“前接线、前显示”电力二次设备结构形式分析

顾锦书，俞春林，袁涤非

(南京国电南自自动化有限公司，南京 211153)

1 问题的提出

随着经济社会的高速发展，能源需求越来越大，电网建设的工程质量及工艺要求越来越高，传统变电站的建设模式已无法适应新的要求。另外,城市土地和空间资源越来越稀缺，电网工程征地将会越来越困难且土地成本越来越高。

为解决传统变电站建设模式存在的占地多、现场施工量大、周期长等问题，在传统方案的基础上进行优化，国家电网公司提出了新一代智能变电站的建设新模式，大力推行“标准化设计、工厂化加工、装配式建设”[1]。以预制舱(外形如图1所示)替代保护小室，将电力二次设备集成于预制舱内，在工厂完成生产、调试，整体运输至变电站就位，实现预制舱的“即装即用”。该方式可有效提升工艺质量、缩短现场施工周期、节省变电站占地面积、提高工程建设质量。

图1 预制舱外形示意

新一代智能变电站实施初期，舱内二次设备为传统的“前显示、后接线”方式(如图2所示)，组屏进舱后需在其前后方都留有操作空间。因此，只可将机柜单列布置于狭窄的舱内(如图3所示)，无法高密度配置。因此，如何将电力二次设备双列布置于舱内，使舱内空间得到最大化利用，从而达到减少预制舱使用数量，减少变电站占地面积，推动变电站小型化建设的目标，成为行业研究的重点。

图2 “前显示、后接线”二次设备示意

图3 舱内机柜单列布置示意

2 “前显示、后接线”二次设备

2.1 装置介绍

“前显示、后接线”电力二次设备的特点：装置前侧为人机交互界面，可进行定值设置、状态监测、系统调试等；装置背侧为插件及接线区域，可进行插件更换、节点测试、走线布局等。该结构形式装置的界面、功能与接线操作分属装置前后两侧。

2.2 工程实施

结合该装置的应用特点，在舱体不做改动的情况下，传统“前显示、后接线”的电力二次设备只能以机柜为集成单元单列布置于舱内中间位置(如图3所示)，导致预制舱舱内空间利用不充分，间接导致变电站内预制舱数量增加，变电站占用土地面积增加。

为使舱内空间得到充分利用，机柜须靠内墙面双列布置，为便于两列机柜内装置的线缆互连，须将装置接线区朝向舱内(如图4所示)。但不足之处在于机柜靠内墙侧没有开门及操作空间，所以在舱体两侧与机柜对应位置必须开设舱门用以维护(如图5所示)。

图4 舱内机柜双列布置示意

图5 舱体两侧开设舱门示意

在实际工程应用时，因为人机交互界面及接线分属舱体内外，无论接线或调试，工作人员均需绕行于舱体内外，严重影响工作效率，调试工作难以开展；为了能在雨、雪等恶劣天气条件下实现安装、维护等工作，需在舱体外侧安装防雨(蓬)设施，在增加相应制造成本的同时又浪费了现场空间；开设与机柜数量一致的舱门导致舱体的制造成本上升、美观度降低且不利于舱体外侧Logo及产品名称的喷涂；舱门的开设破坏了舱壁的密封整体性，导致舱体防护等级、防火等级及抗冲击能力下降。

因此，舱内二次设备须设计为板前安装、板前接线、板前操作形式。

3 “前接线、前显示”二次设备

3.1 装置介绍

将电力二次设备的人机界面、功能操作、硬件配置等都设计于装置前侧，装置的监测、行线、调试等所有功能都在前侧完成，装置背部无需留有空间，实现电力二次设备的板前安装、板前接线、板前操作，其称为“前接线、前显示”二次设备(如图6所示)。

“前接线、前显示”二次设备在预制舱内的应用可以解决上述系列问题。

3.2 结构形式

为满足使用要求，实际操作中人机交互模块须开启让出空间，露显其后方的插件及其接线端子即可完成前安装、前接线、前操作及维护工作(如图7所示)。

图6 “前接线、前显示”二次设备结构示意

图7 “前接线、前显示”二次设备操作示意

因此，该形式装置的人机交互模块须具备开合功能，而开合方式有多种，如左右翻转、上下翻转、分离式、上下平移等。针对电力二次设备的应用特点，选择合理、可靠的人机交互模块开合方式为“前接线、前显示”二次设备的关键。

