智能變電站光纜與電纜即插即用優(yōu)化設(shè)計(jì)

周 穎

（福州萬山電力咨詢有限公司，福建 福州 350000）

0 引 言

智能變電站最顯著的特點(diǎn)是以大量的高度整合的智能化二次設(shè)備代替了傳統(tǒng)的二次設(shè)備，以通信光纜取代了傳統(tǒng)的二次控制線纜。已建的很多智能變電站在光纜選擇、連接和敷設(shè)工藝上，依舊采用傳統(tǒng)的電纜施工方式，未能合理利用光纜，造成光纜數(shù)量繁多、連接不科學(xué)和敷設(shè)方法不恰當(dāng)?shù)葐栴}，影響光纖的傳輸性能和使用壽命。此外，智能變電站增加了過程層智能終端設(shè)備，一次設(shè)備機(jī)構(gòu)與智能終端之間連接異常復(fù)雜。隨著預(yù)制光纜、預(yù)制電纜等在智能變電站的推廣，對(duì)光纜、電纜的選擇提出了新的技術(shù)要求。本文對(duì)此展開論述，并提出“即插即用”技術(shù)的實(shí)施方案。

1 光纜設(shè)計(jì)優(yōu)化

1.1 預(yù)制光纜及其優(yōu)點(diǎn)

國(guó)內(nèi)智能變電站一般沿用電力通信施工方案采用光纖熔接方式進(jìn)行施工，機(jī)柜內(nèi)采用“光纖配線箱+光纖跳線”，機(jī)柜之間敷設(shè)多芯光纜，光纜兩端與光纖配線箱內(nèi)的預(yù)留光纖進(jìn)行熔接。

該方式的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，采用傳統(tǒng)的工藝即可完成，但存在以下缺點(diǎn)：

（1）采取現(xiàn)場(chǎng)熔纖的方式進(jìn)行連接，現(xiàn)場(chǎng)安裝工作量大，影響施工進(jìn)度。

（2）熔纖會(huì)在機(jī)柜內(nèi)部分纖芯裸露，當(dāng)受到機(jī)械應(yīng)力時(shí)，該部分纖芯可能會(huì)發(fā)生折斷，從而引起通信故障等問題，對(duì)智能變電站的運(yùn)行安全埋下隱患。

（3）現(xiàn)場(chǎng)熔接效果因施工單位工藝水平不同而參差不齊，一方面增加故障隱患，另一方面施工工藝不美觀。

基于上述弊端，智能變電站逐步推廣應(yīng)用預(yù)制光纜解決方案，即在項(xiàng)目實(shí)施時(shí)，提前在多芯光纜的兩端預(yù)先制好多芯集成的光纖連接器插頭，并在屏柜中設(shè)置與光纖連接器插頭對(duì)應(yīng)的多芯集成光纖連接器插座。當(dāng)光纜敷設(shè)完畢后，只需將光纖連接器插頭插入相應(yīng)的光纖連接器插座，即可完成光路的對(duì)接，從而有效提高現(xiàn)場(chǎng)工程的施工效率，保證多芯光纖的對(duì)接安全性。與傳統(tǒng)的光纖熔接方式相比，這種方法更高效、可靠。由于多芯光纖連接器插頭需要預(yù)制在光纜兩端，因此需要現(xiàn)場(chǎng)精確測(cè)量，提供每根光纜具體的長(zhǎng)度。

1.2 預(yù)制光纜的光纜型式選擇

理論上，預(yù)制光纜可采用任一種型式的光纜。但是，實(shí)際工程應(yīng)用中一般不采用鎧裝光纜，主要原因如下：

（1）預(yù)制光纜兩端帶有金屬的光纖連接器，因此鎧裝光纜的鎧裝層兩端接地難以實(shí)現(xiàn)。若在兩端環(huán)剝外皮引出接地線后再熱縮處理，運(yùn)輸和施工過程中容易造成接地線中斷，整根預(yù)制光纜需返廠維修。光纜兩頭環(huán)剝后，破壞光纜的完整性，可靠性降低且工藝不美觀。

（2）鎧裝光纜彎曲半徑要求10～20倍光纜外徑。預(yù)制光纜需要在屏柜內(nèi)彎曲接入免熔接光纖配線箱或連接器安裝板，采用鎧裝光纜在屏柜內(nèi)安裝困難。

