智能变电站光缆与电缆即插即用优化设计

周 颖

（福州万山电力咨询有限公司，福建 福州 350000）

0 引 言

智能变电站最显著的特点是以大量的高度整合的智能化二次设备代替了传统的二次设备，以通信光缆取代了传统的二次控制线缆。已建的很多智能变电站在光缆选择、连接和敷设工艺上，依旧采用传统的电缆施工方式，未能合理利用光缆，造成光缆数量繁多、连接不科学和敷设方法不恰当等问题，影响光纤的传输性能和使用寿命。此外，智能变电站增加了过程层智能终端设备，一次设备机构与智能终端之间连接异常复杂。随着预制光缆、预制电缆等在智能变电站的推广，对光缆、电缆的选择提出了新的技术要求。本文对此展开论述，并提出“即插即用”技术的实施方案。

1 光缆设计优化

1.1 预制光缆及其优点

国内智能变电站一般沿用电力通信施工方案采用光纤熔接方式进行施工，机柜内采用“光纤配线箱+光纤跳线”，机柜之间敷设多芯光缆，光缆两端与光纤配线箱内的预留光纤进行熔接。

该方式的优点是技术成熟，采用传统的工艺即可完成，但存在以下缺点：

（1）采取现场熔纤的方式进行连接，现场安装工作量大，影响施工进度。

（2）熔纤会在机柜内部分纤芯裸露，当受到机械应力时，该部分纤芯可能会发生折断，从而引起通信故障等问题，对智能变电站的运行安全埋下隐患。

（3）现场熔接效果因施工单位工艺水平不同而参差不齐，一方面增加故障隐患，另一方面施工工艺不美观。

基于上述弊端，智能变电站逐步推广应用预制光缆解决方案，即在项目实施时，提前在多芯光缆的两端预先制好多芯集成的光纤连接器插头，并在屏柜中设置与光纤连接器插头对应的多芯集成光纤连接器插座。当光缆敷设完毕后，只需将光纤连接器插头插入相应的光纤连接器插座，即可完成光路的对接，从而有效提高现场工程的施工效率，保证多芯光纤的对接安全性。与传统的光纤熔接方式相比，这种方法更高效、可靠。由于多芯光纤连接器插头需要预制在光缆两端，因此需要现场精确测量，提供每根光缆具体的长度。

1.2 预制光缆的光缆型式选择

理论上，预制光缆可采用任一种型式的光缆。但是，实际工程应用中一般不采用铠装光缆，主要原因如下：

（1）预制光缆两端带有金属的光纤连接器，因此铠装光缆的铠装层两端接地难以实现。若在两端环剥外皮引出接地线后再热缩处理，运输和施工过程中容易造成接地线中断，整根预制光缆需返厂维修。光缆两头环剥后，破坏光缆的完整性，可靠性降低且工艺不美观。

（2）铠装光缆弯曲半径要求10～20倍光缆外径。预制光缆需要在屏柜内弯曲接入免熔接光纤配线箱或连接器安装板，采用铠装光缆在屏柜内安装困难。

目前，国内几个厂家均采用室外玻璃纤维纱光缆。此类光缆中心为非金属加强芯，光纤紧套涂覆结构、阻燃、低烟无卤外护套，光缆中填充玻璃纤维纱达到防鼠咬的功能，具有防鼠咬、阻燃、防潮、防雷击等优点，且相对柔软易于敷设。该型式光缆在通信领域定义为室外光缆。由于无凯装层，电力运行单位往往质疑其能否承受外力机械损伤。针对电力工程应用，相关厂家已研究出改进型室外玻璃纤维纱光缆，如图1所示。与普通型相比，它增加了内外套，具有双层护套，外护套增厚50%，外护套材料加硬，增加撒裂绳根数，大大提高了光缆的机械强度[1]。

图1 改进型玻璃纤维纱光缆

1.3 室外光缆敷设

对于光缆机械防护技术，首先应充分发挥光缆本身固有的自我防护能力，其次在建设施工中给予适当的加强防护措施。但是，如果在外加防护措施具有显著优势和效益时，应该以外加防护技术措施为主，选取较轻便的光缆结构。根据改进型玻璃纤维纱光缆特点，结合电力系统应用情况，建议在室外电缆沟内采用金属槽盒敷设，原因如下：

