唐寶鋒，陳　明，林　榕，齊曉光，邢　琳

(國(guó)網(wǎng)河北省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，石家莊　050021)

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智能變電站二次光纜優(yōu)化設(shè)計(jì)

唐寶鋒，陳明，林榕，齊曉光，邢琳

(國(guó)網(wǎng)河北省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，石家莊050021)

摘要：針對(duì)智能變電站二次光纜用量巨大、敷設(shè)混亂、現(xiàn)場(chǎng)熔接受施工條件制約等問(wèn)題，提出智能變電站二次光纜優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，從光纜整合優(yōu)化、連接方式優(yōu)化、敷設(shè)優(yōu)化3個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)論證，研究成果可為智能變電站二次光電纜設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)和優(yōu)化建議。

關(guān)鍵詞：光纜；優(yōu)化；整合；光纜敷設(shè)；預(yù)制光纜

由于智能變電站采用網(wǎng)絡(luò)化通信手段替代原有的控制電纜，使得控制電纜用量減少，而光纜及其相關(guān)材料(光纖配線(xiàn)架、熔接點(diǎn)等)的用量大幅增加。由于各設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)能力及設(shè)計(jì)理念的差別，仍存在較多光纜連接或配線(xiàn)布局等方面的問(wèn)題，導(dǎo)致光纜實(shí)際用量及配套材料用量激增，沒(méi)有體現(xiàn)出智能變電站裝置集成、信息冗余的特點(diǎn)。同時(shí)，光纜熔接點(diǎn)的增加，易造成光纜接線(xiàn)混亂，降低施工效率。針對(duì)以上問(wèn)題，從光纜整合、連接方式及光纜敷設(shè)3個(gè)方面進(jìn)行研究分析，提出了智能變電站光纜優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1光纜整合優(yōu)化

1.1光纜整合的基本原則

根據(jù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及通用設(shè)計(jì)的要求，確定光纜整合的原則如下：

a. 依據(jù)將去向相近的光纜整合為一根多芯光纜的原則，利用既有二次屏柜轉(zhuǎn)接或設(shè)置集中轉(zhuǎn)接屏對(duì)光纜進(jìn)行整合。

b. 光纜整合時(shí)雙重化配置的設(shè)備所對(duì)應(yīng)的連接光纜應(yīng)各自獨(dú)立；若設(shè)置雙網(wǎng)，過(guò)程層A、B網(wǎng)所對(duì)應(yīng)的光纜應(yīng)各自獨(dú)立。

c. 減少光纜選型，鎧裝光纜采用12芯或24芯，室內(nèi)尾纜采用4芯、8芯或12芯。每根光纜要求至少預(yù)留2芯做為備用芯。

1.2實(shí)施效果分析

以某110-A1-1方案的110 kV智能變電站為例。變電站按終期規(guī)模設(shè)計(jì)，采用2×50 MVA三繞組有載調(diào)壓變壓器及1×50 MVA雙繞組有載調(diào)壓變壓器。110 kV出線(xiàn)3回，采用擴(kuò)大內(nèi)橋接線(xiàn)；35 kV出線(xiàn)6回，采用單母線(xiàn)分段接線(xiàn)；10 kV出線(xiàn)26回，采用單母線(xiàn)三分段接線(xiàn)。

該工程通過(guò)設(shè)置集中轉(zhuǎn)接屏實(shí)現(xiàn)光纜的優(yōu)化整合。具體配置為：二次設(shè)備室配置1面168口的光纖配線(xiàn)柜，110 kV GIS設(shè)備區(qū)配置1面132口光纖配線(xiàn)箱，光纖配線(xiàn)架之間采用光纜連接。

以間隔為單位，110 kV GIS智能組件柜光纖配線(xiàn)箱到二次設(shè)備室光纖配線(xiàn)柜的光纜根據(jù)雙套配置各自獨(dú)立的原則，匯總成11根12芯光纜，傳輸110 kV GIS智能組件所有GOOSE、SV信息。每臺(tái)主變壓器本體智能組件柜采用1根12芯光纜連接至二次設(shè)備室光纖配線(xiàn)柜。

二次設(shè)備室內(nèi)110 kV GIS智能組件柜設(shè)備與光纖配線(xiàn)箱之間采用尾纜連接；35 kV、10 kV設(shè)備與二次設(shè)備室設(shè)備統(tǒng)一采用尾纜連接。

