智能變電站線纜敷設設計優化

況驕庭，徐建國，陳晴，吳亮

(浙江省電力設計院，杭州市，310012)

0 引言

與傳統變電站相比，智能變電站電纜用量大為減少，光纜用量逐漸增多，給變電站電纜、光纜(統稱線纜)敷設工程提出了新要求［1-5］。本文從變電站線纜敷設設計的角度，按照“兩型一化”變電站設計要求和全壽命周期理念，研究新技術、新工藝、新材料在變電站線纜敷設工程中的應用，全面提高變電站工程質量。

1 工程優化的重點問題

1.1 優化敷設路徑的布局

(1)開關場電纜敷設路徑：對于空氣絕緣開關裝置(air insulated switchgear，AIS)配電裝置，縱向采用相鄰兩間隔共用1條電纜通道的形式，橫向應盡可能只設置1條通道，并且電纜通道盡量靠近斷路器后方布置，便于斷路器的操作和運行維護；對于氣體絕緣開關設備(gas insulated switchgear，GIS)配電裝置，縱向可以直接通過設備本體走線槽或底座夾層走線，橫向可以僅沿匯控柜平行布置1條電纜通道。合理規劃二次設備室的布局，盡量避免布置在開關場的端部。

(2)二次設備室電纜敷設路徑：在二次設備室位于建筑第1層時，采用電纜溝作為屏柜電纜的進出通道，當光纜或網線較多時可以設置柜頂橋架；在二次設備室位于建筑的第2層及以上時，采用架空活動地板層作為電纜通道，必要時可以在活動地板層設置電纜小支架或吊架，以便于線纜路徑的規劃和綁扎。

主控室或主機房若設置于建筑的第2層，則與其他二次小室之間的電纜敷設通道可以采用豎井或橋架；若電纜光纜較少且高度未超過5 m，則建議采用橋架或簡易豎井，以減少工程量、便于施工安裝。

1.2 合理選擇敷設方式

根據文獻［1］規定，電纜敷設方式有直埋、穿管、電纜溝或隧道敷設、槽盒或橋架敷設等多種方式。

電纜溝或隧道敷設方式是目前應用廣泛的電纜敷設方式，這2種方式便于電纜的敷設安裝、維護和檢修，但工程建設周期長、土方量大，工程質量對設計以及施工工藝依賴度高。對于變電站工程而言，較適合作為永久性建筑，如就地繼電保護小室之間、繼電保護小室與主控通信樓之間的電纜通道。

電纜槽盒或橋架敷設方式體積小巧、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建設，金屬材料槽盒或橋架還有機械強度高、電磁屏蔽效果好等優點。戶外可以用地面電纜槽盒替代常規電纜溝，采用依附于設備本體的走線槽盒替代埋管；戶內可以采用地面橋架或架空橋架。

直埋或穿管敷設方式實施簡單、工程造價低，但電纜的維護和檢修均不方便，不適用于大量電纜敷設的場合。直埋敷設方式防火隔離效果好，適用于站用變高壓或低壓出口的電纜敷設；穿管敷設則適用于設備本體與電纜主通道之間或電纜溝穿道路等場合的電纜敷設［6-10］。

1.3 優化電纜溝的設計

在變電站電纜溝常規設計中，容易出現細節表達不夠詳盡、未能結合施工工藝加以考慮的問題，導致工程質量不高，給電纜敷設以及運行造成嚴重的不良影響。此問題可以通過開展工藝設計得到解決，具體措施如下：

(1)電纜溝以及蓋板的設計實行標準化，減少規格種類；電纜溝長度應設計為蓋板寬度的整數倍，避免切割蓋板。

(2)電纜溝交叉和轉彎處統一采用直角正交式，避免出現異形蓋板。交叉和轉彎處上部設置鋼筋混凝土過梁，下部設倒角。

(3)室外電纜溝底部設排水小溝，縱向由高向低找坡，最低點設置雨水口，接入附近雨水井。

1.4 合理選擇電纜支架與安裝方式

電纜支架按原材料的不同可分為金屬支架、復合材料支架、陶瓷支架等幾種，對于變電站工程，電纜支架的選用一般需考慮以下幾個問題：機械特性、電氣性能、化學性能、工程投資、工藝要求。

