机架式预制舱三维精细化设计探讨

赵智成，赵 娜，鲁东海，林立鹏，李文杰

（1.中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏 南京 211102；2.国网天津市电力有限公司，天津 300010；3.国网天津市电力有限公司建设分公司，天津 300143）

1 概述

当今，智能变电站的建设与发展朝着标准化、模块化的方向发展，二次设备预制舱、组合式二次设备、前接线前显示装置、预制电缆、预制光缆等技术被大量应用于智能变电站的建设中，从而最大程度实现了工厂化加工、模块化建设，显著缩短了现场施工及调试周期，提高了智能变电站的建设效率。

模块化智能变电站看似大量缩减了现场工作量，但实质上只是把现场施工工作量转嫁给了二次设备厂家。二次设备厂家由过去单纯地提供设备装置，转变为需要提供全站的二次系统，即在过去的基础上增加了采购、接线及调试等多个环节。然而，大多数二次设备厂家对于这类“新增业务”并不熟悉，接口对接的准确性较低，变电站的建设存在质量风险；舱内接线由设备厂家在工厂内完成，舱内空间狭小，接线及布线通道紧张，对于预制舱预留接线空间、通道及线缆转弯半径常常考虑不足。目前，预制舱以“黑匣子”方式交付业主，业主对预制舱内部结构、接线等详细情况一无所知，给后期改扩建、运维造成极大困难。

三维数字化设计手段被广泛认为具有直观、增强现实的优点，三维建模过程相当于模拟施工，精细化的建模可提前规避施工及质量风险，可以对产品的非直观可见部分进行展示，且基于三维模型和数据可以开发多种高级应用，充分解决上述问题。目前，国家电网公司对于变电站工程三维设计数字化移交要求日渐严格，三维数字化设计是未来变电站工程设计的趋势。

本文通过三维设计手段精确设计标准化接口，实例化预制舱内、外预制光电缆的布置及连接，实现三维仿真与现场实例的一致性；在工程实施前落实设计思路，可以避免设备缺陷，从而实现预制式二次设备舱现场“零改动”的“即插即用”。

2 三维精细化设计方案

2.1 舱内二次装置标准接口精细化设计方案

在理想情况下，各二次装置厂家均按照统一的标准生产，基于标准接口实现不同设备的“即拆即换”和“即插即用”。然而，目前二次装置尚无统一的标准接口规范，因此，本文提出“零接线”技术方案是各单装置厂家按照自己的习惯生产单装置，但需按照统一的对外接口提供装置接口引出线，见图1。

2.2 预制舱机架式结构精细化设计方案

机架式结构采用多层次标准化设计体系。最终设计目标是将机架式结构与预制舱本体结构统一制造、安装。作为结构的顶层，机架整体组成为二次设备承载系统，安装完成后见图2。

图1 对外统一接口技术示意图

图2 机架式结构整体安装示意图

第二层结构是机架单体（见图3），采用拼装式结构，零件设计基于标准化原则，共边立柱为对称结构，零部件数量实现最小化，提高生产效率，降低出错概率。

第三层结构是组成机架单体的片状部件，单体机架由2个片状框体结构组成主要受力构件，片状结构见图4。

图3 机架单体结构俯视图

图4 片状构件及其组成的机架单体

2.3 机架式单元的二次设备布置及结构方案

舱内二次设备间的连接采用预制光电缆，避免了端子排的使用，提高了设备接线效率。在每个机架模块下方预留预制光电缆安装位置，设置标准接口板作为预制光电缆插座的固定方式（见图5），实现预制接口结构的标准化。

图5 屏柜内预制电缆接口板示意图

以500 kV智能变电站中500 kV断路器保护测控柜为例：据统计，柜内共14根预制电缆对外接线，交直流电源回路预制电缆采用2×4 mm2（芯数×截面）规格电缆，控制回路采用4×2.5 mm2规格和10×2.5 mm2规格电缆，电流电压回路采用4×4 mm2规格。在屏柜内设置1块电缆集中接口板，尺寸为600 mm×223 mm（宽×深），接口板上布置预制电缆航空插座，二次装置的预制电缆通过此连接器与预制舱内集中配线柜连接，通过配线柜实现与场地智能控制柜接线，详见图6。

图6 预制电缆走线示意图

3 重点问题解决方案

3.1 机架式单元走线空间布局设计

由机架单元结构二次设备布置及结构可知，机架单元的走线设计主要包括机架单元内、走线槽及机架单元内的接线板。

（1）机架单元内线缆布局

走线槽通道内部线缆除按照间隔分区分束布设外，对不同间隔的线缆进行相应保护，详见图7。

图7 机架单元内线缆布局三维精细化设计

（2）走线槽内部空间裕量分析

机架单元内部线缆三维精细化设计后，可对走线槽内走线空间进行裕量分析，譬如，调出预制舱三维设计模型文件，鼠标点击某个机架的走线槽，弹出走线槽剖面图，同时显示剩余走线空间裕度，见图8。当布置线缆超出走线槽容量空间时，走线槽红色示警，提示裕量不足，必须采用更大的走线槽。