光纜整合前后的用量對(duì)比分析如表1所示。

表1優(yōu)化前后光纜、尾纜數(shù)量對(duì)比

適用范圍整合前光纜/根整合后光纜/根尾纜/根二次設(shè)備室至110kVGIS智能組件柜36110二次設(shè)備室至主變本體智能組件柜930二次設(shè)備室至35kV開(kāi)關(guān)柜808二次設(shè)備室至10kV開(kāi)關(guān)柜12012二次設(shè)備室柜間303110kVGIS智能組件柜柜間60635kV開(kāi)關(guān)柜柜間20210kV開(kāi)關(guān)柜柜間404總計(jì)801435

光纜優(yōu)化整合后，110 kV間隔至二次設(shè)備室光纜由36根整合為11根，光纜長(zhǎng)度約減少61%；主變壓器本體智能組件柜至二次設(shè)備室光纜由9根整合為3根，光纜長(zhǎng)度約減少67%。由于光纜數(shù)量減少，電纜溝可相應(yīng)減小或改為埋管方式，因此經(jīng)濟(jì)效益明顯。

2光纜連接方式優(yōu)化

智能組件安裝在配電裝置現(xiàn)場(chǎng)的智能控制柜內(nèi)部，根據(jù)光纜連接起止點(diǎn)不同，將光纜連接分為：GIS智能控制柜至二次保護(hù)室，保護(hù)室內(nèi)不同屏柜之間，同一屏柜內(nèi)二次設(shè)備之間。

在現(xiàn)有的光纜連接方案中，保護(hù)室內(nèi)不同屏柜之間通常采用預(yù)制尾纜連接，同一屏柜內(nèi)二次設(shè)備之間采取光纖跳線(xiàn)連接。對(duì)室外配電區(qū)(智能控制柜)至二次保護(hù)室的連接，根據(jù)連接方式的不同可分為光纜熔接和預(yù)制光纜兩種方式，如圖1所示。

2.1采用預(yù)制光纜方式連接

相對(duì)于傳統(tǒng)的光纜熔接工藝而言，即插即用的預(yù)制光纜技術(shù)以及小型化、高密度的新型連接器技術(shù)，可以在大幅降低現(xiàn)場(chǎng)施工強(qiáng)度、縮短變電站建設(shè)周期的同時(shí)，消除傳統(tǒng)熔接操作帶來(lái)的多種質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，提高系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性。

圖1　智能變電站光纜連接方式

預(yù)制光纜是一種在光纜連接端事先預(yù)制連接器的光纜連接技術(shù)。與智能變電站常用的室內(nèi)尾纜相比，預(yù)制光纜具備室外光纜的高防護(hù)性，通過(guò)光纜即插即用可以在大幅降低現(xiàn)場(chǎng)施工強(qiáng)度、縮短變電站建設(shè)周期的同時(shí)，消除傳統(tǒng)熔接操作帶來(lái)的多種質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，使之具備室外長(zhǎng)距離、復(fù)雜環(huán)境、惡劣條件下的施工可靠性與安全性，是智能變電站光纜系統(tǒng)建設(shè)的未來(lái)發(fā)展方向。

預(yù)制光纜可分為單端預(yù)制和雙端預(yù)制2種。

單端預(yù)制采用一端預(yù)制，另一端現(xiàn)場(chǎng)熔接?？紤]到場(chǎng)地施工受環(huán)境因素影響較大，熔接較困難，而室內(nèi)環(huán)境較好，熔接相對(duì)容易，因此單端預(yù)制推薦采用場(chǎng)地端預(yù)制，戶(hù)內(nèi)熔接的方案，如圖2所示。

圖2　光纜單端預(yù)制方案示意

雙端預(yù)制即在光纜兩端均預(yù)制連接器，現(xiàn)場(chǎng)不需要熔接，實(shí)現(xiàn)光纜的即插即用。如圖3所示。雖然雙端預(yù)制光纜具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但由于其余長(zhǎng)不可更改，需要在設(shè)計(jì)階段對(duì)光纜長(zhǎng)度進(jìn)行精確估計(jì)，提高了設(shè)計(jì)難度。

單端預(yù)制光纜及雙端預(yù)制光纜的對(duì)比分析如表2所示。

圖3　光纜雙端預(yù)制方案示意

表2單端預(yù)制與雙端預(yù)制比較

比較內(nèi)容單端預(yù)制雙端預(yù)制工作量節(jié)省一半熔接及接線(xiàn)工作量節(jié)省全部熔接及接線(xiàn)工作量余長(zhǎng)控制長(zhǎng)度可以調(diào)整,余長(zhǎng)控制精確長(zhǎng)度不能更改,余長(zhǎng)需要收納備用芯可減少備用芯收納壓力備用芯全部預(yù)制,需要收納靈活性連接后不易調(diào)整在余長(zhǎng)范圍內(nèi)可以調(diào)整

