智能變電站二次設(shè)備艙用機架方案研究

陳敏 桑賢臣 俞天益

摘 要：基于智能化變電站“主要設(shè)備更集成、二次系統(tǒng)更智能、預(yù)制裝配更高效”的建設(shè)要求，結(jié)合二次設(shè)備艙用機架的發(fā)展趨勢和實踐經(jīng)驗，重點研究二次設(shè)備艙用機架結(jié)構(gòu)需求、整體承載性能以及機架結(jié)構(gòu)內(nèi)部及艙內(nèi)整體走線布局。新的機架結(jié)構(gòu)方案從設(shè)計、生產(chǎn)、使用以及運維邏輯上擺脫了屏柜的概念，滿足了機架內(nèi)裝置正面防誤、操作簡單和方便維護的需求，兼顧了不同工程中二次設(shè)備集成的需求變化，較好地實現(xiàn)了功能性和安全性的平衡。

關(guān)鍵詞：二次設(shè)備；預(yù)制艙；機架；模塊化；智能化

中圖分類號：TM63? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）03-0010-06

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.03.003

1? ? 研究概述

二次設(shè)備預(yù)制艙是近些年智能變電站建設(shè)發(fā)展的重要特征，“機架式二次預(yù)制艙”概念的出現(xiàn)契合了二次設(shè)備艙“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，工廠化加工，裝配式建設(shè)”的基本要求和“前接線前顯示”的基本理念，因而越來越多地出現(xiàn)在智能變電站規(guī)范和建設(shè)的技術(shù)需求序列中。

目前機架形式的二次預(yù)制艙尚處于試點研究階段，還存在著一些問題：艙內(nèi)設(shè)備形式不統(tǒng)一，外觀形式、使用結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一，設(shè)計加工集成等過程不統(tǒng)一；機架無法擺脫屏柜的形式，無法充分發(fā)揮二次設(shè)備艙作為變電站一體化理念建設(shè)平臺的優(yōu)勢，散熱、布線集成也沒有針對機架設(shè)備艙進行專門的方案設(shè)計；機架中裝置的正面防誤和操作需求無法很好地兼顧，存在防誤邏輯不統(tǒng)一或者無法嚴格滿足國網(wǎng)規(guī)范要求的問題。

預(yù)制式二次設(shè)備艙用機架的主要應(yīng)用場景為智能變電站的二次集成平臺，發(fā)展必須緊跟國內(nèi)變電站的建設(shè)要求，可能存在以下發(fā)展趨勢：

1）模塊化。在二次設(shè)備艙層面，體現(xiàn)在二次設(shè)備的模塊化和二次組合設(shè)備的模塊化[1]。

2）集成化。受限于尺寸要求，艙用機架必須注重提升空間利用率，需要從外觀、設(shè)計制造、結(jié)構(gòu)連接、線纜布置、環(huán)境控制等多個方面提升機架結(jié)構(gòu)與艙體的一體化程度。

3）智能化。艙用機架作為二次設(shè)備的集成平臺，要充分考慮智能化帶來的功能要求和工藝變化。智能鎖控等是對裝置使用權(quán)限和維護權(quán)限的限制，其物理實現(xiàn)需要依靠機架結(jié)構(gòu)的功能。艙內(nèi)環(huán)境的智能控制也依賴機架的散熱通風(fēng)功能，這些要求都跟機架的具體結(jié)構(gòu)緊密關(guān)聯(lián)。

以二次設(shè)備艙用機架結(jié)構(gòu)為研究對象，針對國網(wǎng)二次設(shè)備艙用機架的結(jié)構(gòu)需求和方案進行研究和設(shè)計，并開展靜力和模態(tài)分析，優(yōu)化機架結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高艙用機架結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性；通過分析艙內(nèi)接線需求，優(yōu)化單元機架和組合機架的接線空間及方式，提高施工和檢修維護效率。

2? ? 機架結(jié)構(gòu)方案

2.1? ? 模塊化單元

機架單元主體結(jié)構(gòu)由一系列垂直構(gòu)件組成，高2 300 mm，寬700 mm。內(nèi)部可使用容量為39U，根據(jù)不同的組屏需求，分為偏置式單元和居中布置單元[2]。

