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摘要：二次设备预制舱内人员活动空间小、检修运维操作不便，制约着预制舱的发展推广。本文对问题的成因开展分析，提出舱内屏柜优化方案，方案增大了舱内人员活动空间、方便人员检修运维，此外所提出的的舱内线缆优化布设方案，解决了线缆安装和维护困难的问题，结合工程应用，方案达到了预期的效果同时优化舱内工作环境。
关键词：二次设备预制舱；屏柜结构
0引言
2015年国家电网公司推进智能变电站模块化建设工作，发布110kV变电站模块化建设通用设计[3]，其中二次设备预制舱（以下简称二次舱）作为变电站模块化建设理念的重要体现在减少占地和缩短工期方面的效果显著[1]。
由于受前接线装置开发进度和屏柜结构优化程度的影响，早期工程中的二次舱存在空间小、可放置屏柜数目少等问题。随着前接线保护装置技术成熟，二次舱内屏柜布局及内部走线方式逐步引起了相关单位的关注：为方便人员操作，舱内前接线屏柜宽度由600mm增大到800mm，单舱双列布局也得到广泛应用，舱内狭小空间内的布缆方案也向方便后期运维操作的方向优化完善[1] [2][6]。但是目前的相关研究仍集中在屏柜布置方式上，关于舱内屏柜结构方面仅有文献[4]提到机架结构的布局设计思路，但均缺乏对现有舱体内空间过小、运维不便问题影响因素的整体分析，此外针对结构尺寸和方案设计也缺乏数据支撑和工程的验证。
本文首先分析影响预制舱内部空间大小和运维便利性的因素。在此基础上，提出屏柜结构的优化方案及内部设备的布置原则，最后结合依托工程的应用效果验证方案。
1影响二次舱内空间和运维的主要因素
1.1 前接线保护装置完善程度
前接线装置通过将人机界面、接线端子位于装置同侧的设计满足屏前检修的需求。其对舱内空间的影响，主要表现在舱内屏柜布局及现场施工量两个方面。传统装置由于只能采用单舱单列或双舱双列（拼舱）方式进行屏柜布置，为了提升可放置屏柜数，相应的工程也尝试单舱双列侧开门方式或增大舱体宽度等方案[1] [5]，
表1 预制舱应用情况比较
如上所示，双列布置较其他模式的可放置屏柜数提升近一倍，较双舱双列模式可实现舱内线缆工厂化接线，大幅减少现场工作量，但舱内设备仅能通过侧壁开门检修或增大舱体进行舱内检修。侧壁检修模式不能满足全天候操作，而增大的舱体又增大了道路运输的难度 。
1.2 屏柜尺寸
目前二次舱内常用屏柜尺寸有800×600×2260（宽×深×高，单位mm，下同）、600×600×2260、600×900×2260等，其中900深屏柜主要用于服务器柜类型[1]，其不仅占用过多空间还对屏柜布置造成影响，而600mm宽的屏柜由于底部放置端子排的数目受限、操作空间小，运维较为困难。因此减小并规范屏柜尺寸可有效提高舱内屏柜数目但也应考虑人员操作空间需求。
1.3 舱内布缆方式
二次设备舱内包含控制电缆、通讯电缆、光缆、尾缆、交直流电缆等多种线缆。舱内线缆布设时主要采用舱顶设置行线架、舱底设置防静电地板夹层或两者相结合的方案。由于线缆布设工作需要等到屏柜就位后开展，而且布缆空间狭小难以维护，因此存在安装周期长的问题。此外顶部行线架内线缆维护操作不方便，而夹层内布线则需要将防静电地板掀开后才能操作，增大工作量的同时也延长了施工周期[6]。
1.4 屏柜终远期改扩建
二次舱内设备远期改扩建多采用独立屏柜入舱或初期预留空屏位远期再进行设备及线缆安装两种方式。但前者需要将沉重的屏柜搬运进舱，工作强度高，后者需要在舱内狭小空间内安装设备，改造周期长。
2二次舱屏柜结构研究
针对上述问题，提出与舱体融合设计的屏柜结构取代传统屏柜，解决现有问题，同时提出舱内布缆优化方案，方便线缆安装和后期检修运维。
2.1 屏柜结构尺寸优化
以II型舱为例,其外部尺寸为9200×2800×3133，防静电地板高度250[2]。
2.1.1屏柜结构高度
舱内净高2700，舱内高度按照功能分为：底部电缆夹层用于线缆布设（250）、中部屏柜结构用于设备安装（2300）、顶部用于屏柜结构固定（150）。
2.1.2屏柜结构宽度
鉴于前接线屏柜中转端子安装于屏柜底部，不仅安装数目受限，由于装置引出配线路径长，占用柜内有限空间也不利于运维操作，因此将端子竖向放置在装置右侧，同时可提高端子安装数目。此时宽度如下所示：
表2 设备安装宽度核算表
考虑到屏柜立柱结构强度，宽度应采用700mm。
2.1.3屏柜结构深度
为满足不同设备安装深度的需求，屏柜深度沿用传统设计，在考虑方便运维取消屏门并采取防误碰措施后，深度优化为550，此时舱内走缆宽度增大到1500。
2.1.4小结
通过上述分析，预制舱内屏柜结构尺寸为2300×700×550在增大屏柜内操作空间的前提下，有效提升可放置屏柜数目。