目前，國(guó)內(nèi)幾個(gè)廠家均采用室外玻璃纖維紗光纜。此類光纜中心為非金屬加強(qiáng)芯，光纖緊套涂覆結(jié)構(gòu)、阻燃、低煙無鹵外護(hù)套，光纜中填充玻璃纖維紗達(dá)到防鼠咬的功能，具有防鼠咬、阻燃、防潮、防雷擊等優(yōu)點(diǎn)，且相對(duì)柔軟易于敷設(shè)。該型式光纜在通信領(lǐng)域定義為室外光纜。由于無凱裝層，電力運(yùn)行單位往往質(zhì)疑其能否承受外力機(jī)械損傷。針對(duì)電力工程應(yīng)用，相關(guān)廠家已研究出改進(jìn)型室外玻璃纖維紗光纜，如圖1所示。與普通型相比，它增加了內(nèi)外套，具有雙層護(hù)套，外護(hù)套增厚50%，外護(hù)套材料加硬，增加撒裂繩根數(shù)，大大提高了光纜的機(jī)械強(qiáng)度[1]。

圖1 改進(jìn)型玻璃纖維紗光纜

1.3 室外光纜敷設(shè)

對(duì)于光纜機(jī)械防護(hù)技術(shù)，首先應(yīng)充分發(fā)揮光纜本身固有的自我防護(hù)能力，其次在建設(shè)施工中給予適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)防護(hù)措施。但是，如果在外加防護(hù)措施具有顯著優(yōu)勢(shì)和效益時(shí)，應(yīng)該以外加防護(hù)技術(shù)措施為主，選取較輕便的光纜結(jié)構(gòu)。根據(jù)改進(jìn)型玻璃纖維紗光纜特點(diǎn)，結(jié)合電力系統(tǒng)應(yīng)用情況，建議在室外電纜溝內(nèi)采用金屬槽盒敷設(shè)，原因如下：

（1）避免電纜溝架間距過大，小截面光纜下垂，敷設(shè)不平整。

（2）智能變電站中光纜是最重要的線纜，采用槽盒敷設(shè)，可與其他控制電纜、電力電纜明顯區(qū)分，方便檢修。

（3）光纜本身不發(fā)熱，在槽盒內(nèi)可以多層疊放。一般情況下，配電裝置區(qū)上層溝架安裝2個(gè)200 mm×100 mm槽盒即可滿足要求，雙重化的光纜安裝在不同的槽盒內(nèi)。與采用溝架直接敷設(shè)相比，可減少層架數(shù)量和電纜溝尺寸。

（4）改進(jìn)型玻璃纖維紗光纜本身具有防鼠咬和一定的機(jī)械防護(hù)性能，結(jié)合采用金屬槽盒敷設(shè)方式，完全可滿足電力運(yùn)行單位的驗(yàn)收要求。

1.4 預(yù)制光纜配置方案

預(yù)制光纜的連接有兩種方式[2]。

方式一：預(yù)制光纜插頭—預(yù)制光纜插座（另一頭分支光纜）—IED設(shè)備，適用于屏柜到屏柜兩點(diǎn)互聯(lián)的場(chǎng)合，如圖2（a）所示。

方式二：預(yù)制光纜插頭—免熔接光纖配線箱—屏間分支光纜—IED，適用于一根光纜需分解為多個(gè)去向的場(chǎng)合，如圖2（b）所示。

圖2 預(yù)制光纜的連接方式

對(duì)于單個(gè)去向預(yù)制光纜，采用方式一接線，如智能控制柜間電壓級(jí)聯(lián)光纜；對(duì)于戶外到二次設(shè)備室保護(hù)柜的光纜，采用方式二接線。各間隔屏柜分散布置免熔接光纖配線箱，實(shí)現(xiàn)光纜配置優(yōu)化與即插即用。

2 電纜設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 電纜優(yōu)化配置目標(biāo)

智能變電站將大量的電纜以1～2根光纜代替，配電裝置區(qū)僅有交、直流電纜和少量的裝置告警信號(hào)電纜，對(duì)電纜的優(yōu)化配置主要集中在一次設(shè)備與智能控制柜之間。本文以二次線相對(duì)復(fù)雜的GIS為例，首先對(duì)GIS匯控柜內(nèi)的各類接線進(jìn)行分析提出簡(jiǎn)化方案，再將簡(jiǎn)化后的機(jī)構(gòu)二次線進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)GIS各類機(jī)構(gòu)和智能控制柜的標(biāo)準(zhǔn)接口。