偏置式機架單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。左側(cè)為裝置安裝區(qū)域，可安裝各類二次裝置和空開、按鈕、壓板等電氣附件；右側(cè)為端子檢修區(qū)域，可用于安裝直插式端子和機架單元內(nèi)光電纜走線；下部為線纜通道區(qū)域，可用于機架單元間走線。偏置式機架單元適用于端子安裝需求較多的組屏。

居中布置機架單元結(jié)構(gòu)如圖2所示，中間為裝置及電氣附件安裝區(qū)域，兩側(cè)為走線區(qū)域，下部為線纜通道區(qū)域，此種機架單元適用于端子安裝需求較少的組屏及需要兩側(cè)走線的組屏。

兩種機架單元結(jié)構(gòu)形式統(tǒng)一，內(nèi)部安裝功能不同，可根據(jù)不同的組屏需求配置，從而實現(xiàn)二次設(shè)備的組合。

2.2? ? 組合式機架

多個機架單元組合通過框架結(jié)構(gòu)連接在一起，與艙體一體化組裝加工，形成了二次組合機架，可實現(xiàn)更為完整的二次組合設(shè)備的集成需求，其成組樣式如圖3所示。組合式機架靠墻布置，實現(xiàn)了上、中、下三面與艙體的連接，作為一個更為整體化的機架結(jié)構(gòu)。

單列組合式機架作為一個整體二次設(shè)備進行散熱設(shè)計，單個機架的氣流組織形式如圖4所示。處于艙內(nèi)空間下部的冷風(fēng)氣流通過下部散熱板進入機架內(nèi)部，通過內(nèi)部氣流通道向上帶走熱量，并排出機架結(jié)構(gòu)。這一氣流組織形式更契合氣流下出上進的工業(yè)空調(diào)類型[3]。

模塊化單元和組合式機架的設(shè)計既滿足了二次艙內(nèi)各類設(shè)備的安裝需求，同時也大大提升了電氣與結(jié)構(gòu)設(shè)計、外觀等元素的一體化程度，提高了艙用機架的組屏效率。

2.3? ? 功能化面板

機架正面通過安裝在主體結(jié)構(gòu)上的各類面板結(jié)構(gòu)實現(xiàn)功能配置和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

根據(jù)不同布置分區(qū)設(shè)置不同的正面遮擋門板，如檢修區(qū)域門板、線槽通道區(qū)域門板；根據(jù)不同類型的裝置和電氣件安裝運維需求在裝置安裝區(qū)域設(shè)置普通安裝面板、可視面板、附件操作面板等。這些面板根據(jù)裝置尺寸、安裝形式、操作權(quán)限、散熱需求、智能鎖控需求等差異化配置，采用標(biāo)準(zhǔn)化安裝方式，外觀形式保持一致。典型正面面板類型如表1所示。

3? ? 結(jié)構(gòu)性能分析

3.1? ? 機架單元承載分析

基于有限元分析軟件，建立艙用單元機架的有限元分析模型，并對模型進行簡化處理和網(wǎng)格劃分。機架主體材料屬性如下：

機架單元的固定形式為：底部固定于艙內(nèi)底座上，頂部通過結(jié)構(gòu)件與艙內(nèi)墻上半部連接，以上兩種部位均為固定約束（Fixed Support）。本次分析以兩種單元機架為例，每組上面簡化掉的模型質(zhì)量和設(shè)備質(zhì)量共200 kg，通過等效應(yīng)力施加于機架相應(yīng)位置。通過仿真分析得到圖5和圖6所示的機架變形云圖。

可以看出，右偏置單元的最大變形量發(fā)生在裝置支撐結(jié)構(gòu)件的邊緣，最大形變位移為0.314 mm。

居中布置單元最大變形量發(fā)生在中間底部橫梁的中間和安裝立柱的末端，最大形變位移為0.102 mm，根據(jù)T/CEC 340—2020《電力系統(tǒng)預(yù)制艙二次設(shè)備機架通用技術(shù)條件》對二次設(shè)備機架形位尺寸的要求[4]，允許變形量≤1.5 mm，因此機架靜載情況下滿足相關(guān)規(guī)范要求。安裝立柱末端為懸臂梁結(jié)構(gòu)，實際安裝過程中會安裝橫向接地銅排起到加強作用，故無須額外加固。