图8 走线槽空间裕量分析及示警

机架单元走线槽三维精细化设计，可显示走线槽内电缆分布情况，指导施工接线；可指导所选择的走线槽大小是否合适，避免敷设走线空间不足、返工换走线槽重敷的情况；还可更合理地选择走线槽大小，避免走线槽裕度过大或过小。

（3）机架单元内接线板配置及布置

接线板采用三维精细化设计，可对接线板航空插头插接及走线布局进行细节展示，实现对接线板航空插头插接是否碰撞进行检查等。譬如，当某根预制电缆芯数较多插头体积较大时，可能会与之前已插好的另一根预制电缆插头碰撞，导致无法插接，可在三维设计时进行检查，以红色高亮度示警，见图9。

图9 接线板插接碰撞检查示意图

3.2 机架间专用走线通道方案

将整个机架视为一个大型机柜，在机架内布置以走线槽为主体的行线网络。在机架下部设置公用走线槽盒，在单列机架内实现走线地面化。机架底部设计线缆维护通道（见图10），机架底部的线缆需要检修维护时，打开线缆维护通道旋转门，即通过对内部线缆进行作业，无需翻开舱内防静电地板，使得维护方式更加简便、可靠。

图10 线缆维护通道示意图

机架间专用走线通道内部线缆三维精细化设计后，可对走线空间进行裕量分析，譬如调出预制舱三维设计模型文件，三维设计软件中点击走线通道任一部位，弹出走线通道剖面图，同时显示剩余走线空间裕度，见图11。

图11 机架间专用走线通道空间裕量分析示意图

3.3 舱内辅助控制系统三维精细化设计及全透明交付

目前，预制舱以“黑匣子”方式交付业主，业主对预制舱内部结构、接线等详细情况一无所知，给后期改扩建、运维造成极大困难。

预制舱内辅助控制系统设备管线三维精细化设计后，可对摄像头、烟感探头、照明灯等管线布局进行精细化设计，设计完成后可将三维设计文件数字化交付设备厂家或施工人员按图施工，大幅提高施工质量；预制舱交付业主时，可将三维设计文件交付业主，业主调出预制舱三维设计模型文件，可“全透明”看到预制舱内辅助控制系统设备管线，见图12。

图12 “全透明”交付方式

4 预制舱运维解决方案

4.1 主设备的运维解决方案

预制舱三维精细化设计数字化交付后，预制舱的每一个细节均可查阅，基于此可建立完善舱内二次设备运维解决方案，如装置故障告警及三维定位，具体步骤如下：

（1）当舱内装置发出告警信号，后台弹出告警，见图13。

图13 某装置报告警信号

（2）调阅后台数据库，迅速定位与该告警信号向关联的装置端口及相应的电缆，并三维展示关联电缆在机架间专用走线通道的相对位置，见图14。

图14 定位与该告警信号相关联的装置及电缆

（3）运维人员根据三维显示的电缆路径，迅速找到该电缆位置并进行检查，查找告警原因并确定是否需要更换电缆。

4.2 辅控系统 运维解决方案

预制舱三维精细化设计数字化交付后，预制舱的辅助控制系统管线均可全透明展示，基于此可建立非常完善的辅控系统设备（摄像头、烟感探头、照明灯等）的运维解决方案。以烟感探头为例，阐述具体的解决方案：

（1）烟感探头失效告警，见图15，告警界面显示探头的具体告警内容及位置等信息。

图15 烟感探头失效告警界面

（2）调阅后台数据库，迅速定位与该告警信号向关联的烟感探头及相应的电缆，并高亮度显示该电缆，见图16。

图16 定位与该告警信号相关联的设备及电缆

（3）运维人员根据三维显示的电缆路径，迅速找到该电缆位置并确定维修方案。譬如，经检查确定烟感探头失效，可直接更换备用烟感探头，若确定为烟感探头信号线故障，则可及时联系预制舱厂家进行维修。

5 结语

本文基于三维数字化设计技术实现了机架式预制舱的结构、安装、走线等精细化设计；同时基于三维系统可实现诸多高级应用，实现二次系统三维数字化设计手段的延伸。然而，目前用于变电站设计的三维软件大多存在功能不稳定、操作过程繁琐等问题，对设计效率的影响较大；而且不同的三维成果在不同软件间往往无法互通，如电力行业常用的Bentley Substation、博超STD等软件，工业及建筑行业常用的Revit、Solidworks等软件，影响基于三维的高级应用开发和跨平台应用。随着变电站三维数字化移交要求日渐严格，以及国家电网公司推进基于约定的GIM数据格式实现数据在不同三维设计软件之间的共享和应用，以上问题也将在越来越广泛的应用中逐步得到解决。