03变电站三维设计技术全专业应用与优化汇总Word文件下载.docx
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1.屏柜三维布置；
2.电缆沟和桥架的三维布置；
3.电缆三维分类分层自动敷设；
4.生成任意电缆通道剖面立体图、容积率信息表；
5.生成材料清册和三维敷设成品。
1.暂无防火封堵设计功能；
2.电缆沟架、桥架类型种类有限；
3.软件功能不稳定。
操
作
流
程
1.基于三维的电缆敷设，二次设备布置和通道布置精细；
2.户外电气一次设备接线箱位置可以参考一次三维成品，定位准确；
3.全站平面可以参考土建三维成品，降低布置偏差几率；
1.三维软件操作过程相对繁琐，通道连接人工工作较多，智能性有待提高；
2.全站敷设、设备、桥架分别存储为一个文件，操作时需频繁切换；
3.无法直接识别土建和电气设备，仅能参考其他专业图纸，会有重复定位工作。
设
计
成
品
1.三维电缆敷设成品，可查看所有线缆和桥架信息。
1.成品定制格式可进一步优化；
2.三维成品imodel需要BENTLEY相关软件打开。
深
度
运
用
1.优化线缆通道设计；
2.查看电缆信息及其敷设路径，指导实际施工；
3.成品交付后，提升线缆和通道三维数字化运维水平。
1.底层机制限制了协同设计；
2.路径原则为最短路径，人为改动一些电缆走向较困难；
3.生成三维成品时有错误出现。
表1-3BRCM短期实用化和远期深度提升意见
短期实用化建议
远期深度提升建议
1.提升软件可定制性；
2.提高软件敷设稳定性；
3.提高操作流程友好性；
4.改进切图工具；
5.进电缆、桥架定位导航功能。
1.实体化线缆底层模型；
2.精细化线缆接入点抽象模型；
3.可灵活设置敷设原则；
4.专业间共享协同。
1.3土建三维设计应用与优化
（1）采用BIM技术深化预制墙板，模型直接提取三维加工图，洞口、管线、埋件精确定位，实现加工、安装零误差。
图1-5BIM技术深化预制墙板
（2）利用三维技术，对墙板、结构、管线全方位二次深化，精细设计，提高建设效率。
图1-6建筑物二次深化设计
（3）开关、插座、配电箱、智辅等设施沿墙纵向高度统一为0.3m，1.5m，2.8m，横向距板边尺寸统一为0.3m或居中。
图1-7开关等设施三维设计图
（4）沿墙阴角设置槽盒封舱，即开检修，美观大方。
图1-8槽盒封舱三维设计图
2工程概述
为满足下沙经济技术开发区用电负荷增长的需要，提高电网供电可靠性，给新建的110kV变电站提供合适的电源接入点，规划建设220kV沙南变。
2.1站址概况
站址位于杭州市下沙经济技术开发区22号大街与绕城高速路交叉处西南侧，距离市中心约24公里。
站址东侧约80m处为绕城高速，北侧约90m处为加油站，满足规范要求。
北侧场地地势较平坦，现状为农耕地。
站址气象条件如下：
多年平均气温：
16.2℃
多年平均最高气温：
20.7℃
多年平均最低气温：
-12.8℃
年最大降雨量：
2356.1mm（1954年）
最大积雪厚度约：
30cm
年平均风速：
1.3～2.4m/s
历史最大风速：
28m/s（1967年8月）
离地10m高30年一遇10分钟平均最大风速：
30.5m/s
极端最高气温：
40.3°
C
极端最低气温：
-9.2°
50年一遇洪水位：
5.67m
2.2建设规模
主变规模：
远期3×
240MVA，本期2×
240MVA。
出线规模：
220kV出线：
远期8回出线（全电缆），本期4回出线，分别至文津变2回、至白洋变2回。
110kV出线：
远期14回出线（全电缆），本期6回出线（间隔8个），分别至新港、东区、白洋、七格、开东、下东、智格、月牙（上沙）。
35kV出线：
远期8回出线（全电缆），本期2回出线。
