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    智能變電站二次模塊化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究

    2018-01-11 07:04:34周秋鵬熊川羽
    湖北電力 2017年6期
    關(guān)鍵詞:屏柜控制柜接線

    周秋鵬,熊川羽,曾 燦,袁 虹

    (1.國網(wǎng)湖北省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院,湖北 武漢 430077;2.國網(wǎng)湖北省電力公司,湖北 武漢 430077;3.襄陽誠智電力設(shè)計有限公司,湖北 襄陽 441000)

    0 引言

    模塊化、智能化組合式電氣設(shè)備已成為模塊化智能變電站的發(fā)展趨勢。工廠化加工、功能單元組裝、現(xiàn)場簡易安裝的組合式電氣設(shè)備,能夠有效節(jié)省現(xiàn)場二次接線,實現(xiàn)“即插即用”[1],在變電工程建設(shè)中優(yōu)勢明顯。另一方面,現(xiàn)階段大量110 kV城市智能變電站建設(shè)對變電站土地資源利用、環(huán)境因素、城市道路等因素提出更為嚴苛的要求,在此背景下采用模塊化預(yù)制艙建設(shè)方式變電站發(fā)展迅速[2]。

    目前階段,模塊化智能變電站在許多關(guān)鍵技術(shù)上還需要進一步完善。首先是設(shè)備集成化水平問題一直是模塊化技術(shù)研究的重點方向;其次,為減少變電站二次設(shè)備現(xiàn)場接線和調(diào)試周期的接口標準化問題,這一決定模塊化安裝技術(shù)優(yōu)勢充分發(fā)揮的重要因素需要進一步細化與規(guī)范;另外,施工中二次安裝與現(xiàn)場土建、電氣一次等工作沖突問題,要求二次系統(tǒng)模塊化設(shè)計在合理性方面進一步完善。

    本文結(jié)合二次系統(tǒng)模塊化技術(shù)在110 kV變電站中實際應(yīng)用的具體情況,對模塊化二次部分關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)化方案進行分析和探討,嘗試通過設(shè)計優(yōu)化提高新一代智能變電站模塊化建設(shè)的集成化、標準化及合理化水平。

    1 二次設(shè)備模塊化劃分及形式

    二次設(shè)備模塊化配置是將根據(jù)二次設(shè)備的總功能要求,分解為若干個功能單元,由此確定相應(yīng)的功能模塊的過程。模塊不能過大(劃分過粗),過大致使控制過于復(fù)雜,設(shè)計、實現(xiàn)、維護不便;模塊也不能太?。▌澐诌^細),過小導(dǎo)致功能意義消失,反而使模塊之間關(guān)系增強、模塊的獨立性降低,從而影響模塊的階層結(jié)構(gòu)。模塊的大?。▌澐值某潭龋┍仨氁阅K的功能意義、復(fù)雜程度、便于管理、經(jīng)濟適用為標準。

    模塊化設(shè)計包括確定模塊的功能、結(jié)構(gòu)型式、組裝方式、接口方式;確定模塊的互換模式和構(gòu)成系列的模式,并形成系列參數(shù)(性能參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸),這就是要使模塊功能、結(jié)構(gòu)型式、接口典型化。在進行模塊化產(chǎn)品設(shè)計時,通用模塊不能完全解決問題,通常采取“通用模塊+專用模塊”的設(shè)計原則。對于專用模塊的設(shè)計也是事先考慮到今后能重復(fù)利用,重復(fù)多了就有變“專用”為“通用”的可能。

    模塊化二次設(shè)備基本形式主要有三種:模塊化的二次設(shè)備、預(yù)制式智能控制柜、預(yù)制艙式二次組合設(shè)備。對于二次設(shè)備室集中布置的二次設(shè)備多采用“模塊化的二次設(shè)備”方案。對于下放布置的二次設(shè)備,多采用按電壓等級與一次設(shè)備相結(jié)合,一體化設(shè)計的“預(yù)制式智能控制柜”方案。

