智能变电站二次设备舱用机架方案研究

陈敏 桑贤臣 俞天益

摘 要：基于智能化变电站“主要设备更集成、二次系统更智能、预制装配更高效”的建设要求，结合二次设备舱用机架的发展趋势和实践经验，重点研究二次设备舱用机架结构需求、整体承载性能以及機架结构内部及舱内整体走线布局。新的机架结构方案从设计、生产、使用以及运维逻辑上摆脱了屏柜的概念，满足了机架内装置正面防误、操作简单和方便维护的需求，兼顾了不同工程中二次设备集成的需求变化，较好地实现了功能性和安全性的平衡。

关键词：二次设备；预制舱；机架；模块化；智能化

中图分类号：TM63    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2024）03-0010-06

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.03.003

1    研究概述

二次设备预制舱是近些年智能变电站建设发展的重要特征，“机架式二次预制舱”概念的出现契合了二次设备舱“标准化设计，工厂化加工，装配式建设”的基本要求和“前接线前显示”的基本理念，因而越来越多地出现在智能变电站规范和建设的技术需求序列中。

目前机架形式的二次预制舱尚处于试点研究阶段，还存在着一些问题：舱内设备形式不统一，外观形式、使用结构不统一，设计加工集成等过程不统一；机架无法摆脱屏柜的形式，无法充分发挥二次设备舱作为变电站一体化理念建设平台的优势，散热、布线集成也没有针对机架设备舱进行专门的方案设计；机架中装置的正面防误和操作需求无法很好地兼顾，存在防误逻辑不统一或者无法严格满足国网规范要求的问题。

预制式二次设备舱用机架的主要应用场景为智能变电站的二次集成平台，发展必须紧跟国内变电站的建设要求，可能存在以下发展趋势：

1）模块化。在二次设备舱层面，体现在二次设备的模块化和二次组合设备的模块化[1]。

2）集成化。受限于尺寸要求，舱用机架必须注重提升空间利用率，需要从外观、设计制造、结构连接、线缆布置、环境控制等多个方面提升机架结构与舱体的一体化程度。

3）智能化。舱用机架作为二次设备的集成平台，要充分考虑智能化带来的功能要求和工艺变化。智能锁控等是对装置使用权限和维护权限的限制，其物理实现需要依靠机架结构的功能。舱内环境的智能控制也依赖机架的散热通风功能，这些要求都跟机架的具体结构紧密关联。

以二次设备舱用机架结构为研究对象，针对国网二次设备舱用机架的结构需求和方案进行研究和设计，并开展静力和模态分析，优化机架结构设计，提高舱用机架结构的安全性与可靠性；通过分析舱内接线需求，优化单元机架和组合机架的接线空间及方式，提高施工和检修维护效率。

2    机架结构方案

2.1    模块化单元

机架单元主体结构由一系列垂直构件组成，高2 300 mm，宽700 mm。内部可使用容量为39U，根据不同的组屏需求，分为偏置式单元和居中布置单元[2]。

偏置式机架单元结构如图1所示。左侧为装置安装区域，可安装各类二次装置和空开、按钮、压板等电气附件；右侧为端子检修区域，可用于安装直插式端子和机架单元内光电缆走线；下部为线缆通道区域，可用于机架单元间走线。偏置式机架单元适用于端子安装需求较多的组屏。

居中布置机架单元结构如图2所示，中间为装置及电气附件安装区域，两侧为走线区域，下部为线缆通道区域，此种机架单元适用于端子安装需求较少的组屏及需要两侧走线的组屏。

两种机架单元结构形式统一，内部安装功能不同，可根据不同的组屏需求配置，从而实现二次设备的组合。

2.2    组合式机架

多个机架单元组合通过框架结构连接在一起，与舱体一体化组装加工，形成了二次组合机架，可实现更为完整的二次组合设备的集成需求，其成组样式如图3所示。组合式机架靠墙布置，实现了上、中、下三面与舱体的连接，作为一个更为整体化的机架结构。

单列组合式机架作为一个整体二次设备进行散热设计，单个机架的气流组织形式如图4所示。处于舱内空间下部的冷风气流通过下部散热板进入机架内部，通过内部气流通道向上带走热量，并排出机架结构。这一气流组织形式更契合气流下出上进的工业空调类型[3]。