无功配置：
远期每台主变低压侧设置3×
20Mvar低压并联电抗器；
本期每台主变低压侧设置2×
20Mvar低压并联电抗器。
3三维设计特点
三维设计是一种新一代的数字化、虚拟化、智能化的设计平台，是以三维空间技术为标志、数字化技术为纽带，将各专业的设计信息融会贯通，全面提高工程设计的质量和效率的新一代设计技术。
和二维设计相比，三维设计的特点在于“空间”和“数字化”两个方面。
三维设计相比二维设计多了一个维度，因此使其具备了“空间”的概念，具备比二维图像内容更为丰富真实、更加符合人类视觉特性的特点。
三维设计中生成的大量数据（几何数据、属性数据等）、文档、图纸等相互之间均可以实现关联整合，其相比二维中的数据展示来说，呈现出更为强大的、便于管理、计算和使用的数字化特点。
利用空间特点，三维设计可以实现复杂的地下管线布置、电缆优化布置、碰撞检查、施工模拟、可视化展示等内容。
利用数字化的特点，可以实现主接线设计（如从设备属性中抽取主接线需要的主要参数，自动生成主接线参数表等）、电气计算（如防雷计算）、工程量统计、物资上报、施工进度管理、运维管理、数字化移交等内容。
4三维设计特点
5各专业三维设计应用与优化内容
5.1电气一次三维设计应用与优化内容
5.1.1电气一次三维设计应用内容及流程
电气一次的设计主要依托BentleySubstation软件进行，三维设计应用内容如下表所示：
表4-1电气一次应用表
电气一次方案设计、优化及成品输出过程
三维应用内容
1
接线设计
短路电流计算
通过计算模型模板自动生成阻抗图进行短路电流计算
2
设备型号选择
设定过滤参数，进行智能设备选型
3
主接线图绘制
依据典型模板图库，快速绘制二维主接线图
4
编码设计
设备编码设计
进行设备编码，关联接线图和布置图，保证设备的唯一性
5
布置设计
设备快速布置
通过间隔参数设置，进行三维设备批量布置
6
导线拉力计算
参数化绘制导线，并进行导线受力分析，生成受力分析报表
7
导线三维布置
参数化绘制导线
8
防雷计算
支持折线法计算防雷
9
防雷三维布置
快速实现防雷布置并完成防雷出图
10
接地三维布置
实现地下接地网三维布置
11
接地计算
内置接地计算模块，满足计算深度要求
12
优化设计
吊装校验
实现吊装模拟
13
运输校验
实现运输模拟
14
安全净距校验
实现安全净距校验并预警
15
风偏校验
实现动态风偏校验
16
总装检查
碰撞自动校验
实现全站实体模型硬碰撞自动检查并输出结果
17
成品出图
接线出图
在三维平台中实现轴侧图、接线图、断面图出图
18
轴侧出图
19
平面出图
20
剖切断面
21
自动标注
22
防雷出图
23
接地出图
设计流程说明如下：
1）通过绘制计算模型简图，自动生成短路阻抗图，进行短路电流计算。
2）查找设备型号库，设定过滤参数，进行智能设备选型。
3）依据典型模板图库，快速绘制二维电气接线图。
4）设定KKS编码规则，进行智能设备编码设计，并关联二维符号与三维模型。
5）通过间隔参数设置，进行批量设备三维布置。
6）设定导线参数，进行智能参数化导线三维布置。
7）通过集成导线拉力计算程序，实现导线拉力计算。
8）进行防雷计算，开展防雷三维布置；
进行接地计算，开展接地三维布置。
9）在初步方案基础上，开展吊装、运输模拟及安全净距动态风偏校验，优化总平方案布置。
10）通过协同设计，在一次设计成品基础上集成土建、二次专业成品，开展全站碰撞检查校验，完成电缆沟与基础、地下管线等硬碰撞校验。
11）从三维布置图中剖切提取平面图、断面图、轴测图，各种视图相互关联，自动更新。
利用断面图辅助设计工具，自动生成材料统计表，进行智能设备标注、定位标注、标高绘制、安全范围绘制等等。
12）利用防雷模块实现防雷图绘制。
