室内智能变电站组合式二次设备方案及关键技术研究

潘勇，袁涤非，梅玉成，季东方，顾锦书

(1.无锡供电公司，江苏 无锡 214061； 2.南京国电南自电网自动化有限公司，南京 211100)

0 引言

根据国家电网公司提出的“标准化设计、工厂化加工、装配式建设”的核心理念，目前正大力推广标准配送式变电站的建设，以减少工程实际占地面积、方便现场安装、简化现场接线、便于现场检修维护。目前，标准配送式变电站二次设备主要采用预制式二次设备舱模式，由工厂整体生产、安装、运输，实现二次组合设备安装、二次接线、照明、暖通、火灾报警、安防、图像监控等工厂集成和工厂调试[1]。预制式二次设备舱主要采用公路运输方式，对设备舱的尺寸有严格限制，舱体总高度不得超过3.1 m，舱体总宽度不得超过2.5 m；同时，为了提高设备舱内空间利用率，舱内机柜必须双列布置，靠墙安装。由此就带来了舱内空间狭小、柜内设备必须满足“板前安装、板前接线”的结构形式、现场接线不便、设备就位后舱内机柜无法更换或新增等一系列问题。因此，需要设计一种新的组合式二次设备生产建设模式。

本文基于“工厂化加工、装配式建设”这一核心理念，遵循组合式二次设备的设计理念，在保留原有舱体下部走线空间的基础上，取消设备舱的外墙、顶盖，柜体周边框架采用可拆卸的结构，释放了屏柜周边的维护空间，使屏柜可以采用前后开门的模式，方便了接线、维护、检修。传统“板前安装、板后接线”的装置可满足使用要求，减少了装置研发的工作量，节约了成本。二次设备安装就位后可方便地更换或新增机柜，为后期扩展提供了便利。现场采用预制线缆与外部设备连接，可实现“即插即用”。

1 室内组合式二次设备方案简介

图1为组合式二次设备整体结构示意图，图中基础框架以12号槽钢(Q235)为主体结构件，部分零件采用14号槽钢(Q235)和50 mm×5 mm的角钢(Q235)，整体焊接成型。屏柜尺寸为2 260 mm×800 mm×600 mm(高×宽×长)，屏柜采用双列布置方式，分别安装于框架的左右两侧。内部包括行线及收纳线缆的槽盒、接地附件及铜排、防静电地板支撑板等零件，使框架具备承载机柜、行线、收纳线缆和接地等功能。

图1 组合式二次设备整体结构

图2为组合式二次设备内部接线示意图，二次屏柜分双列布置在基础框架上。组合式二次设备内的屏柜间连线在基础框架下方行线、收纳；柜间连线、调试在生产厂家内部进行。

图2 组合式二次设备内部接线

为保障组合式二次设备在整体运输、吊装过程中的强度，当屏柜安装、接线、调试完成后，在基础框架上方屏柜外侧安装可拆卸的辅助框架(如图3所示)，使基础框架与双列屏柜之间形成刚性连接。运输、吊装完成后，再将辅助框架拆除。

图3 组合式二次设备辅助框架

组合式二次设备在二次设备室内安装就位后，拆除辅助框架。二次屏柜与现场的智能控制柜、全封闭组合电器(GIS)汇控柜等外部设备间通过双端预制的预制光缆和预制电缆进行连接。图4为组合式二次设备现场外部接线示意图。

图4 组合式二次设备外部接线

通过上述步骤，可在室内应用场合实现二次设备的标准配送式建设，使二次设备达到“工厂化生产、装配式建设”的效果，实现即插即用的目标。

2 组合式二次设备一体化接地方案

如果二次系统直接接入一次系统接地网，不仅会对二次设备会产生较大危害，而且双端接地的控制电缆屏蔽层两端产生的不平衡电流所造成的交变磁场也会对二次设备的正常运行产生影响，因此，敷设与一次系统紧密联系的二次系统等电位接地网是十分必要的[2]。以往户内智能变电站接地网都是在现场由施工单位根据需要进行敷设，存在布局凌乱、外观不统一、随意性较大等问题，造成各变电站接地方案千差万别，且现场施工周期长。

组合式二次设备采用集成化接地方案，将主接地网、二次等电位接地网的接地点及相关附件集成在设备基础框架底部。图5为模块化二次组合设备基础框架本体与主接地网的接地方案示意图。基础框架底部4个角焊接8个接地钢片，通过接地扁钢以螺钉连接的方式与主接地网进行多点接地(接地点不少于4处)。

图5 组合式二次设备与主接地网连接

图6为二次屏柜与主网接地连接示意图。基础框架每个屏位下方焊接不锈钢片作为内部接地干线端子，与屏柜内一次接地铜排通过接地线缆连接，实现二次屏柜柜体与主接地网的接地。

图6 二次屏柜与主网接地连接

图7为组合式二次设备内二次等电位接地网。基础框架每个屏位下方设置接地铜排，首尾相连，形成二次等电位接地网。屏柜内部二次接地铜排与二次等电位接地网连接，实现屏柜二次接地。