2.2光纜熔接與光纜預(yù)制的應(yīng)用

光纜熔接基于光纖配線(xiàn)架，將會(huì)造成輔材的增加及人工成本的上升，同時(shí)增加了現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間，光纜熔接的質(zhì)量也受現(xiàn)場(chǎng)條件的制約。即便如此，由于設(shè)計(jì)過(guò)程及施工方案不存在障礙性因素，因此，該方案在一段時(shí)間內(nèi)仍將是智能變電站的主要建設(shè)方式。

通過(guò)對(duì)不同電壓等級(jí)變電站人工成本、輔材及光纜生產(chǎn)成本的對(duì)比，可以對(duì)光纜熔接和光纜預(yù)制兩種方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比分析。

對(duì)于500 kV變電站，光纜用量為70 km，12口的光纖配線(xiàn)架用量約為150個(gè)。光纜價(jià)格約為1.7萬(wàn)元/ km，敷設(shè)價(jià)格為0.22萬(wàn)元/ km，光纜熔接費(fèi)為40萬(wàn)元。因此，一個(gè)500 kV變電站光纜及安裝總價(jià)格在174.73萬(wàn)左右。如果使用雙端預(yù)制光纜，12口免熔接光纖配線(xiàn)箱目前價(jià)格為1 500～1 600元/臺(tái)，與光纖配線(xiàn)架價(jià)格基本持平。12芯光纖連接器單價(jià)為650元/個(gè)，若按150個(gè)計(jì)算，共需9.75萬(wàn)元，因此使用預(yù)制光纜方案并不明顯增加工程造價(jià)。由于光纜即插即用，節(jié)約了光纜熔接費(fèi)40萬(wàn)元。此外，光纜預(yù)制方案還極大縮短了工程建設(shè)周期，綜合成本要遠(yuǎn)低于光纜熔接方式。

對(duì)于220 kV變電站，光纜用量約為25 km，光纜熔接費(fèi)用為20萬(wàn)元，整站光纜建設(shè)費(fèi)用總計(jì)68.1萬(wàn)元。如果使用雙端預(yù)制光纜，12芯光纖連接器費(fèi)用總計(jì)約為6萬(wàn)元。綜合比較，可較常規(guī)方案節(jié)約14萬(wàn)元。

另外，目前預(yù)制光纜尚處于試用階段，其制作成本具有較大的下行空間，而依賴(lài)于人工熔接的光纖配線(xiàn)架成本處于上升趨勢(shì)。因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，以預(yù)制式光纜為載體的光纜整合成本有望更低于基于光纖配線(xiàn)箱的形式。

綜上所述，預(yù)制光纜優(yōu)越的性能已使其成為未來(lái)智能變電站建設(shè)的方向，但考慮到目前還處于試點(diǎn)階段，對(duì)長(zhǎng)度控制及設(shè)計(jì)正確率要求較嚴(yán)格，因此對(duì)設(shè)計(jì)單位提出了較高的要求。預(yù)制光纜方案的應(yīng)用，需結(jié)合智能變電站實(shí)際建設(shè)情況，綜合考慮安全性、經(jīng)濟(jì)性等因素。

3光纜敷設(shè)優(yōu)化

3.1光纜敷設(shè)方式選擇

光纜敷設(shè)的方式有直埋、穿管、電纜溝、電纜隧道、槽盒或橋架等，根據(jù)智能變電站光纜數(shù)量較多而電纜數(shù)量減少的特點(diǎn)，可以對(duì)光纜的敷設(shè)進(jìn)行優(yōu)化。

3.1.1電纜溝

對(duì)電纜溝形式的光纜敷設(shè)方式，可適當(dāng)改造電纜溝結(jié)構(gòu)，對(duì)二次電纜溝分功能設(shè)置。上部為電力電纜區(qū)，中間為控制電纜區(qū)，下部為光纜區(qū)。通過(guò)明確電纜溝分層功能，可有效降低光纜與電纜之間的相互影響?？紤]到光纜較細(xì)且截面積較小，可適當(dāng)縮減光纜層高度，增加層數(shù)。將控纜層由一層增加至兩層，提升電纜溝的使用效率，見(jiàn)圖4。

圖4　電纜溝結(jié)構(gòu)改造(單位：mm)