13）实现三维接地网布置图绘制。
全流程应用过程如下图所示。
5.1.2电气一次三维设计方案优化应用
4.1.2.1提出配电装置三维设计方案优化应用流程
一般来说，对于总平面的布置及优化来说，需要在前期可研方案（或通用设计方案）的基础上，明确场地内设备选型的情况下，结合站外出线规划条件和站内各配电装置场地的对接条件，依据规程规范中对场地中各设备间、设备和设施间、设备和导体间、导体和导体间的控制条件，结合施工时的运输吊装条件，进行相关尺寸、高度的优化和校验。
总结以上内容，结合三维设计的特点，提出本工程三维设计布置及优化的步骤如下图所示。
图4.1-2配电装置三维设计优化流程
4.1.2.2提出电气安全净距校验球设置原则
对于配电装置间隔宽度、纵向尺寸、构架高度的优化来说，校验球设置原则如下：
（1）间隔内跨线的相间距离，应满足跨线档距中央及门型构架跳线发生最大相间摇摆时（按非同期摇摆考虑），相间导线不放电；
间隔内跨线的相地距离，应满足门型构架内的边相跳线发生最大摇摆时，不对构架柱放电。
（2）间隔内电气设备相间距离，应满足相间最小电气距离、布置在门型构架下方及附近的边相电气设备不对构架柱放电。
（3）纵向尺寸主要由相邻间隔不停电、本间隔内吊车（出线套管侧）吊装断路器单元、母线或母线设备时，与进出线高压套管均压环满足安全净距的要求而决定。
（4）如果出线套管布置在构架下方，则构架高度需满足GIS套管不带电吊高的要求。
4.1.2.3提出吊装运输通道组织校验流程
提出三维设计开展吊装及运输通道组织的基本流程如下：
图4.1-3吊装运输流程
以吊装为例说明具体三维吊装模拟开展过程：
（1）首先选择需要校验的吊装对象。
明确吊装对象的重量、尺寸等关键吊装信息。
（2）根据设备吊装信息，初步选择满足吊装要求的吊车类型和参数。
（3）根据吊车类型和参数，选择相应的吊车三维模型。
（4）选择关键吊装位置，放置吊车三维模型后，开展吊装模拟。
按照吊装需求设置吊车的吊臂高度、角度。
（5）开展碰撞检查。
软碰撞检查通过带电吊装的要求，设置相应的带电校验球来实现。
（6）判断碰撞检查结果，如果不满足要求，可以选择优化布置方案调整碰撞物体位置等来实现吊装通过；
也可以通过更换吊车选型，采用更大吨位或者吊臂更长角度更大的符合要求的吊车来重新进行吊装模拟。
（7）重复5、6步骤，直到吊装通过碰撞检查。
4.1.2.4开展电缆敷设深化设计
利用BRCM三维敷设软件形成杭州沙南220kV变电站工程三维电缆敷设方案。
在BRCM中实现电缆敷设路径、分层排序、材料统计等，其三维设计深度符合现场施工需求，实现精确指导施工，避免出现电缆敷设深度不够的常见病。
如下图所示为自动生成的电缆详细清册（部分）。
图4.1-6自动生成的电缆详细清册
4.1.2.5开展全站主要设备吊装及运输通道组织校验
本工程采用“大开间”，220kV、110kVGIS设备、35kV开关柜及接地变消弧线圈成套装置共室布置，充分合并共享各电气设备的安装及运维通道，通过对GIS设备不同期间隔建设的合理规划，合理满足各期建设的设备室内运输条件。
全站户内电气设备运输通道组织图下图所示。
图3-2户内站电气设备运输通道组织图
对于变压器室模块，其各电气设备间均直接对外开门，满足变压器、二次屏柜运输条件。
对于主设备室模块，通过各二级模块合理布置，在主设备室中间留出较大空间的主通道，满足GIS、开关柜以及接地变消弧线圈等设备的运输要求。
本期220kVGIS由“大开间”中部开始建设，110kVGIS由“大开间”东侧开始建设。
220kV及110kVGIS留出较大空间，便于施工组织、设备运输、运行维护以及后期扩建。
本工程基于本次“大开间”设计理念，提出采用轨道小车进行设备快速便捷运输的方案。