表3 屏柜、一体化结构可放置数目对比表
2.2 屏柜结构内设备布局
2.2.1 结构单元模块化分区方案
结构单元内部设备按照功能自下而上分为：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端子安装区。
2.2.2 设备安装区高度设计
首先统计所安装设备的高度。
表4 设备高度统计
由上表可知4U高度可满足大多数设备安装需求。此外保护类装置需配置2个硬压板、1个复归按钮；测控类装置需配置3个硬压板、1个复归按钮，由于4U安装面板可安装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[8]。从而在进行屏柜设备安装方案设计时，4U高度可以作为设计单位进行核算，各单位之间间隔1U用于走线和散热。
表5 不同模数设备区高度统计
2.3 屏柜结构的运维便利性设计研究
2.3.1结构的人体工程学设计
在站立姿势下，视点约在1.5-1.6m之间，最佳视野在水平视点上下各10°的范围，高度处于1215-1920mm之间，区间高度700mm；在进行设备操作时，最佳控制区域在与肘关节齐平的897-1752mm之间，区间高度为855mm。[7]
图2 人体视角及操作范围示意图
因此，设备安装高度设计在890-1750mm的高度较为合适。集合表7中数据，“6单位”装置布置时，第一台装置中部距离地面高度1766mm，高度适宜；底部装置中部距离地面高度876mm，高度适宜，具有最佳操作体验。
2.3.2屏柜优化结构的线缆布设
根据舱内线缆布设路径分析，线缆布设路径包括屏柜内部、屏柜之间和两列屏柜之间。
1） 屏柜内布设通道
结合端子竖向安装方式，端子安装区内采取端子后部安装，电缆右侧安装，尾缆通讯线左侧安装的方式进行布设，同时实现的光电分离和强弱电分离。
2） 同列屏柜间走线通道
通过屏柜前部立柱的内凹设计，在防静电地板上部形成一个左右贯通的走线通道，用于同列屏柜之间的线缆布设，可有效降低线缆维护中的工作量
3） 两列屏柜间的线缆通道
在防静电地板夹层内设置若干走线槽盒，当进行双列间的线缆维护时，仅需掀开少量防静电地板，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。
3工程应用情况
该研究成果应用于某220kV智能变电站，全站二次设备放置于2座9.2mII型二次舱和公用设备室内，使用屏柜优化结构后，达到如下效果。
1）初设方案110kV二次舱优化后采用6.2mI型舱；
2）初设方案220kV二次舱优化后将二次设备室内7面主变间隔保护测控及录波柜放置于该舱；
3）屏柜内装置布置方式和线缆布缆方案增大舱内空间，提高可放置屏柜数目，减少运维工作量，方便操作。
4结论
本文针对二次舱现存问题开展研究，提出屏柜优化设计，达到了预期效果：
1）屏柜优化结构取代传统屏柜，舱内可放置屏柜数量增加12-17%。
2）屏柜内设备采用“6单元”布置方式，提高屏柜容积率，方便人员操作。
3）舱内线缆布设优化方案，降低了线缆在安装及运维中的工作量和工作难度。
结合依托工程的应用效果，所提出的优化设计方案较好的解决了现有问题，达到了优化目的，具有较大的推广前景。
参考文献：
[1] 吴聪颖,闫培丽.智能变电站预制舱式二次组合设备优化设计[J]. 电力勘测设计,2016, 6(6): 60-64.
[2] Q/GDW 11157—2014, 预制舱式二次组合设备技术规范[S]．
[3] 国家电网公司．国家电网公司输变电工程通用设计:110(66)kV智能变电站模块化建设(2015 年版 )[M]．北京：中国电力出版社，2015
[4] 田俊强, 臧稼立,唐华.智能变电站的预制舱及机架式组屏方案研究[J]. 山西建筑,2016, 36(36): 144-145.
[5] 常伟,马彦琴, 赵晓辉,等. ±800kV灵州换流站交流滤波器场预制舱设计[J].陕西电力,2015,34(9): 83-87.
[6] 杨宁, 唐宇. 浅析预制舱式二次组合设备舱内光缆连接方案[J]. 科技创新导报,2015, 36(31): 133-134.
[7] 韩斐.通用机柜造型设计与人性化设计研究[J]. 艺术与设计, 2010,12(3):214-216.
[8] 国家电网公司. 110（66）~220kV智能变电站设计规范[S]. 2009.
论文作者:杨宁,郭魏凯,李向博
论文发表刊物:《电力设备》2018年第17期
论文发表时间:2018/11/12
标签：舱内论文; 结构论文; 线缆论文; 设备论文; 高度论文; 方案论文; 操作论文; 《电力设备》2018年第17期论文;