智能變電站二次光纜優化設計

唐寶鋒，陳　明，林　榕，齊曉光，邢　琳

(國網河北省電力公司經濟技術研究院，石家莊　050021)

?

智能變電站二次光纜優化設計

唐寶鋒，陳明，林榕，齊曉光，邢琳

(國網河北省電力公司經濟技術研究院，石家莊050021)

摘要：針對智能變電站二次光纜用量巨大、敷設混亂、現場熔接受施工條件制約等問題，提出智能變電站二次光纜優化設計方案，從光纜整合優化、連接方式優化、敷設優化3個方面進行了詳細論證，研究成果可為智能變電站二次光電纜設計提供理論指導和優化建議。

關鍵詞：光纜；優化；整合；光纜敷設；預制光纜

由于智能變電站采用網絡化通信手段替代原有的控制電纜，使得控制電纜用量減少，而光纜及其相關材料(光纖配線架、熔接點等)的用量大幅增加。由于各設計院設計能力及設計理念的差別，仍存在較多光纜連接或配線布局等方面的問題，導致光纜實際用量及配套材料用量激增，沒有體現出智能變電站裝置集成、信息冗余的特點。同時，光纜熔接點的增加，易造成光纜接線混亂，降低施工效率。針對以上問題，從光纜整合、連接方式及光纜敷設3個方面進行研究分析，提出了智能變電站光纜優化設計方案。

1光纜整合優化

1.1光纜整合的基本原則

根據相關行業標準、企業標準及通用設計的要求，確定光纜整合的原則如下：

a. 依據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接或設置集中轉接屏對光纜進行整合。

b. 光纜整合時雙重化配置的設備所對應的連接光纜應各自獨立；若設置雙網，過程層A、B網所對應的光纜應各自獨立。

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

1.2實施效果分析

以某110-A1-1方案的110 kV智能變電站為例。變電站按終期規模設計，采用2×50 MVA三繞組有載調壓變壓器及1×50 MVA雙繞組有載調壓變壓器。110 kV出線3回，采用擴大內橋接線；35 kV出線6回，采用單母線分段接線；10 kV出線26回，采用單母線三分段接線。

該工程通過設置集中轉接屏實現光纜的優化整合。具體配置為：二次設備室配置1面168口的光纖配線柜，110 kV GIS設備區配置1面132口光纖配線箱，光纖配線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箱到二次設備室光纖配線柜的光纜根據雙套配置各自獨立的原則，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備室光纖配線柜。

二次設備室內110 kV GIS智能組件柜設備與光纖配線箱之間采用尾纜連接；35 kV、10 kV設備與二次設備室設備統一采用尾纜連接。

光纜整合前后的用量對比分析如表1所示。

表1優化前后光纜、尾纜數量對比

適用范圍整合前光纜/根整合后光纜/根尾纜/根二次設備室至110kVGIS智能組件柜36110二次設備室至主變本體智能組件柜930二次設備室至35kV開關柜808二次設備室至10kV開關柜12012二次設備室柜間303110kVGIS智能組件柜柜間60635kV開關柜柜間20210kV開關柜柜間404總計801435

光纜優化整合后，110 kV間隔至二次設備室光纜由36根整合為11根，光纜長度約減少61%；主變壓器本體智能組件柜至二次設備室光纜由9根整合為3根，光纜長度約減少67%。由于光纜數量減少，電纜溝可相應減小或改為埋管方式，因此經濟效益明顯。

2光纜連接方式優化

智能組件安裝在配電裝置現場的智能控制柜內部，根據光纜連接起止點不同，將光纜連接分為：GIS智能控制柜至二次保護室，保護室內不同屏柜之間，同一屏柜內二次設備之間。

在現有的光纜連接方案中，保護室內不同屏柜之間通常采用預制尾纜連接，同一屏柜內二次設備之間采取光纖跳線連接。對室外配電區(智能控制柜)至二次保護室的連接，根據連接方式的不同可分為光纜熔接和預制光纜兩種方式，如圖1所示。