    常規(guī)二次設(shè)備模塊化設(shè)計方案雖然具有諸多優(yōu)點,但也存在很多亟待解決的現(xiàn)實問題。諸如預(yù)制式二次組合設(shè)備對于改擴建屏柜安裝、設(shè)備運輸就位困難等問題,預(yù)制式智能控制柜的二次回路、一二次設(shè)備接口、各專業(yè)接口及建設(shè)管理標準化問題。文章主要針對預(yù)制式智能控制柜與預(yù)制艙式二次組合設(shè)備模塊化關(guān)鍵技術(shù),對常規(guī)設(shè)計方案的問題做深入分析研究,以提升二次設(shè)備模塊化設(shè)計方案優(yōu)化水平。

    2 預(yù)制式智能控制柜在智能變電站中的應(yīng)用及優(yōu)化

    2.1 預(yù)制式智能控制柜存在的問題

    實現(xiàn)“模塊化”設(shè)計的一項重要內(nèi)容既是實現(xiàn)設(shè)備的“標準化”,以往的智能變電站建設(shè)一般提出GIS匯控柜與智能控制柜整合[3]。但整合后的方案對于柜內(nèi)設(shè)備布置、柜體尺寸、二次回路接線、端子排設(shè)置、一二次設(shè)備接口等方面均未進行深入的研究。對于預(yù)制式智能控制柜的“標準化”研究仍是空白,還存在以下問題需要進一步研究解決:

    1)二次回路、設(shè)備布置、柜體結(jié)構(gòu)、尺寸未實現(xiàn)標準化

    現(xiàn)狀智能控制柜內(nèi)集中布置有一次設(shè)備廠家斷路器本體機構(gòu)接 線以及下放布置的過程層設(shè)備(合并單元、智能終端)和間隔層設(shè)備 (保護、測控裝置)。在工程實施工程中,智能控制柜基本由一次設(shè)備廠家進行統(tǒng)一的設(shè)計、生產(chǎn)。柜內(nèi)存在不同廠家設(shè)備時,一次設(shè)備廠家在進行設(shè)備整合過程中,由于沒有統(tǒng)一的設(shè)計標準,所生產(chǎn)的智能控制柜無論從設(shè)備布置、柜體結(jié)構(gòu)尺寸、一次設(shè)備與二次設(shè)備之間的二次回路設(shè)置及接線都不統(tǒng)一。

    智能控制柜內(nèi)部二次接線設(shè)置重復(fù),設(shè)備廠家在回路設(shè)計時,僅是簡單的按常規(guī)站模式,既保留了原常規(guī)站一次斷路器結(jié)構(gòu)二次接線端子排,又簡單的按智能設(shè)備廠家提供圖紙所示設(shè)置了下放二次設(shè)備的端子排,造成一次、二次設(shè)備端子排未很好的整合,重復(fù)設(shè)置,端子排過多,占用空間過大。

    2)廠家一、二次設(shè)備接口不統(tǒng)一,未實現(xiàn)標準化

    智能控制柜由一次設(shè)備廠家進行生產(chǎn)。柜內(nèi)智能設(shè)備由二次設(shè)備生產(chǎn)廠家發(fā)貨到一次設(shè)備廠內(nèi)統(tǒng)一組裝。由于柜內(nèi)存在不同廠家設(shè)備,各二次設(shè)備廠家生產(chǎn)的二次設(shè)備接口不統(tǒng)一,如有的智能組件光口采用ST接口型式,有的智能組件光口采用LC接口型式。柜內(nèi)接口形式的多樣化容易造成預(yù)制尾纜的端口錯誤,同時也會造成尾纜敷設(shè)時雙端端口敷設(shè)反向,二次設(shè)備更換時需要同時拆除相關(guān)尾纜,增加維修成本,給施工造成人力、物力、時間上的不必要的浪費。

    3)智能控制柜設(shè)計模式未實現(xiàn)標準化

    在工程實施中,一、二次廠家需要配合設(shè)計,在一次設(shè)備廠內(nèi)完成一次接線和部分二次接線,在現(xiàn)場完成剩余二次接線(二次過程層與間隔層設(shè)備之間)。

    一二次接口不清晰,往往造成廠家設(shè)計當中的問題,需要反復(fù)確認修改。這樣的設(shè)計模式不能滿足配送式的要求,本工程結(jié)合整合要求和國內(nèi)一二次廠家分工現(xiàn)場,研究當前可行、有效的智能控制柜設(shè)計模式。