模块化单元和组合式机架的设计既满足了二次舱内各类设备的安装需求，同时也大大提升了电气与结构设计、外观等元素的一体化程度，提高了舱用机架的组屏效率。

2.3    功能化面板

机架正面通过安装在主体结构上的各类面板结构实现功能配置和结构优化。

根据不同布置分区设置不同的正面遮挡门板，如检修区域门板、线槽通道区域门板；根据不同类型的装置和电气件安装运维需求在装置安装区域设置普通安装面板、可视面板、附件操作面板等。这些面板根据装置尺寸、安装形式、操作权限、散热需求、智能锁控需求等差异化配置，采用标准化安装方式，外观形式保持一致。典型正面面板类型如表1所示。

3    结构性能分析

3.1    机架单元承载分析

基于有限元分析软件，建立舱用单元机架的有限元分析模型，并对模型进行简化处理和网格划分。机架主体材料属性如下：

机架单元的固定形式为：底部固定于舱内底座上，顶部通过结构件与舱内墙上半部连接，以上两种部位均为固定约束（Fixed Support）。本次分析以两种单元机架为例，每组上面简化掉的模型质量和设备质量共200 kg，通过等效应力施加于机架相应位置。通过仿真分析得到图5和图6所示的机架变形云图。

可以看出，右偏置单元的最大变形量发生在装置支撑结构件的边缘，最大形变位移为0.314 mm。

居中布置单元最大变形量发生在中间底部横梁的中间和安装立柱的末端，最大形变位移为0.102 mm，根据T/CEC 340—2020《电力系统预制舱二次设备机架通用技术条件》对二次设备机架形位尺寸的要求[4]，允许变形量≤1.5 mm，因此机架静载情况下满足相关规范要求。安装立柱末端为悬臂梁结构，实际安装过程中会安装横向接地铜排起到加强作用，故无须额外加固。

3.2    机架单元模态分析

机架结构的模态分析可以揭示机架整体的刚度和结构薄弱点，从而有针对性地改进机架结构。

为了验证机架结构刚度，需通过仿真分析机架单元处于无阻尼自由振动时的固有频率和振型，参照GB/T 18663.1性能等级DL4、5.3试验条件相关规定和GB/T 2423.10中对试验方法的要求，有限元分析下得到了如下固有频率和振型，固有频率选取了前6阶的结果，如表2所示[5]。

其中偏置式应力振型图如图7所示，位移振型图如图8所示。

分析振型结果，最大位移为1.0 mm，在无约束的情况下变形位移小于规范要求的1.5 mm，因此机架结构刚度满足相关要求。

4    布线集成优化

4.1    机架单元内走线优化

偏置式单元机架左侧安装保护测控类装置和交换机类装置。内部装置和附件走线通过横向线槽匯聚到检修区域竖线槽，通过线槽流转到端子或其他装置附件，此部分为软线。光电缆放置于左侧竖线槽，单元外电缆现阶段一般都是带铠线缆，放置于机架单元右侧绑线区域，典型布局如图9所示[6]。

居中布置机架单元一般安装通信设备或预制光配，此时内部接线较少，组屏间线缆从某一侧进入，总体布局如图10所示。

单元机架底部设置半开放式走线通道，用于机架单元之间的线缆连接，外部线缆可通过走线通道或直接进入舱内电缆夹层连接。

4.2    舱内整体走线优化

组合机架的接线布局如图11所示。同列机架内部线缆可以通过开放式走线槽盒布线，外部线缆既可通过槽盒端面的进线孔进入，也可从舱底夹层直接进入机架单元的右侧，整体布线层次分明、可操作性强。

5    结束语

本文介绍的机架结构方案充分考虑了二次设备舱用方案建设发展的可能需求，提供了一种一体化和集成程度高、满足安全性和规范性要求的二次舱用机架解决方案，具有一体化设计更为深入、装置防误更灵活、接线集成度更高等特点，能适应智能变电站建设发展的新趋势。

[参考文献]

[1] 张中冠.智能变电站二次设备模块化建设方案研究[J].电工技术，2017（11）：23-24.

[2] 预制舱式二次组合设备技术规范：Q/GDW 11157—2014[S].

[3] 张永峰，宋兴华.机架式二次设备预制舱在模块化智能变电站中的应用[J].中国科技信息，2018（13）：34-36.

[4] 电力系统预制舱二次设备机架通用技术条件：T/CEC 340—2020[S].

[5] 吕志娟，殷帅兵.预制舱机架结构分析与优化设计[J].机械工程师，2022（6）：132-135.

[6] 金晶，郑紫尧.智能变电站预制舱二次设备布置及走线方案优化研究[J].机电信息，2020（29）：56-57.

收稿日期：2023-11-01

作者简介：陈敏（1990—），男，江苏南京人，结构工艺工程师，研究方向：电力二次设备。

本项目由国网电力科学研究院有限公司/南瑞集团有限公司/国电南瑞南京控制系统有限公司科技项目资助（任务书号：2022082201153）