2.2 一次設(shè)備智能化二次線優(yōu)化

2.2.1 斷路器信號(hào)回路的優(yōu)化

常規(guī)GIS匯控柜內(nèi)設(shè)置了各種報(bào)警信號(hào)的指示燈，還需要在匯控柜內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的中間重動(dòng)繼電器，線路較為復(fù)雜，不利于故障排除。而智能變電站簡(jiǎn)化了這些設(shè)備，只需要在GIS匯控柜內(nèi)設(shè)置智能終端，即可采集斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)的狀態(tài)信號(hào)及GIS各種報(bào)警信號(hào)，并將采集的信號(hào)通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)傳和共享，在智能終端上顯示所有的信號(hào)，取消匯控柜內(nèi)的信息指示燈和中間重動(dòng)繼電器，有效減少設(shè)備的維護(hù)工作量。

2.2.2 斷路器防跳回路的優(yōu)化

常規(guī)的變電站中，兩套防跳回路分別位于一次、二次設(shè)備，目的是解決兩套防跳回路同時(shí)使用時(shí)配合上出現(xiàn)問題。一般來說，實(shí)際使用中要解掉一套防跳回路。隨著智能終端的應(yīng)用，取代了相應(yīng)操作箱中的防跳回路，智能變電站僅可配置一套防跳回路即可解決該問題。實(shí)際應(yīng)用中，智能終端安裝在智能控制柜內(nèi)，可將其視為智能一次設(shè)備的一部分，完成相應(yīng)防跳回路的工作。實(shí)際應(yīng)用中，智能終端與傳統(tǒng)的防跳回路沒有差異。與傳統(tǒng)的防跳回路相比，智能終端內(nèi)防跳回路接線更簡(jiǎn)單，體積更小巧。由于智能終端內(nèi)部回路設(shè)計(jì)采用經(jīng)典的方式，有效保證了防跳功能動(dòng)作的可靠性。因此，在智能變電站建設(shè)中，建議采用智能終端作為防跳回路使用，替代一次設(shè)備機(jī)構(gòu)的防跳回路，提高一次設(shè)備的集成度和智能化程度。

2.2.3 電氣閉鎖回路的優(yōu)化

在常規(guī)變電站中，通常由GIS提供本電壓等級(jí)的完整電氣閉鎖回路，即包含本間隔的電氣閉鎖和跨間隔的電氣閉鎖。智能站能夠通過智能終端與過程層網(wǎng)絡(luò)的GOOSE信息的多播與共享機(jī)制來實(shí)現(xiàn)跨間隔的電氣閉鎖，在實(shí)際應(yīng)用中更為簡(jiǎn)單可靠。因此，當(dāng)變電站改造、擴(kuò)建時(shí)，僅需要修改或新增與跨間隔裝置的配置，即可實(shí)現(xiàn)改造升級(jí)，且對(duì)原間隔沒有影響。通過電器閉鎖回路優(yōu)化，取消跨間隔的電氣閉鎖回路，有效減少了輔助接點(diǎn)的需求量，減少了中間繼電器，提高了改造擴(kuò)建施工效率和施工進(jìn)度，大大降低了變電站日常運(yùn)行維護(hù)的工作量，起到了良好的應(yīng)用效果。

2.2.4 斷路器位置輔助接點(diǎn)的優(yōu)化

常規(guī)GIS斷路器輔助接點(diǎn)一般不少于12開12閉。智能站可減少斷路器輔助接點(diǎn)數(shù)量，雙套智能終端需要輔助接點(diǎn)2開2閉，間隔電氣閉鎖需要2～3付接點(diǎn)，位置指示需要輔助接點(diǎn)1開1閉，再考慮2開2閉（雙重化）備用輔助接點(diǎn)，斷路器輔助接點(diǎn)8開8閉即可。

2.2.5 機(jī)構(gòu)壓力閉鎖回路的優(yōu)化

斷路器機(jī)構(gòu)壓力低要閉鎖跳、合閘回路。由于機(jī)構(gòu)內(nèi)能提供原始接點(diǎn)有限，通常變電站會(huì)通過加裝中間繼電器重動(dòng)的方式，實(shí)現(xiàn)跳閘、合閘回路的閉鎖控制，并在操作箱中設(shè)置壓力降低時(shí)禁止跳閘繼電器1YJJ和繼電器3YJJ作為備用。在智能站配置了智能終端的情況下，原來操作箱的功能已由智能終端完成。智能終端延續(xù)了原操作箱的配置，也設(shè)置了1YJJ和3YJJ回路。智能終端下放匯控柜安裝，完全可以取消GIS配置的重動(dòng)繼電器。