    2.2 單間隔模塊劃分

    110 kV、主變間隔層設(shè)備按間隔配置,分散布置于就地預(yù)制式智能控制柜內(nèi)。按電壓等級按間隔就地下放布置二次設(shè)備(保護、測控、智能終端、合并單元等),形成110 kV系統(tǒng)模塊、主變模塊,分別分布在各GIS室及主變室內(nèi),形成單間隔功能模塊,集成于智能控制柜后通過統(tǒng)一的接口與外部連接,實現(xiàn)GIS設(shè)備的“即插即用”,實現(xiàn)一二次設(shè)備接口標準化。采用預(yù)制光纜、預(yù)制電纜對外連接,智能控制柜與GIS共底座設(shè)計、工廠化預(yù)制、現(xiàn)場零接線安裝。針對現(xiàn)有各廠家智能控制柜尺寸不統(tǒng)一、柜面布置圖不統(tǒng)一、對外接口不統(tǒng)一等問題,規(guī)范智能控制柜結(jié)構(gòu)及柜內(nèi)設(shè)備布置,優(yōu)化智能控制柜尺寸,定義標準對外接口,便于模塊化配送及建設(shè)。

    2.3 預(yù)制式智能控制柜優(yōu)化布置

    常規(guī)智能變電站110 kV及主變壓器均采用一次設(shè)備加智能組件方式,存在各組柜廠家屏柜安裝布置不統(tǒng)一,大多未遵循智能變電站設(shè)備要求進行設(shè)備布置,有的廠家設(shè)備保護、測控在上,智能終端、合并單元在下;有的廠家設(shè)備可能正好相反;各個智能組件在柜內(nèi)布置位置不統(tǒng)一,到現(xiàn)場設(shè)備會出現(xiàn)各家風格不一,布置凌亂的現(xiàn)象,給現(xiàn)場的運行維護工作帶來極大不便。

    綜合考慮各廠家現(xiàn)有的智能控制柜尺寸,結(jié)合實際運行維護需要,屏柜采用前顯示,前后開門,后接線方式,并將預(yù)制式智能控制柜二次回路接口標準化。

    主變本體智能控制柜及110 kV GIS室采用單艙設(shè)計,標準尺寸800 mm×2 260 mm×600 mm(寬×高×深)。

    2.4 預(yù)制式智能控制柜二次回路接口標準化

    (1)優(yōu)化二次端子排標準化設(shè)計,適應(yīng)不同廠家的設(shè)備需要,解決常規(guī)智能變電站一次、二次設(shè)備端子排重復(fù)設(shè)置,占用空間過大等問題,優(yōu)化端子排布置,實現(xiàn)預(yù)制電纜即插即用技術(shù)。

    (2)優(yōu)化預(yù)制連接器布置,方便走線,適合“即插即用”型智能變電站預(yù)制電纜和光纜的連接。解決各廠家不同接口形式造成的光纜端口設(shè)置錯誤,設(shè)置M-MPO/MTP光纖轉(zhuǎn)換模塊,將各廠家不同接口進行統(tǒng)一,達到對外預(yù)制光纜接口標準化,使現(xiàn)場接線更加準確方便,更換設(shè)備時無需更換光纜,有效節(jié)省成本。

    3 二次設(shè)備預(yù)制艙在智能變電站中的應(yīng)用

    3.1 模塊化預(yù)制艙式艙體結(jié)構(gòu)

