当进行双列间的线缆维护工作时，仅需要掀开舱体宽度方向的少量防静电地板，人员站在其他防静电地板上即可对夹层内线缆进行维护作业。此外走线通道顶部的防静电地板可选用透明导电玻璃或粘贴标志标识的方式实现快速定位。

3　结论

本文针对预制舱产品现存问题开展研究，创新的提出了与预制舱一体化设计的结构，达到了预期效果，通过研究得到以下结论：

（1）一体化结构取代传统屏柜，舱内可放置数量增加12-17%，若舱门位置调整后可增加28-37%。

（2）结构内设备区布置采用“6模数”布置方式，提高结构内空间利用率，方便观察操作。

（3）全路径开放式布缆通道设计，大大降低了线缆运维的工作量和工作难度。