3.3 开合方式

3.3.1 左右翻转

人机交互模块与装置本体之间采用铰链连接实现其开合，将铰链置于装置本体左、右单侧架空板上，人机交互模块可以向左或向右旋转打开，实现人机交互模块的左、右翻转式开合(如图8所示)。

图8 左右翻转结构示意

该形式在结构上可实现“前接线、前显示”装置的基本功能，考虑单机调试及装置组屏后的使用特点，分析该形式存在如下缺点。

(1)侧翻旋转半径过大，组屏后当人机交互模块打开后，会伸出到柜门外侧，占据大量空间，不便于舱内的调试。

(2)在机柜中人机交互模块打开角度只能略大于90°，影响靠近旋转轴一侧的插件插拔。

(3)当装置置于桌面单机调试时，在人机交互模块旋转半径以内，桌面不可放置器件，否则会产生干涉，存在安全隐患。

3.3.2 上下翻转

将人机交互模块设计于装置前部，以人机交互模块上方的旋转轴为固定点，固定于装置前部的架空板上，通过旋转轴及锁定机构实现人机交互模块的上下翻转式开合(如图9所示)。

图9 上下翻转结构示意

该形式在结构上可实现“前接线、前显示”装置的基本功能，但当装置组屏后仍存在以下缺点。

(1)人机交互模块向上旋转打开后，与柜内封板干涉，无法让出插件插拔的空间。该方案可通过将机柜中与人机交互模块平齐安装的封板向后平移，增大旋转角度，但这样影响机柜的整体美观性，也减少了装置的前部接线空间(如图10所示)。

图10 组屏示意

(2)人机交互模块打开后，操作人员无法从机柜前方直视人机交互模块上的操作界面，不利于组屏后调试等工作的开展。

(3)当人机交互模块向上打开后会与装置上方的走线槽盒等附件产生干涉，需对机柜做改进设计，导致机柜种类繁多，不利于“前接线、前显示”装置的推广应用。

3.3.3 分离式

将人机交互模块与装置本体之间相互分离独立设计，装置组屏以后，再将人机交互模块直接安装于机柜上(装置前侧)，组屏后最终实现“前接线、前显示”装置的相关功能。

该形式在组屏后，实现了装置的前接线、前显示，但其为分离式设计，存在以下缺点。

(1)功能完整的产品一分为二，在生产、调试、运转过程中，为确保产品的统一，需额外增加分类的工作量，降低效率。

(2)组屏调试时，需卸下人机交互模块，但人机交互模块又需电气连接，故不便摆放及固定人机交互模块。

3.3.4 上下平移式

将人机交互模块设计于装置前部，固定于装置前方两侧的架空板上，通过运动及锁定机构，实现人机交互模块的上下平移式开合(如图11，12所示)。

图11 上下平移结构示意1

图12 上下平移结构示意2

该形式的装置可实现“前接线、前显示”装置的功能，该形式具有如下特点。

(1)人机交互模块开启度大，开启后的人机交互模块与装置本体平行，接近性好。

(2)人机交互模块开启后占用的外部空间较小(如图12所示)，与装置上、下等4个方向的物体均无干涉，组屏后不占用机柜前部空间。

(3)人机交互模块开启后可正视人机界面，视线无遮挡(如图12所示)。

3.4 综述

基于上述分析可知，“前接线、前显示”二次设备采用上下平移式设计方式更具合理性，更符合预制舱内二次设备的使用习惯。

4 结束语

本文提出了一种“前接线、前显示”二次设备的结构设计方案，其用于预制舱内可最大化利用舱内空间，相较于传统二次设备，舱内二次设备容量是原设计的2倍，使变电站内预制舱的使用数量减少一半左右，进一步减少了变电站的土地占用面积，为国家电网公司推广新一代智能变电站小型化建设奠定了技术基础。

同时，本文给出了几种“前接线、前显示”二次设备的实现方式，对比其各自的优缺点，得出上下平移式结构更加合理、可靠，可为“前接线、前显示”二次设备的推广和应用提供借鉴。