此外，也可采用預(yù)制電纜溝或變截面電纜溝的設(shè)計(jì)方案，便于減少現(xiàn)場(chǎng)施工工程量。

3.1.2電纜槽盒

電纜槽盒敷設(shè)方式體積小巧、布置靈活、施工周期短、產(chǎn)品外形美觀，比較適合

電纜數(shù)量較少、工藝要求較高的智能變電站，金屬材料槽盒還有機(jī)械強(qiáng)度高、電磁屏蔽效果好等優(yōu)點(diǎn)。

電纜槽盒內(nèi)部光、電纜混合敷設(shè)容易造成電磁干擾，且為后續(xù)檢修、施工帶來(lái)不便。因此槽盒內(nèi)部應(yīng)適當(dāng)設(shè)置隔板，將電纜槽盒劃分成不同分區(qū)，降低干擾的同時(shí)也便于后期維護(hù)。電纜槽盒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　電纜槽盒內(nèi)部結(jié)構(gòu)(單位：mm)

3.2光纜敷設(shè)優(yōu)化方案

結(jié)合現(xiàn)有工程，對(duì)光纜敷設(shè)的方案進(jìn)行總結(jié)及優(yōu)化，可從以下幾個(gè)方面考慮。

a. 優(yōu)化變電站總平面布置，減少設(shè)備區(qū)與二次設(shè)備室之間的距離，從而減少光纜、電纜用量。

b. 優(yōu)化電纜溝的布置方式，可將原有的雙側(cè)電纜溝改為單側(cè)電纜溝，減少開(kāi)挖土方量。在光纜、電纜較少的區(qū)域，可改用埋管方式。

c. 對(duì)于室外光纜，應(yīng)按不同電壓等級(jí)、主變壓器本體分區(qū)布置，并按光纜截面、站區(qū)面積大小合理共用電纜溝和設(shè)置電纜溝截面，光纜宜布置在電纜支架最底層。

d. 當(dāng)采用就地端設(shè)置集中轉(zhuǎn)接屏的光纜整合方式時(shí)，應(yīng)盡量將轉(zhuǎn)接屏設(shè)置在配電裝置中心區(qū)域；當(dāng)采用雙端設(shè)置集中轉(zhuǎn)接屏的光纜整合方式時(shí)，應(yīng)盡量將轉(zhuǎn)接屏設(shè)置在配電裝置中心區(qū)域和二次設(shè)備室入口處。根據(jù)終期光纜、電纜數(shù)量確定電纜溝截面。

e. 對(duì)于室內(nèi)光纜，應(yīng)首先確定光纜敷設(shè)范圍，

并根據(jù)光纜入口位置和入口處光纜總數(shù)量統(tǒng)籌考慮，使光纜路徑總長(zhǎng)最短，并避免局部區(qū)域光纜過(guò)度擁擠。

f. 在設(shè)備選型方面，在設(shè)備可靠性滿(mǎn)足要求前提下，選用SV、GOOSE共口傳輸?shù)闹悄芙M件。

4結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)智能變電站二次光纜優(yōu)化進(jìn)行研究，重點(diǎn)討論了光纜整合優(yōu)化、連接方式優(yōu)化及敷設(shè)優(yōu)化3個(gè)方面內(nèi)容，并提出優(yōu)化建議，主要研究成果如下：

a. 通過(guò)光纜整合，可將去向相同的光纜整合為一個(gè)多芯光纜，減少光纜用量；

b. 分析了室外光纜熔接和光纜預(yù)制兩種連接方式，建議結(jié)合智能變電站實(shí)際情況及經(jīng)濟(jì)性分析決定選用哪種方式；

c. 提出光纜敷設(shè)優(yōu)化方案，并對(duì)電纜溝及槽盒敷設(shè)方式提出優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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本文責(zé)任編輯：靳書(shū)海

Optimization Design of Secondary Fiber and Cable of Smart Substation

Tang Baofeng,Chen Ming,Lin Rong,Qi Xiaoguang,Xing Lin

(State Grid Hebei Electric Power Corporation Economic Technology Research Institute,Shijiazhuang 050021,China)

Abstract:Aiming at current situation of great number of secondary optical cable and laying chaos and welding process restricted by field working condition in intelligent substation,a kind of optimizing design method is put forward in this paper.In the aspects of integrated optimization of optical cable,optimization of connecting,and optimization of laying,the scheme is introduced in detail.The results can give theoretical direction and optimizing suggestion to next projects.

Key words:optical cable;optimization;integration;optical cables laying;prefab fiber optic cable

收稿日期：2016-03-25

作者簡(jiǎn)介：唐寶鋒(1980-)，男，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)，電力仿真分析等研究工作。

中圖分類(lèi)號(hào)：TN913.33

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1001-9898(2016)03-0004-03