图7 二次等电位接地网

图8为二次等电位接地网与主网接地网连接点位置。接地铜排首尾相连形成的二次等电位接地网设置专用接地点，与主接地网经4根以上截面积不小于50 mm2的铜带(缆)实现一点连接。

图8 二次等电位接地网与主接地网连接点

通过采取上述接地措施，实现了组合式二次设备内部一体化接地，不仅满足了《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》继电保护专业重点实施要求中规定的接地要求，还实现了接地附件的集约化装配，外观整洁美观，现场无需进行二次接地网的敷设，体现了装配式建设的特点。

3 组合式二次设备主体框架力学分析

组合式二次设备基础框架是承载机柜的主要部件，在运输、吊装过程中难免受到振动与冲击，因此，对基础框架的结构设计和强度校核提出了较高的要求。在该方案中，基础框架以12号槽钢(Q235)为主体框架材料，采用焊接的方式连接为整体桁架结构。

3.1 模型分析

普通二次屏柜满载装置并接线完成后的总质量约为200 kg，考虑安全裕度，按每面屏300 kg计算，1组典型组合式二次设备共配置12面屏柜，总质量约为3 600 kg，框架本体质量约为1 000 kg。

3.2 软件仿真

根据模型分析的数据，利用仿真软件进行分析验证。将3 600 kg的屏柜质量平均加载到主体框架的承载平面上，同时将主体框架的自身质量1 000 kg以引力的形式加载。图9为基础框架的受力模型。

图9 框架受力模型

图10为通过有限元分析划分网格后计算得出的框架应力云图，主体框架的最大应力约为70 MPa，远小于框架材料的屈服强度235 MPa。图11为仿真计算得出的框架形变云图，主体框架的最大形变为2.1 mm，对于长4 800 mm、宽2 000 mm的桁架而言，该形变可忽略不计。

图10 框架应力云图

图11 框架形变云图

通过上述理论及仿真分析可知，本方案所采用的以12号槽钢(Q235)为主体框架材料的桁架结构，强度完全符合运输、吊装的要求。

4 预制光缆和预制电缆的应用

当前智能变电站内的光缆连接模式主要为光缆熔接的方式。首先将光缆接入屏柜，然后在柜内安装光缆配线单元或终端盒，以熔接的方式将光缆的纤芯与尾纤连接起来，再通过法兰盘与设备引出的尾纤互连[3]。光纤熔接工艺为：现场将2根裸纤端面切割成符合要求的平面后，通过加热的方式将2根光纤连接成整体，使光纤导通。该工艺具有光衰耗低的优点，但对端面制备、熔接、盘纤等技术要求较高，还需要现场环境清洁、温度适宜，存在现场施工难度大、工期长、机械强度差和不美观等缺点。

该方案采用双端预制的ODC光缆组件[4]。ODC光缆组件采用高品质的光缆和高精度全金属接头设计，具有优秀的光学特性和机械物理特性，防护等级为IP68，可抗800 N的拉力，工作温度为-40～85 ℃，寿命超过20年。ODC光缆组件设计、制造时充分考虑光通信的衰减、损耗等特性，采用全进口陶瓷插芯，加工精度更高，避免金属插芯受环境温度变化的影响。在内部结构上，4个插芯具备同样的对准精度(插损典型值为0.2 dB)，避免装配偏移造成的损耗累积。在光芯端面的研磨工艺和对准机构等技术总体保证下，连接器的插损和回损等关键性能参数均不低于光纤熔接技术。

在该方案实施过程中，除了采用双端预制光缆外，还改进了传统的电气连接工艺，采用双端预制的电缆作为电气连接附件，使组合式二次设备内、外部接线实现全预制，进一步减少了现场接线的工作量。

在屏柜内部将光缆路径与电缆路径进行左右分离，保障柜内行线清晰、美观，方便维护。图12为屏柜内部预制光缆与预制电缆接口布局示意图。

图12 柜内预制光缆和预制电缆接口布局

5 结论

本文提出了一种应用于室内的组合式二次设备解决方案，以具备承载机柜、行线、收纳线缆、接地等功能的基础框架为二次设备载体，可实现二次设备的工厂化生产。预制光缆和预制电缆的使用，简化了现场接线工艺，缩短了现场施工周期，实现了装配式建设，达到了二次设备即插即用的效果。

通过集成化接地方案，规范了主接地网与二次等电位接地网的连接，避免了现场施工带来的凌乱。经力学分析，组合式二次设备基础框架的强度完全可承受运输及吊装过程中的冲击、振动。双端预制光缆和预制电缆的使用以及对设备内部光、电行线路径的优化，实现了线缆的全预制，现场零熔接、零压接。

参考文献：

[1]林国庆，翁怀龙，候玺莎.智能化：变电站建设新趋势[N].国家电网报，2013-08-01(8).

[2]唐宝锋，范辉，贺春光，等. 二次系统等电位接地网的敷设[J].电力系统保护与控制，2009,37(14)：112-115.

[3]丁腾波，李慧. 基于预制光缆的智能变电站户外组网方案[J].电力建设，2013,34(2)：50-54.

[4]李艳丽，束娜，韩本帅. 智能变电站光缆选型及敷设研究[J]. 水电能源科学，2012,30(3)：167-169.