    現(xiàn)有預(yù)制艙模塊化設(shè)備基本采用鋼構(gòu)房形式,尺寸應(yīng)盡量典型化,形成標準系列。常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制艙的艙體圍護系統(tǒng)由內(nèi)向外結(jié)構(gòu)為輕鋼骨架支撐的空氣層、保溫層、外墻板飾面層,通過有效的固定式安裝,構(gòu)筑集保溫節(jié)能、防火、耐久、美觀等性能為一體的優(yōu)良系統(tǒng)。新型預(yù)制艙采用GRC(Glass-fiber Reinforced C-ement)玻纖復(fù)合艙體結(jié)構(gòu),以耐堿玻璃纖維作增強材,硫鋁酸鹽低堿度水泥為膠結(jié)材并摻入適宜集料構(gòu)成基材,具備一定的親水性,使艙體自身成為一個具備一定環(huán)境調(diào)節(jié)能力的系統(tǒng),可大大降低凝露發(fā)生的可能性材料易修復(fù)、可擦洗、維護及改裝方便[4]。預(yù)制艙底座框架采用符合國標的高強度槽鋼整體焊接成型,底座框架采用優(yōu)質(zhì)鋼材,強度高、耐候性好,底座采用焊接后整體熱鍍鋅處理工藝,戶外使用壽命超過40年。側(cè)壁及頂蓋與底框通過鋼結(jié)構(gòu)框架焊接連接,保證剛強度。艙體側(cè)壁及頂蓋內(nèi)預(yù)埋一定密度的鋼筋網(wǎng),提升電磁屏蔽性能。

    預(yù)制艙尺寸一般選用(長×寬×高),I型:6 200 mm×2 800 mm×3 133 mm,II型:9 200 mm×2 800 mm×3 133 mm,III型:12 200 mm×2 800 mm×3 133 mm。當采用單列布置或站內(nèi)布置、設(shè)備運輸條件受限時,預(yù)制艙寬度也可采用2 500 mm。

    3.2 預(yù)制艙式二次組合設(shè)備典型模塊

    預(yù)制艙式二次組合設(shè)備宜按設(shè)備對象模塊化設(shè)置,以方便運行、維護,變電站可根據(jù)需要設(shè)置公用設(shè)備預(yù)制艙、間隔設(shè)備預(yù)制艙、交直流電源預(yù)制艙、蓄電池預(yù)制艙等模塊,可根據(jù)變電站具體建設(shè)規(guī)模、布置方式等進行選擇調(diào)整組合[5]。

    110 kV變電站可由公用設(shè)備預(yù)制艙、110 kV間隔設(shè)備預(yù)制艙、110 kV主變壓器間隔設(shè)備預(yù)制艙等模塊構(gòu)成。

    保護測控裝置屏柜尺寸統(tǒng)一為2 260 mm×600 mm×600 mm;服務(wù)器柜尺寸統(tǒng)一為2 260 mm×900 mm×600 mm。對于預(yù)制艙內(nèi)置于一期已上屏柜中間的遠期屏柜,建議一期一次性安裝好空屏柜,并預(yù)留好相關(guān)布線。間隔層二次設(shè)備預(yù)制艙宜采用“前接線前顯示”二次裝置、屏柜雙列布置。站控層

    設(shè)備、公用設(shè)備、交直流電源設(shè)備、通信設(shè)備預(yù)制艙采用二次屏柜單列布置。艙內(nèi)除服務(wù)器外均采用“前接線前顯示”二次裝置。裝置應(yīng)符合相關(guān)標準要求,并經(jīng)有資質(zhì)的檢測機構(gòu)檢測合格。

    3.3 典型案例優(yōu)化設(shè)計

    模塊化智能變電站是變電站建設(shè)的一種創(chuàng)新模式,從設(shè)計到建設(shè)階段將全過程遵循“標準化設(shè)計、工廠化加工、裝配式建設(shè)”的原則。下面某110 kV戶外變電站為例進行分析,該站二次設(shè)備分別布置在公用二次設(shè)備室及二次預(yù)制艙內(nèi),預(yù)制艙整體設(shè)計,整體運輸。綜合考慮了后期物資招標、施工設(shè)計、現(xiàn)場施工、運行維護難易度等方面進行比較分析,對站內(nèi)二次設(shè)備布置方案進行優(yōu)化設(shè)計。

    1)公用二次設(shè)備室內(nèi)屏位布置優(yōu)化

    原典型設(shè)計采用雙排屏柜居中布置方案,設(shè)置600 mm×600 mm屏柜18面、800 mm×900 mm屏柜兩面,如圖1所示。對公用二次設(shè)備室內(nèi)屏位布置進行了優(yōu)化,全站二次設(shè)備屏柜突破常規(guī)設(shè)計理念,采用屏柜靠墻布置,前接線方式,尺寸均為800 mm×600 mm,改進后方案可布置800 mm×600 mm屏柜14面、600 mm×600 mm屏柜8面以及800 mm×900 mm屏柜兩面。比常規(guī)方案增加了4面屏柜,布局更加合理,提高遠期擴建利用率。優(yōu)化后公用二次設(shè)備室內(nèi)屏位布置如圖2所示。