（1）避免电缆沟架间距过大，小截面光缆下垂，敷设不平整。

（2）智能变电站中光缆是最重要的线缆，采用槽盒敷设，可与其他控制电缆、电力电缆明显区分，方便检修。

（3）光缆本身不发热，在槽盒内可以多层叠放。一般情况下，配电装置区上层沟架安装2个200 mm×100 mm槽盒即可满足要求，双重化的光缆安装在不同的槽盒内。与采用沟架直接敷设相比，可减少层架数量和电缆沟尺寸。

（4）改进型玻璃纤维纱光缆本身具有防鼠咬和一定的机械防护性能，结合采用金属槽盒敷设方式，完全可满足电力运行单位的验收要求。

1.4 预制光缆配置方案

预制光缆的连接有两种方式[2]。

方式一：预制光缆插头—预制光缆插座（另一头分支光缆）—IED设备，适用于屏柜到屏柜两点互联的场合，如图2（a）所示。

方式二：预制光缆插头—免熔接光纤配线箱—屏间分支光缆—IED，适用于一根光缆需分解为多个去向的场合，如图2（b）所示。

图2 预制光缆的连接方式

对于单个去向预制光缆，采用方式一接线，如智能控制柜间电压级联光缆；对于户外到二次设备室保护柜的光缆，采用方式二接线。各间隔屏柜分散布置免熔接光纤配线箱，实现光缆配置优化与即插即用。

2 电缆设计优化

2.1 电缆优化配置目标

智能变电站将大量的电缆以1～2根光缆代替，配电装置区仅有交、直流电缆和少量的装置告警信号电缆，对电缆的优化配置主要集中在一次设备与智能控制柜之间。本文以二次线相对复杂的GIS为例，首先对GIS汇控柜内的各类接线进行分析提出简化方案，再将简化后的机构二次线进行标准化，实现GIS各类机构和智能控制柜的标准接口。

2.2 一次设备智能化二次线优化

2.2.1 断路器信号回路的优化

常规GIS汇控柜内设置了各种报警信号的指示灯，还需要在汇控柜内设置相应的中间重动继电器，线路较为复杂，不利于故障排除。而智能变电站简化了这些设备，只需要在GIS汇控柜内设置智能终端，即可采集断路器、隔离开关、接地开关的状态信号及GIS各种报警信号，并将采集的信号通过GOOSE网络进行远传和共享，在智能终端上显示所有的信号，取消汇控柜内的信息指示灯和中间重动继电器，有效减少设备的维护工作量。

2.2.2 断路器防跳回路的优化

常规的变电站中，两套防跳回路分别位于一次、二次设备，目的是解决两套防跳回路同时使用时配合上出现问题。一般来说，实际使用中要解掉一套防跳回路。随着智能终端的应用，取代了相应操作箱中的防跳回路，智能变电站仅可配置一套防跳回路即可解决该问题。实际应用中，智能终端安装在智能控制柜内，可将其视为智能一次设备的一部分，完成相应防跳回路的工作。实际应用中，智能终端与传统的防跳回路没有差异。与传统的防跳回路相比，智能终端内防跳回路接线更简单，体积更小巧。由于智能终端内部回路设计采用经典的方式，有效保证了防跳功能动作的可靠性。因此，在智能变电站建设中，建议采用智能终端作为防跳回路使用，替代一次设备机构的防跳回路，提高一次设备的集成度和智能化程度。

2.2.3 电气闭锁回路的优化

在常规变电站中，通常由GIS提供本电压等级的完整电气闭锁回路，即包含本间隔的电气闭锁和跨间隔的电气闭锁。智能站能够通过智能终端与过程层网络的GOOSE信息的多播与共享机制来实现跨间隔的电气闭锁，在实际应用中更为简单可靠。因此，当变电站改造、扩建时，仅需要修改或新增与跨间隔装置的配置，即可实现改造升级，且对原间隔没有影响。通过电器闭锁回路优化，取消跨间隔的电气闭锁回路，有效减少了辅助接点的需求量，减少了中间继电器，提高了改造扩建施工效率和施工进度，大大降低了变电站日常运行维护的工作量，起到了良好的应用效果。