3.2? ? 機架單元模態(tài)分析

機架結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析可以揭示機架整體的剛度和結(jié)構(gòu)薄弱點，從而有針對性地改進機架結(jié)構(gòu)。

為了驗證機架結(jié)構(gòu)剛度，需通過仿真分析機架單元處于無阻尼自由振動時的固有頻率和振型，參照GB/T 18663.1性能等級DL4、5.3試驗條件相關(guān)規(guī)定和GB/T 2423.10中對試驗方法的要求，有限元分析下得到了如下固有頻率和振型，固有頻率選取了前6階的結(jié)果，如表2所示[5]。

其中偏置式應(yīng)力振型圖如圖7所示，位移振型圖如圖8所示。

分析振型結(jié)果，最大位移為1.0 mm，在無約束的情況下變形位移小于規(guī)范要求的1.5 mm，因此機架結(jié)構(gòu)剛度滿足相關(guān)要求。

4? ? 布線集成優(yōu)化

4.1? ? 機架單元內(nèi)走線優(yōu)化

偏置式單元機架左側(cè)安裝保護測控類裝置和交換機類裝置。內(nèi)部裝置和附件走線通過橫向線槽匯聚到檢修區(qū)域豎線槽，通過線槽流轉(zhuǎn)到端子或其他裝置附件，此部分為軟線。光電纜放置于左側(cè)豎線槽，單元外電纜現(xiàn)階段一般都是帶鎧線纜，放置于機架單元右側(cè)綁線區(qū)域，典型布局如圖9所示[6]。

居中布置機架單元一般安裝通信設(shè)備或預(yù)制光配，此時內(nèi)部接線較少，組屏間線纜從某一側(cè)進入，總體布局如圖10所示。

單元機架底部設(shè)置半開放式走線通道，用于機架單元之間的線纜連接，外部線纜可通過走線通道或直接進入艙內(nèi)電纜夾層連接。

4.2? ? 艙內(nèi)整體走線優(yōu)化

組合機架的接線布局如圖11所示。同列機架內(nèi)部線纜可以通過開放式走線槽盒布線，外部線纜既可通過槽盒端面的進線孔進入，也可從艙底夾層直接進入機架單元的右側(cè)，整體布線層次分明、可操作性強。

5? ? 結(jié)束語

本文介紹的機架結(jié)構(gòu)方案充分考慮了二次設(shè)備艙用方案建設(shè)發(fā)展的可能需求，提供了一種一體化和集成程度高、滿足安全性和規(guī)范性要求的二次艙用機架解決方案，具有一體化設(shè)計更為深入、裝置防誤更靈活、接線集成度更高等特點，能適應(yīng)智能變電站建設(shè)發(fā)展的新趨勢。

[參考文獻]

[1] 張中冠.智能變電站二次設(shè)備模塊化建設(shè)方案研究[J].電工技術(shù)，2017（11）：23-24.

[2] 預(yù)制艙式二次組合設(shè)備技術(shù)規(guī)范：Q/GDW 11157—2014[S].

[3] 張永峰，宋興華.機架式二次設(shè)備預(yù)制艙在模塊化智能變電站中的應(yīng)用[J].中國科技信息，2018（13）：34-36.

[4] 電力系統(tǒng)預(yù)制艙二次設(shè)備機架通用技術(shù)條件：T/CEC 340—2020[S].

[5] 呂志娟，殷帥兵.預(yù)制艙機架結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計[J].機械工程師，2022（6）：132-135.

[6] 金晶，鄭紫堯.智能變電站預(yù)制艙二次設(shè)備布置及走線方案優(yōu)化研究[J].機電信息，2020（29）：56-57.

收稿日期：2023-11-01

作者簡介：陳敏（1990—），男，江蘇南京人，結(jié)構(gòu)工藝工程師，研究方向：電力二次設(shè)備。

本項目由國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司/南瑞集團有限公司/國電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司科技項目資助（任務(wù)書號：2022082201153）