    圖1 公用二次設(shè)備室內(nèi)屏位布置示意圖(優(yōu)化前)(單位:mm)Fig.1 Public secondary equipment indoor screen arrangement(unimproved)(unit:mm)

    圖2 公用二次設(shè)備室內(nèi)屏位布置示意圖(優(yōu)化后)(單位:mm)Fig.2 Public secondary equipment indoor screen arrangement(improved)(unit:mm)

    2)預(yù)制艙寬度增加300 mm

    2013年版國網(wǎng)公司預(yù)制艙式二次組合設(shè)備技術(shù)規(guī)范中Ⅲ型預(yù)制艙尺寸為12 200 mm×2 500 mm,保護屏單列布置,最多可布置尺寸為2 260 mm×800 mm×600 mm屏柜12面,或2 260 mm×600 mm×600 mm屏柜17面,如圖3所示。

    圖3 2013年版國網(wǎng)公司預(yù)制艙式二次組合設(shè)備技術(shù)規(guī)范中Ⅲ型預(yù)制艙尺寸示意圖(優(yōu)化前)(單位:mm)Fig.3 2013 version of the State Grid Corporation prefabricated secondary composite equipment specifications Ⅲ prefabricated cabin size intended(unimproved)(unit:mm)

    改進方案嘗試采用Ⅲ型預(yù)制艙,尺寸優(yōu)化為12 200 mm×2 800 mm,從而優(yōu)化保護屏為雙列靠墻布置,可布置尺寸為2 260 mm×800 mm×600 mm屏柜25面(含2面集中接線柜)。

    通過優(yōu)化了布置方式,增加寬度300 mm,比規(guī)范方案多出8~13面屏柜,使Ⅲ型預(yù)制艙最大利用率提高80%~108%,優(yōu)化后預(yù)制艙內(nèi)布置如圖4所示。且配置2面集中接線柜,可實現(xiàn)預(yù)制光、電纜“即插即用”。

    對于預(yù)制艙內(nèi)的遠期屏柜,一期一次性安裝好空屏柜,并預(yù)留好相關(guān)布線,永久性備用屏柜需預(yù)留安裝位置并敷設(shè)蓋板,備用屏位設(shè)置于靠近艙門的位置。便于維護,避免了后期增容擴建設(shè)備不兼容問題。

    圖4 加寬處理及布置方式改進后Ⅲ型預(yù)制艙尺寸示意圖(優(yōu)化后)(單位:mm)Fig.4 Widening and arrangement improved type Ⅲ prefabricated tank dimensions(Improved)(unit:mm)

    3)優(yōu)化了裝置在屏柜內(nèi)的安裝、布線設(shè)計

    全站二次設(shè)備采用“前接線、前顯示”裝置,優(yōu)化了裝置在屏柜內(nèi)的安裝、布線設(shè)計,滿足裝置安裝、檢修、更換及布線等要求,運行維護更加方便。

    為實現(xiàn)柜內(nèi)不同廠家設(shè)備通用互換,“前接線前顯示”二次裝置采用統(tǒng)一的裝置安裝固定點及裝置前面板(液晶面板)位置。二次裝置結(jié)構(gòu)型式、安裝方案也可根據(jù)廠家設(shè)備類型適當調(diào)整,滿足整體美觀且方便裝置安裝、拆除及現(xiàn)場布線的要求。

    二次設(shè)備裝置布置在柜體右側(cè)(面對屏柜),液晶屏采用上翻方式,豎走線槽設(shè)在柜體左側(cè)。端子排統(tǒng)一設(shè)置在柜體下部,并采用橫端子排布置方式。橫走線槽置于裝置下部。豎向線槽寬度不應(yīng)小于150 mm,并滿足光纖彎曲半徑的要求。豎向線槽深度應(yīng)考慮柜內(nèi)走線的數(shù)量,以滿足柜體內(nèi)所有走線要求。走線槽等均采用金屬專用蓋板封裝,并方便拆裝。

