スマート変電所におけるプレハブキャビン型二次設備の一括構造レイアウトの応用
1. 二次设备预制舱的空间利用率和运维便利性主要影响因素
1.1 前接线保护装置的发展完善程度
前接线保护装置对预制舱的应用影响主要集中在三个方面：开关柜的布局、预制舱内的舱体组合形式以及现场施工的工作量。当前接线装置发展不完善时，采用传统的开关柜结构。例如，安徽的220kV青竹变电站采用单舱单排模式，湖北的110kV渭城变电站采用双舱双排模式。在这两种模式下，舱内可以放置的开关柜数量相对较少。
为了提高舱内的空间利用率，后续项目也尝试了单舱双排模式。例如，重庆的220kV大石变电站采用了单舱双排模式，±800kV灵州换流站则采用了单舱双排模式并增加了舱体尺寸。这四个项目的舱体尺寸及现场施工量信息统计如下。
单舱双排模式可以容纳近两倍于单舱单排和双舱双排模式的开关柜数量。此外，它还具有无需现场拼接、舱内无需布线、舱体成本低等优点。然而，在单舱双排模式下，设备维护只能通过打开舱体侧壁门或增加舱体尺寸来进行。舱外维护无法满足全天候维护要求；增加舱体尺寸不仅会增加运输成本，还对道路的通行能力有更高的要求。
1.2 开关柜的尺寸
目前，舱内开关柜的尺寸包括800×600×2260、600×600×2260、600×900×2260等。在相同规格的预制舱内放置开关柜时，减小开关柜的尺寸可以有效增加可放置的柜子数量。
1.3 舱内电缆布置方式
在二次设备舱内需要铺设各种电缆，如电源电缆、光缆、跳线等。舱内的电缆布置方案主要有三种：在舱顶设置配线架、在舱底设置配线架、以及两者结合的方式。在这三种方法中，舱内均使用开关柜结构，并且电缆布置工作需要在开关柜就位后进行。
此外，电缆穿插在舱体结构与开关柜之间，给后续电缆维护工作带来不便。比较常用的在舱底设置电缆夹层的方案要求在电缆维护过程中必须先抬起防静电地板，然后在狭窄的空间内进行操作。这导致工作量大，施工周期长。
1.4 终端及开关柜的长期扩建改造
二次设备舱内的长期扩建改造工作主要采用后期新增开关柜再连接电缆的方案，或将空柜提前放置到位，在改造期间进行柜内设备的安装和布线工作。前者工作强度高，后者受舱内狭小空间限制，导致改造周期较长。
从1.1-1.4节的分析可以看出，影响二次设备舱内空间利用率和运维便利性的主要因素集中在前接线装置和开关柜的结构形式上。鉴于前接线装置已经逐渐成熟并普及，应对开关柜的结构形式进行优化研究。此外，还需研究舱内设备运维工作的便利性，以实现高效快捷的运维工作。
2. 二次设备集成结构布局的研究
针对上述问题，提出了一种基于集成结构布局的开关柜优化方案，以解决舱内空间利用率低和开关柜难以安装入舱的问题。提出了开放式电缆布置方案的研究与设计，以解决光缆和电源电缆的安装和维护困难问题。
2.1 二次设备集成结构尺寸
以III型舱为例，其外部尺寸为12200×2800×3133，防静电地板厚度为250mm。
2.1.1 结构高度
舱内净高为2670mm。根据功能分区，舱内高度从下到上分为三部分：防静电活动地板的高度、集成结构的高度和附着安装部件的高度。去除防静电活动地板的高度后，剩余高度为2420mm。参考传统开关柜的高度，将集成结构的高度分配为2300mm，附着部件的高度为120mm。
2.1.2 结构宽度
在传统的前接线开关柜中，设备端子水平排列并安装在柜底，安装数量有限。为了便于后续设备的运维工作并缩短设备与端子之间的连接路径，将端子垂直排列在设备右侧。
2.1.3 结构深度
为了满足不同厂家设备的安装深度要求，结构单元的深度参照传统配电盘的深度设计为600mm。同时考虑到取消柜门后深度减少并采取必要的防误操作措施，结构单元的深度为550mm。
2.1.4 总结
通过以上分析，预制舱内单个结构单元的尺寸为2300×700×550。使用这种尺寸结构后，舱内开关柜的空间布局可以达到最大利用率。
2.2 集成结构内部二次设备布局
2.2.1 结构单元的模块化分区方案
在结构单元内部，参照现有的开关柜设备安装方式，从上到下分为三个部分：空气开关安装区、设备安装区和附件安装区。其中，设备安装区从左到右分为设备安装区和设备维护区。
2.2.2 设备安装区的高度设计
为了增加单个结构内部安装的设备数量，首先统计结构内部要安装的设备高度。保护装置为4U或6U高，开关和电缆绕线架多为1U高。以220kV电压等级以上的间隔内安装2个开关为例，4U的高度可以满足2个开关和1个电缆绕线架的安装要求。
智能设备的硬压板和按钮配置为：保护装置2个硬压板和1个复位按钮；测量控制装置3个硬压板和1个复位按钮。4U安装面板最多可以排列2行，每行9个硬压板或按钮。因此，4U面板可以满足6个保护装置或4个测量控制装置的安装要求。
2.3 集成结构运维便利性设计研究
2.3.1 结构单元的人机工程学设计
根据站立状态下维护人员视野的分析，人的视点大约在1.5-1.6m之间，最佳视野范围在水平视点上下10°范围内，即设备的安装高度在1215-1920mm之间，高度为700mm。根据上述高度要求并结合分析数据，采用“6模块”设备排列方式可以获得最佳的操作体验。
开放式维护通道方案包括三个部分：结构单元内部、同排结构单元之间以及舱内布线通道。
结构单元内部的开放式维护通道。在设备安装区右侧设置相同高度的设备维护区，放置端子排。采用光电分离的电缆布置方案，左侧垂直安装跳线和通信电缆，右侧垂直安装电源电缆。
同排结构单元之间的开放式维护通道。采用“7”字形柱结构，使同排结构单元的立柱形成连续开放的电缆布置通道。将同排的光缆和电源电缆布置通道从防静电地板下方移到防静电地板上方。
舱内电缆交叉通道（两排结构单元之间）。在两排结构单元之间的防静电地板下方设置少量配线架。在进行两排之间的电缆维护工作时，只需抬起舱宽方向上的少量防静电地板，工作人员可以站在其他防静电地板上进行电缆夹层内的维护工作。此外，配线通道顶部的防静电地板可以采用透明导电玻璃或标记标识，以实现快速定位。
3. 结论
本文针对现有预制舱产品存在的问题进行了研究，并创新性地提出了一种与预制舱集成的结构，达到了预期的效果。通过研究得出以下结论：
集成结构替代了传统的开关柜，舱内可放置的柜子数量增加了12-17%。如果调整舱门位置，可以增加28-37%。
结构内部设备区域采用“6模块”排列方式，提高了结构内部的空间利用率，便于观察和操作。
全路径开放式电缆布置通道的设计大大减少了电缆运维的工作量和难度。