在“大开间”主通道设置两道地埋内嵌式轨道，利用轨道小车运输电气设备。
其具体的措施如下：
（1）在“大开间”主设备室两个主要的运维通道中间，分别设置两道地埋内嵌式轨道。
同时准备一套配合轨道使用的专用运输小车。
（2）在主要电气设备（GIS、开关柜、接地变消弧线圈成套装置等）上方，设置一定数量的吊钩（根据工程具体布置情况确定）。
（3）当有设备吊装运输需求时，将轨道运输小车移动至待运设备旁，利用屋面梁底预留吊钩，将设备由安装位置吊运至小车上。
（4）启动轨道小车，将设备由室内运输至“大开间”出口处，完成设备的吊运过程。
（5）设备由室外运至安装位置的流程与此相反。
轨道及专用运输小车的布置方案及运输方案效果如如下所示。
图4-2轨式运输方案效果图
根据平面布置，主变压器高压侧正对主变运输道路，主变就位直接利用主变运输道路进行就位。
散热器布置于二次设备室或雨淋阀室的屋顶处，层高4.5m，需采用吊车吊装。
经与厂家调研，散热器重量约为15t，油枕重量约2t，散热器重量远大于油枕重量，主要考虑散热器的吊装。
散热器高度按3.5m考虑，则散热器起吊高度为8m，考虑一定裕度，起吊高度按8.5m考虑。
吊车位于主变运输道路中间，则需要的工作半径为10m。
吊车自高按1.5m考虑，则需要的吊车臂长至少应为13m。
经咨询吊车厂家，散热器需采用80吨吊车，主臂场为18m，工作半径为10m，可吊装21.7t重量的物件，满足散热器吊装需求。
图5-2主变压器散热器吊装三维模拟图
本工程方案设计，35kV电抗器本体利用共享运输通道就位，共享运输通道直接连接主变运输道路。
电抗器散热器屋顶布置可参考主变压器散热器吊装方案，由于电抗器散热器比主变压器散热器重量要小得多，其吊装难度也要小得多，吊装高度与主变压器散热器相同。
电抗器散热器的三维吊装模拟示意如下图所示：
图5-3电抗器散热器吊装三维模拟图
4.1.2.6开展三维精细化设计实现电气一次材料的预制加工和装配施工
应用三维精细化设计“所见即所得，图纸和现场高度一致”特点，将导线、设备引下接地等需现场二次加工的材料，根据三维精细化设计成果，实现“工厂预制化加工+现场装配式施工”，提高施工效率和质量。
5.2电气二次三维设计应用与优化内容
5.2.1变电站三维电缆敷设技术应用情况
近年来，由于传统电缆敷设方法所带来的问题日益凸显以及三维技术的日益成熟，敷设软件的需求日益提升。
目前电力系统常用的敷设三维数字化软件主要有北京博超时代软件有限公司的基于STD平台开发的CAB-R、北京科翼顺驰软件技术有限公司的图形化电缆敷设软件Autolay以及奔特力（Bentley）工程软件公司的BRCM软件等三家公司产品。
其中博超和奔特力的敷设软件是基于三维平台的敷设工具，且可与各自平台的其它专业三维设计软件实现协同互动，AUTOLAY是基于CAD的二维敷设工具，但可实现敷设路径三维化展示。
AUTOLAY基于二维图形，在电厂中已经得到了较为广泛的应用，基于此经验上，通过针对变电站敷设要求的一些开发，经工程验证，沟支架材料统计、缆材长度自动计算等功能已较完善，能够满足统计需求。
博超和奔特力的三维电缆敷设不仅可以实现敷设及材料统计，并且操作过程以三维展示，更直观，但操作复杂，部分功能实现，例如电缆分层敷设等，更多的基于人工操作，工作量极大，因此在较大规模的变电站中应用时，要走通全站电缆，耗时极大，并且软件目前有相当部分操作还不稳定，仅适用于小规模的变电站。
但三维敷设便于查看全站线缆实际分布情况，有效指导施工以及后期改扩建和运行维护工作。
基于应用经验，BENTLEY平台的三维设计效果和效率优于博超，因此选择基于BENTLEY平台的BRCM软件，与全站三维设计配合，开展三维敷设。
随着BRCM软件升级至V8i版本，软件性能有了进一步的提升，目前该软件已经投入实际工程设计工作中。