2.2.4 断路器位置辅助接点的优化

常规GIS断路器辅助接点一般不少于12开12闭。智能站可减少断路器辅助接点数量，双套智能终端需要辅助接点2开2闭，间隔电气闭锁需要2～3付接点，位置指示需要辅助接点1开1闭，再考虑2开2闭（双重化）备用辅助接点，断路器辅助接点8开8闭即可。

2.2.5 机构压力闭锁回路的优化

断路器机构压力低要闭锁跳、合闸回路。由于机构内能提供原始接点有限，通常变电站会通过加装中间继电器重动的方式，实现跳闸、合闸回路的闭锁控制，并在操作箱中设置压力降低时禁止跳闸继电器1YJJ和继电器3YJJ作为备用。在智能站配置了智能终端的情况下，原来操作箱的功能已由智能终端完成。智能终端延续了原操作箱的配置，也设置了1YJJ和3YJJ回路。智能终端下放汇控柜安装，完全可以取消GIS配置的重动继电器。

智能高压组合电器机构二次线与智能终端优化集成后，二次回路的继电器和信号指示灯大量取消，简化了汇控柜内二次回路回路，减少了现场施工工作量和运行维护工作量，提高了一次设备的集成化程度和智能化程度。

2.3 断路器机构预制电缆配置

预制电缆是指设备出厂前，厂家对设备所需的电缆进行单端或双端配置电连接器而形成的电缆。在智能化变电站中使用电连接器这种接插件连接方式，取代了传统端子排连接方式，可简化柜内的端子接线。同时，各设备厂家按标准对接回路在出厂前将线缆通过电连接器接线，则设备至现场即可实现即插即用，减少现场的安装调试工作量。

建议断路器和隔离开关的电机电源及机构箱的加热器电源采用直流供电。采用直流供电的优点如下：

（1）直流供电的电机提高了变电站的运行可靠性，全站失电时，还可操作断路器或隔离开关。

（2）直流供电后，机构箱的接线均直流接线，避免交直流混缆的情况，提高了运行的可靠性。

断路器机构箱至智能控制柜，可用两根预制电缆实现全部接线。其中，一根用于断路器合闸和第一组跳闸线圈、电机电源回路、断路器辅助接点和告警接点，电缆插接件芯数48芯；另一根用于第二组跳闸线圈和第二套智能终端的断路器位置接点采集，电缆插接件芯数16芯。分相断路器每相机构各引出两根预制电缆。

2.4 隔离、接地开关机构预制电缆配置

隔离、接地开关机构箱至智能控制柜的接线有开关控制回路、电机电源回路、隔离开关辅助接点和告警接点。隔离、接地开关机构箱至智能控制柜可用两根预制电缆实现全部接线。其中，一根用于隔离/接地开关控制回路、电机电源回路、隔离/接地开关辅助接点和告警接点，电缆插接件芯数48芯；另一根用于第二套智能终端的信号采集。如果不需要双重化信号采集，则无第二根预制电缆，电缆插接件芯数16芯。

3 结 论

智能变电站采用预制光缆不仅提高了施工效率，而且较之现场光纤熔接更加可靠。光缆型式采用改进型玻纤光缆，结合电力系统应用情况，建议在室外电缆沟内采用金属槽盒敷设。对GIS二次线进行简化、标准化，各类机构与间隔的智能控制柜采用预制电缆，实现“接口标准化、现场电缆即插即用”，可提高设计、生产效率，并大量减少现场的接线工作。

[1] 中华人民共和国电力行业标准委员会.DL/T1623-2016智能变电站预制光缆技术规范[S].2017.

[2] 刘继彦，宋燕霞，辛 欣.标准配送式智能变电站预制电缆“即插即用”实现方案及敷设方式研究[J].电气应用，2015，（3）：22-26.