    本方案優(yōu)化了二次裝置在屏柜內(nèi)的安裝、布線設(shè)計,將屏寬由600 mm調(diào)整至800 mm,在滿足門外觀視角美觀的基礎(chǔ)上,內(nèi)部裝置側(cè)偏安裝,解決了裝置居中、兩邊線槽狹窄,運行維護不便等問題。

    4)二次設(shè)備采用集成裝置

    整站(除主變保護外)采用保護、測控、計量多合一裝置,大大減少了全站二次設(shè)備的數(shù)量。智能控制柜采用一體化設(shè)計,簡化并規(guī)范智能控制柜與本體機構(gòu)、二次設(shè)備間的接口。按終期規(guī)??紤],節(jié)約屏位2個(含裝置5臺),節(jié)約智能組件28套、計量表計42只。

    3.4 預(yù)制艙式模塊化設(shè)計優(yōu)化分析

    目前模塊化建設(shè)中,預(yù)制艙式模塊化建設(shè)與傳統(tǒng)變電站二次系統(tǒng)有兩大突破,第一,建筑結(jié)構(gòu)上采用工廠預(yù)制設(shè)備(預(yù)制艙等)替代傳統(tǒng)的二次設(shè)備室或傳統(tǒng)的建筑物建設(shè)方案,現(xiàn)場僅采用裝配式作業(yè)。第二,電氣接口標準化,由于智能變電站一次與二次主要采用光纖通訊聯(lián)系,電纜使用大量減少,采用光、電纜航空插頭替代傳統(tǒng)的端子排接線及光纜熔接,極大提高施工效率。

    一個規(guī)模較大的110 kV智能變電站,優(yōu)化配置后全站采用雙端預(yù)制光纜。艙內(nèi)屏柜之間采用雙端預(yù)制尾纜,艙內(nèi)保護裝置到戶外智能控制柜采用光纖轉(zhuǎn)接方案。在預(yù)制艙及二次設(shè)備室分別設(shè)置光纖轉(zhuǎn)接柜,光纖轉(zhuǎn)接柜與艙內(nèi)二次設(shè)備間采用尾纜連接,在工廠完成接線及調(diào)試;與艙外設(shè)備間采用多芯室外預(yù)制光纜連接,現(xiàn)場即插即用。因此各間隔光纜連接可由原來的智能控制柜與多個二次設(shè)備的連接,簡化為智能控制柜與艙內(nèi)光纖轉(zhuǎn)接柜的連接,即采用 1或2根多芯光纜完成智能控制柜與艙內(nèi)光纖轉(zhuǎn)接柜的所有接線。

    預(yù)制艙的作用取代變電站內(nèi)傳統(tǒng)的主控室及繼電保護小室(甚至開關(guān)柜小室),對其使用壽命、消防照明、防護等級、防火、防腐防銹、隔熱通風、溫控、電磁屏蔽等方面有嚴格要求,預(yù)制艙艙體整體運輸及安裝,通過實現(xiàn)“標準化設(shè)計、工廠化加工、裝配式建設(shè)”,變電站節(jié)約資源,節(jié)省投資,從而達到縮短現(xiàn)場的建設(shè)周期,提高工程質(zhì)量等目標,降低了全壽命周期成本。

    4 結(jié)論

    本文研究依托實際工程二次設(shè)備模塊化設(shè)計經(jīng)驗,通過改變二次設(shè)備室內(nèi)屏位布置,采用屏柜靠墻布置、前接線方式,有效增加屏柜面數(shù)使布局更加合理。預(yù)制艙優(yōu)化設(shè)計通過微調(diào)預(yù)制艙寬度設(shè)計,改變屏柜布置方法,能夠有效提高單個Ⅲ型預(yù)制艙最大利用效率80%~108%。同時,本文在對屏柜內(nèi)裝置安裝及布線、采用集成裝置、預(yù)制智能柜布置及二次接口標準化方面提出了優(yōu)化設(shè)計建議,為解決現(xiàn)階段二次模塊化技術(shù)在模塊化智能變電站應(yīng)用中存在的合理化問題提出了優(yōu)化意見。研究對提高的模塊化建設(shè)集成化、標準化水平,推動變電站模塊化建設(shè)的進一步深化具有現(xiàn)實意義。

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