智能高壓組合電器機(jī)構(gòu)二次線與智能終端優(yōu)化集成后，二次回路的繼電器和信號(hào)指示燈大量取消，簡(jiǎn)化了匯控柜內(nèi)二次回路回路，減少了現(xiàn)場(chǎng)施工工作量和運(yùn)行維護(hù)工作量，提高了一次設(shè)備的集成化程度和智能化程度。

2.3 斷路器機(jī)構(gòu)預(yù)制電纜配置

預(yù)制電纜是指設(shè)備出廠前，廠家對(duì)設(shè)備所需的電纜進(jìn)行單端或雙端配置電連接器而形成的電纜。在智能化變電站中使用電連接器這種接插件連接方式，取代了傳統(tǒng)端子排連接方式，可簡(jiǎn)化柜內(nèi)的端子接線。同時(shí)，各設(shè)備廠家按標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接回路在出廠前將線纜通過電連接器接線，則設(shè)備至現(xiàn)場(chǎng)即可實(shí)現(xiàn)即插即用，減少現(xiàn)場(chǎng)的安裝調(diào)試工作量。

建議斷路器和隔離開關(guān)的電機(jī)電源及機(jī)構(gòu)箱的加熱器電源采用直流供電。采用直流供電的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）直流供電的電機(jī)提高了變電站的運(yùn)行可靠性，全站失電時(shí)，還可操作斷路器或隔離開關(guān)。

（2）直流供電后，機(jī)構(gòu)箱的接線均直流接線，避免交直流混纜的情況，提高了運(yùn)行的可靠性。

斷路器機(jī)構(gòu)箱至智能控制柜，可用兩根預(yù)制電纜實(shí)現(xiàn)全部接線。其中，一根用于斷路器合閘和第一組跳閘線圈、電機(jī)電源回路、斷路器輔助接點(diǎn)和告警接點(diǎn)，電纜插接件芯數(shù)48芯；另一根用于第二組跳閘線圈和第二套智能終端的斷路器位置接點(diǎn)采集，電纜插接件芯數(shù)16芯。分相斷路器每相機(jī)構(gòu)各引出兩根預(yù)制電纜。

2.4 隔離、接地開關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)制電纜配置

隔離、接地開關(guān)機(jī)構(gòu)箱至智能控制柜的接線有開關(guān)控制回路、電機(jī)電源回路、隔離開關(guān)輔助接點(diǎn)和告警接點(diǎn)。隔離、接地開關(guān)機(jī)構(gòu)箱至智能控制柜可用兩根預(yù)制電纜實(shí)現(xiàn)全部接線。其中，一根用于隔離/接地開關(guān)控制回路、電機(jī)電源回路、隔離/接地開關(guān)輔助接點(diǎn)和告警接點(diǎn)，電纜插接件芯數(shù)48芯；另一根用于第二套智能終端的信號(hào)采集。如果不需要雙重化信號(hào)采集，則無第二根預(yù)制電纜，電纜插接件芯數(shù)16芯。

3 結(jié) 論

智能變電站采用預(yù)制光纜不僅提高了施工效率，而且較之現(xiàn)場(chǎng)光纖熔接更加可靠。光纜型式采用改進(jìn)型玻纖光纜，結(jié)合電力系統(tǒng)應(yīng)用情況，建議在室外電纜溝內(nèi)采用金屬槽盒敷設(shè)。對(duì)GIS二次線進(jìn)行簡(jiǎn)化、標(biāo)準(zhǔn)化，各類機(jī)構(gòu)與間隔的智能控制柜采用預(yù)制電纜，實(shí)現(xiàn)“接口標(biāo)準(zhǔn)化、現(xiàn)場(chǎng)電纜即插即用”，可提高設(shè)計(jì)、生產(chǎn)效率，并大量減少現(xiàn)場(chǎng)的接線工作。

[1] 中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì).DL/T1623-2016智能變電站預(yù)制光纜技術(shù)規(guī)范[S].2017.

[2] 劉繼彥，宋燕霞，辛 欣.標(biāo)準(zhǔn)配送式智能變電站預(yù)制電纜“即插即用”實(shí)現(xiàn)方案及敷設(shè)方式研究[J].電氣應(yīng)用，2015，（3）：22-26.