鋼制電纜支架機械強度好、工藝簡單，但耐腐蝕性能弱，往往需要進行鍍鋅、刷漆等防腐處理，維護要求高，產品質量外觀較差，工程造價一般。這種支架適用于環境條件好、防腐要求和工藝外觀要求不高的場合。

熱固性、阻燃型復合材料電纜支架技術先進、外表光潔，機械比強度和比模量大、耐腐蝕、絕緣性能優良、全壽命周期綜合效益高，特別適用于污穢地區、腐蝕性環境場所以及工藝外觀要求較高的場合，其良好的工藝外觀以及安裝便利性為工程質量提供了保證。

陶瓷材料電纜支架機械強度、環境耐候性、電氣絕緣性能均較高，但自重較大、造價較高、安裝運輸不便，不適合大量應用于電纜敷設工程，僅在要求非常特殊的條件下應用。

1.5 優化電纜溝內防火分隔

為滿足電力電纜、控制電纜、雙重化繼電保護回路電纜隔離敷設的要求，目前普遍采取的方法是在雙側敷設電纜的電纜溝內安裝水平防火隔板或垂直防火隔板。在實際施工過程中，防火隔板往往整張運送到變電站現場，施工人員根據現場實際情況進行切割，邊緣毛糙，并且采用鐵絲綁扎固定，安裝松散，不方便拆卸。

優化的方法有2種：(1)選用與電纜溝內支架相配套的防火隔板產品，如抽屜式防火隔板；(2)結合電纜敷設方式，采用一體化設計帶防火分隔的組合式電纜槽盒。對于AIS智能變電站工程通常采用第1種方法；對于GIS智能變電站工程，通常采用橋架或槽盒作為電纜通道，既給予線纜更好的保護又便于防火分隔。

2 500 kV吳寧變電站實例分析

2.1 項目介紹

500 kV吳寧變電站是2011年國網基建新技術研究科技項目“智能變電站電纜工程優化設計及應用研究”的依托工程，具有以下特點：

(1)敷設通道設置合理、路徑短、工程量小。500 kV HGIS配電裝置場地每串設置1條電纜通道，布置于邊相主設備與匯控柜之間，HGIS相間場地干凈開闊，有利于運行和檢修。

220 kV AIS配電裝置場地每2個間隔合用1條電纜通道，相鄰間隔的斷路器端子箱鏡像布置。設備線纜采用埋管結合轉接井的形式敷設，不設電纜支溝。與常規設計相比，500 kV吳寧變電站共節約電纜通道765 m。

(2)開關場應用基于防火分隔設計的組合型淺埋式地面電纜槽盒。500 kV吳寧變電站在開關場結合設備基礎，尤其是HGIS大筏板基礎設計，采用基于防火分隔設計的淺埋式地面電纜槽盒。考慮到變電站站址位于東部沿海地區，戶外設施防腐要求較高，因此采用鋁合金制地面電纜槽盒，如圖1所示，該地面電纜槽盒在設計時還考慮了防火分隔、通風散熱以及排水等問題，產品工廠化制造、模塊化組合安裝。

(3)主通道采用隱藏式電纜溝并配置沉降監測。500 kV吳寧變電站大量控制電纜被通信光纜替代，電纜主通道截面減小。為了進一步提高變電站的觀感，將小型化的溝道設置于碎石地坪以下，即隱藏式電纜溝，如圖2所示。為了便于檢修維護，在隱藏式電纜溝沿線以及轉彎處上方設置通道標識，同時還在溝內設置沉降傳感器。

圖1 淺埋式地面電纜槽盒的安裝Fig.1 Installation of shallow ground cable tray

圖2 隱藏式電纜溝敷設Fig.2 Cable laying in concealed channel

(4)采用新型纖維增強復合材料(FRP)電纜支架。500 kV吳寧變電站戶外設施防腐要求較高，從工程全壽命周期考慮，在電纜溝內選擇新型FRP電纜支架，并采用一體式產品外加膨脹螺栓安裝，既降低了施工難度，又免除防腐處理以及后期維護，而且FRP優良的絕緣特性使得支架本身不必接地，光潔平順的外表面不僅提高了拖放電纜的安全性，還提高了工程觀感。