2.1采用預制光纜方式連接

相對于傳統的光纜熔接工藝而言，即插即用的預制光纜技術以及小型化、高密度的新型連接器技術，可以在大幅降低現場施工強度、縮短變電站建設周期的同時，消除傳統熔接操作帶來的多種質量風險，提高系統長期運行可靠性。

圖1　智能變電站光纜連接方式

預制光纜是一種在光纜連接端事先預制連接器的光纜連接技術。與智能變電站常用的室內尾纜相比，預制光纜具備室外光纜的高防護性，通過光纜即插即用可以在大幅降低現場施工強度、縮短變電站建設周期的同時，消除傳統熔接操作帶來的多種質量風險，使之具備室外長距離、復雜環境、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建設的未來發展方向。

預制光纜可分為單端預制和雙端預制2種。

單端預制采用一端預制，另一端現場熔接。考慮到場地施工受環境因素影響較大，熔接較困難，而室內環境較好，熔接相對容易，因此單端預制推薦采用場地端預制，戶內熔接的方案，如圖2所示。

圖2　光纜單端預制方案示意

雙端預制即在光纜兩端均預制連接器，現場不需要熔接，實現光纜的即插即用。如圖3所示。雖然雙端預制光纜具有明顯的技術優勢，但由于其余長不可更改，需要在設計階段對光纜長度進行精確估計，提高了設計難度。

單端預制光纜及雙端預制光纜的對比分析如表2所示。

圖3　光纜雙端預制方案示意

表2單端預制與雙端預制比較

比較內容單端預制雙端預制工作量節省一半熔接及接線工作量節省全部熔接及接線工作量余長控制長度可以調整,余長控制精確長度不能更改,余長需要收納備用芯可減少備用芯收納壓力備用芯全部預制,需要收納靈活性連接后不易調整在余長范圍內可以調整

2.2光纜熔接與光纜預制的應用

光纜熔接基于光纖配線架，將會造成輔材的增加及人工成本的上升，同時增加了現場施工時間，光纜熔接的質量也受現場條件的制約。即便如此，由于設計過程及施工方案不存在障礙性因素，因此，該方案在一段時間內仍將是智能變電站的主要建設方式。

通過對不同電壓等級變電站人工成本、輔材及光纜生產成本的對比，可以對光纜熔接和光纜預制兩種方案的經濟性進行對比分析。

對于500 kV變電站，光纜用量為70 km，12口的光纖配線架用量約為150個。光纜價格約為1.7萬元/ km，敷設價格為0.22萬元/ km，光纜熔接費為40萬元。因此，一個500 kV變電站光纜及安裝總價格在174.73萬左右。如果使用雙端預制光纜，12口免熔接光纖配線箱目前價格為1 500～1 600元/臺，與光纖配線架價格基本持平。12芯光纖連接器單價為650元/個，若按150個計算，共需9.75萬元，因此使用預制光纜方案并不明顯增加工程造價。由于光纜即插即用，節約了光纜熔接費40萬元。此外，光纜預制方案還極大縮短了工程建設周期，綜合成本要遠低于光纜熔接方式。

對于220 kV變電站，光纜用量約為25 km，光纜熔接費用為20萬元，整站光纜建設費用總計68.1萬元。如果使用雙端預制光纜，12芯光纖連接器費用總計約為6萬元。綜合比較，可較常規方案節約14萬元。

另外，目前預制光纜尚處于試用階段，其制作成本具有較大的下行空間，而依賴于人工熔接的光纖配線架成本處于上升趨勢。因此，從長遠來看，以預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箱的形式。

綜上所述，預制光纜優越的性能已使其成為未來智能變電站建設的方向，但考慮到目前還處于試點階段，對長度控制及設計正確率要求較嚴格，因此對設計單位提出了較高的要求。預制光纜方案的應用，需結合智能變電站實際建設情況，綜合考慮安全性、經濟性等因素。

3光纜敷設優化

3.1光纜敷設方式選擇

光纜敷設的方式有直埋、穿管、電纜溝、電纜隧道、槽盒或橋架等，根據智能變電站光纜數量較多而電纜數量減少的特點，可以對光纜的敷設進行優化。

3.1.1電纜溝

對電纜溝形式的光纜敷設方式，可適當改造電纜溝結構，對二次電纜溝分功能設置。上部為電力電纜區，中間為控制電纜區，下部為光纜區。通過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。考慮到光纜較細且截面積較小，可適當縮減光纜層高度，增加層數。將控纜層由一層增加至兩層，提升電纜溝的使用效率，見圖4。