除了实现传统敷设软件的自动敷设、路径规划、线缆长度和材料统计等功能外，软件所实现的全景三维敷设效果展示可以明确所有线缆敷设路径，有效指导现场施工；
通过软件可以查看全站线缆分布情况，这为改扩建工程和运行维护提供直观的参考，避免线缆局部拥挤的情况。
但三维敷设软件可以解决的问题远不止此，软件的功能未被完全发掘，使用深度不够。
本专题深度利用软件占积率校验和三维电缆分布效果图，优化全站线缆通道，验证敷设方案合理性。
5.2.2BRCM三维电缆敷设软件简介
基于目前的使用深度，BRCM软件电缆敷设的设计流程如下：
图4.2-1BRCM软件操作流程
变电站线缆敷设的主要工作包括：
沟支架设计统计、缆材量统计、线缆自动敷设和路径规划、敷设结果三维展示等。
BRCM可以读取在其它专业基于Substation软件布置的三维设备信息，实现精确定位，通过对电缆沟及其支架、埋管等进行参数化建模、布置，沟通电缆通道，对导入的电缆进行长度计算，统计导出电缆长度和电缆沟支架、光缆槽盒、埋管材料清册，最后根据敷设结果生成全站三维电缆敷设成品文件。
此外，BRCM还能可对敷设通道截面合理性通过容积率检查进行验证，并能直观表示所选缆线的敷设路径，以指导线缆敷设，做到施工设计路径一致。
下面简单介绍BRCM中的主要功能：
（1）电缆自动敷设
导入电缆信息后，在电缆管理器中选择电缆，并锁定，进行自动敷设、计算长度。
图4.2-2电缆自动敷设界面
（2）导出清册和材料表
通过“输出管理器“导出电缆清册、沟支架材料表。
图4.2-3电缆、材料清册自动生成
图4.2-4导出详细清册
图4.2-5导出沟支架材料表
（3）查看通道占积率及线缆统计信息
点击桥架填充率信息，选中想查看的桥架或电缆沟，自动生成截面容积率信息，显示该通道上的电缆类型和数量，容积率等信息。
图4.2-6软件填充率查询工具
（4）形成三维敷设成品
通过创建3DCABLE命令生成全站敷设效果图。
图4.2-7创建三维敷设结果
5.2.3沙南变电气二次三维电缆敷设研究
5.2.4三维数电缆敷设软件改进优化方向
通过深度使用BRCM三维敷设软件，研究沙南变电缆敷设方案，可以总结出BRCM当前的主要优势与不足，主要如下：
表4.2-1BRCM软件优势与不足
针对软件上述不足之处，本节提出三维敷设软件短期推广建议和远期改进建议。
短期实用化推广建议：
1.目前软件操作相对繁琐，软件使用操作友好度方面尚需提升。
例如敷设通道无规则，需人为连接走线通道连接处，实现全站电缆敷设所需时间大于现阶段敷设方法；
2.软件整体定制性开发工作尚需提升，屏柜、电缆沟、材料清册等缺少定制开发工作；
3.软件功能稳定性有待提高，当利用软件进行全站电缆敷设时，由于三维模型复杂，软件卡顿、失去响应现象时有发生；
4.切图工具有待进一步开发改进，目前仅能借助软件自带剪切工具，切图视窗操作困难；
5.电缆、桥架定位导航功能有待进一步改进，对象定位功能有待进一步实用化开发。
远期深度优化提升建议
1.BRCM中线缆实体模型应与实际保持一致，而不是以直线附加直径属性代替线缆实体模型；
2.在软件中设备和桥架通道接线点通过一个三维球体抽象表达，这种方式仅能在一定程度上反应三维接线特性，但是接线点抽象的球体内，软件认为是同一点，这显然是与实际有出入的；
3.敷设原则上，系统的敷设原则是整体最短原则和从设备到桥架通路最短路径原则，实际上在现实情况中有时需要指定通道进行敷设，而不是简单地最短路径敷设；
4.BRCM底层数据模型是基于文件存储和操作的，并非基于统一的共享数据库，仅能通过文件的参考或IMODEL文件的导出导入实现工程
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