(5)采用模塊化的抽屜式防火隔板。為了確保電纜安全運行，500 kV吳寧變電站針對需要防火分隔的場合設計了抽屜式防火隔板及電纜支架系統，包括帶導軌凹槽的電纜支架、L形抽屜式防火隔板、滾動或滑動機構等，該系統解決了電纜溝內防火隔板切割、安裝以及擴建拆卸等問題。

(6)戶內電纜敷設采用“電纜走底，光纜走頂”的方式。500 kV吳寧變電站繼電保護室內線纜主要為光纖或網線，但光纜和雙絞線都不具備可塑性。為了敷設整齊，采用了從上往下垂直敷設的方式。因此，500 kV吳寧變電站戶內線纜敷設采用“電纜走底，光纜走頂”的方式，即光纜采用柜頂橋架方式敷設，電纜采用電纜溝支架敷設；在主控室以及主機房，由于存在抗靜電活動地板，采用了結合屏柜底部預埋槽鋼做小型電纜吊架的方式，如圖3所示。

圖3 活動地板下電纜敷設Fig.3 Cable laying under movable floor

(7)開展標準化工藝設計。為增強對電纜溝施工關鍵節點和整體觀感的細節控制，500 kV吳寧變電站線纜敷設及相關設計進行了精益化和標準化處理：

1)電纜溝采用浙江省電力公司變電工程標準化工藝設計并結合鋼模板施工，確保了電纜溝的工程質量。

2)細化電纜溝轉彎以及十字交叉處的電纜敷設設計，增加獨立安裝的一體式支架，防止電纜下垂、線纜分層交叉。

3)HGIS電纜走線槽盒與本體一體化設計，一體化安裝。

2.2 技術經濟性

按遠期規模，500 kV吳寧變電站電纜通道常規設計需800 mm×550 mm電纜溝約400 m，1 100 mm×850 mm電纜溝約1 000 m，400 mm× 300 mm電纜溝約500 m。優化設計后使用900 mm× 580 mm隱藏式電纜溝約680 m，800 mm×180 mm淺埋式地面電纜槽盒約440 m，600 mm×180 mm淺埋式地面電纜槽盒約15 m，共節約電纜通道765 m，節約土方量約1 250 m3。500 kV吳寧變電纜工程優化設計后，全壽命周期內費用節省182.3萬元。

3 結論

(1)優化線纜敷設路徑布局是智能變電站電纜、光纜敷設工程優化的基礎。通過設計優化，500 kV吳寧變電纜通道由常規設計的1 900 m減少為1 135 m，經濟效益顯著。

(2)合理選擇線纜敷設方式是智能變電站電纜、光纜敷設工程優化的核心。在實際工程中，需要根據工程技術和環境條件，按照滿足運行可靠、便于維護的要求和技術經濟合理的原則選用最佳敷設方式。

(3)智能變電站較多采用光纜，可選擇槽盒敷設方式以節省工程量。淺埋式地面電纜槽盒可以節省土方、施工便利，顯著縮短建設周期。通過合理配置伸縮節，還能有效解決地基沉降對電纜通道產生的破壞。

(4)FRP電纜支架技術先進、全壽命周期綜合效益高，建議在重污穢地區變電站優先選用。

(5)對于需要在電纜溝內進行防火分隔的敷設場合，采用抽屜式防火隔板及電纜支架系統能夠較好地解決電纜溝內防火隔板切割、安裝以及擴建拆卸等問題。

(6)智能變電站戶內電纜敷設采用“電纜走底，光纜走頂”方式，活動地板層設計小型電纜支架或吊架，減小了地下電纜通道的工程量，光纖敷設整齊美觀。

(7)對于工程質量外觀要求較高的智能變電站工程，戶外主電纜溝可以采用隱藏式電纜溝設計并配置沉降監測。

［1］GB 50217—2007電力工程電纜設計規范［S］.北京：中國計劃出版社，2008.

［2］浙江省電力公司基建部.變電工程標準化工藝設計［M］.北京：中國電力出版社，2010.

［3］GB 50229—2006火力發電廠與變電站設計防火規范［S］.北京：中國計劃出版社，2008.

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