圖4　電纜溝結構改造(單位：mm)

此外，也可采用預制電纜溝或變截面電纜溝的設計方案，便于減少現場施工工程量。

3.1.2電纜槽盒

電纜槽盒敷設方式體積小巧、布置靈活、施工周期短、產品外形美觀，比較適合

電纜數量較少、工藝要求較高的智能變電站，金屬材料槽盒還有機械強度高、電磁屏蔽效果好等優點。

電纜槽盒內部光、電纜混合敷設容易造成電磁干擾，且為后續檢修、施工帶來不便。因此槽盒內部應適當設置隔板，將電纜槽盒劃分成不同分區，降低干擾的同時也便于后期維護。電纜槽盒的內部結構如圖5所示。

圖5　電纜槽盒內部結構(單位：mm)

3.2光纜敷設優化方案

結合現有工程，對光纜敷設的方案進行總結及優化，可從以下幾個方面考慮。

a. 優化變電站總平面布置，減少設備區與二次設備室之間的距離，從而減少光纜、電纜用量。

b. 優化電纜溝的布置方式，可將原有的雙側電纜溝改為單側電纜溝，減少開挖土方量。在光纜、電纜較少的區域，可改用埋管方式。

c. 對于室外光纜，應按不同電壓等級、主變壓器本體分區布置，并按光纜截面、站區面積大小合理共用電纜溝和設置電纜溝截面，光纜宜布置在電纜支架最底層。

d. 當采用就地端設置集中轉接屏的光纜整合方式時，應盡量將轉接屏設置在配電裝置中心區域；當采用雙端設置集中轉接屏的光纜整合方式時，應盡量將轉接屏設置在配電裝置中心區域和二次設備室入口處。根據終期光纜、電纜數量確定電纜溝截面。

e. 對于室內光纜，應首先確定光纜敷設范圍，

并根據光纜入口位置和入口處光纜總數量統籌考慮，使光纜路徑總長最短，并避免局部區域光纜過度擁擠。

f. 在設備選型方面，在設備可靠性滿足要求前提下，選用SV、GOOSE共口傳輸的智能組件。

4結束語

通過對智能變電站二次光纜優化進行研究，重點討論了光纜整合優化、連接方式優化及敷設優化3個方面內容，并提出優化建議，主要研究成果如下：

a. 通過光纜整合，可將去向相同的光纜整合為一個多芯光纜，減少光纜用量；

b. 分析了室外光纜熔接和光纜預制兩種連接方式，建議結合智能變電站實際情況及經濟性分析決定選用哪種方式；

c. 提出光纜敷設優化方案，并對電纜溝及槽盒敷設方式提出優化設計。

參考文獻：

[1]劉召杰. 智能變電站二次電光纜自動敷設設計及全流程管理[J]. 安徽電氣工程職業技術學院學報，2013，18(3):7-10.

[2]況驕庭，徐建國，陳晴，等. 智能變電站線纜敷設設計優化[J]. 電力建設，2012，33(5):41-44.

[3]莫干意. 淺談變電站中的二次電纜敷設施工工藝[J]. 沿海企業與科技，2010(9):132-133.

[4]李敬如，宋璇坤，張祥龍，等. 智能變電站一、二次設備集成技術[J]. 電力建設，2013(6):16-21.

[5]丁騰波，李慧. 基于預制光纜的智能變電站戶外組網方案[J].電力建設，2013(2):50-54.

[6]李艷麗，束娜，韓本帥. 智能變電站光纜選型及敷設研究[J]. 水電能源科學，2012,30(3):167-169.

[7]韓本帥，任萬榮，肖立恒. 智能變電站光纜聯結方式優化研究[J]. 電工技術，2013(2):16-17.

本文責任編輯：靳書海

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

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

中圖分類號：TN913.33

文獻標志碼：B

文章編號：1001-9898(2016)03-0004-03