基于三維設(shè)計的戶外配電裝置優(yōu)化應(yīng)用

(中國能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計院有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

目前變電工程設(shè)計主要采用二維設(shè)計軟件輔助設(shè)計，設(shè)計人員需要依靠空間想象能力和多角度斷面圖完成三維空間的校驗工作，繪圖工作量大，重復(fù)勞動多，設(shè)計精細(xì)度和質(zhì)量無法有效管控。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，三維設(shè)計軟件平臺越來越多地應(yīng)用到變電工程設(shè)計中，三維設(shè)計可實現(xiàn)多專業(yè)協(xié)同工作，提供直觀的空間設(shè)計環(huán)境，將設(shè)計人員從重復(fù)勞動中解放出來，集中更多的精力投入到方案優(yōu)化和設(shè)計創(chuàng)新上[1-4]。

變電站戶外配電裝置因配電裝置型式、設(shè)備選型和布置方案的多樣性，根據(jù)不同工程特點具有多樣的方案組合，目前工程應(yīng)用中主要采用國家電網(wǎng)公司通用設(shè)計方案進(jìn)行方案設(shè)計[5]。隨著“兩型一化”理念的推廣，基于通用設(shè)計方案的優(yōu)化工作已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)研究的重點，三維設(shè)計技術(shù)因其優(yōu)越的多專業(yè)協(xié)同能力和空間可視性可在戶外配電裝置優(yōu)化中發(fā)揮重要的作用。

1 戶外配電裝置三維設(shè)計優(yōu)化流程

1.1 優(yōu)化流程

本文提出一套戶外配電裝置三維設(shè)計優(yōu)化流程，見圖1，主要內(nèi)容如下：

1)確定配電裝置型式和設(shè)備布置方案

根據(jù)工程特點和場地條件確定配電裝置型式和主要設(shè)備布置方案。常見戶外配電裝置型式主要有三種：氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(gas insulated switchgear，GIS)、HGIS、空氣絕緣開關(guān) 設(shè) 備 (air insulated switchgear，AIS)。GIS 主要有一字型、Z字型、L型和U型等布置方案；HGIS主要有一字型、C型、半C型等布置方案；AIS主要有高型、半高型和中型等布置方案。

2)建立初步的三維模型，確定優(yōu)化方向

利用已有的原始數(shù)據(jù)建立初步的三維模型，主要有兩種方式：一是可以根據(jù)工程特點選取通用設(shè)計方案進(jìn)行建模；二是直接選取類似工程的三維模型作為基礎(chǔ)模型。

配電裝置的優(yōu)化主要針對間隔寬度、設(shè)備間距、縱向橫向尺寸、構(gòu)架高度等方面。

3)選取關(guān)鍵控制點，確定三維校驗半徑

關(guān)鍵控制點選取以滿足配電裝置正常運行為前提，考慮場地條件、不同工況下的電氣距離要求，選取設(shè)備邊緣、導(dǎo)線邊緣帶電部分作為三維校驗點并根據(jù)規(guī)程規(guī)范要求的最小安全凈距確定校驗半徑。

4)三維碰撞校驗，調(diào)整優(yōu)化方案

根據(jù)關(guān)鍵控制點三維校驗結(jié)果調(diào)整安全凈距校驗裕度，提出優(yōu)化方案并反復(fù)校驗，多專業(yè)協(xié)同工作優(yōu)化調(diào)整直至方案滿足要求。

5)設(shè)備吊裝模擬校驗，修正優(yōu)化方案

針對優(yōu)化后的方案進(jìn)行三維吊裝模擬校驗并修正方案。

6)確定布置方案，輸出優(yōu)化結(jié)果

1.2 關(guān)鍵要點

1.2.1 關(guān)鍵控制點的選取原則

1)電氣設(shè)備相間帶電距離校驗選取指向相鄰相設(shè)備方向的設(shè)備邊緣帶電部分；相地帶電距離校驗選取指向最近接地部分的設(shè)備邊緣帶電部分。

2)跨線、跳線的相間帶電距離校驗選取指向相鄰相導(dǎo)線的導(dǎo)線(或均壓環(huán))邊緣帶電部分；相地帶電距離校驗，選取指向最近接地部分的導(dǎo)線(或均壓環(huán))邊緣帶電部分。

3)設(shè)備吊裝模擬時帶電距離校驗，選取相鄰間隔內(nèi)最接近設(shè)備邊緣、頂部跳線、相鄰懸垂串均壓環(huán)邊緣帶電部分。

1.2.2 校驗半徑的選取原則

1)根據(jù)DL/T 5352《高壓配電裝置設(shè)計技術(shù)規(guī)程》《電力工程電氣設(shè)計手冊》等規(guī)程規(guī)范確定屋外配電裝置和屋外軟導(dǎo)線在不同條件下帶電部分至接地部分及不同相帶電部分的最小安全凈距[6-7]。

2)根據(jù)站址海拔、風(fēng)速條件等因素修正相關(guān)設(shè)備和導(dǎo)線電氣距離校驗半徑。

2 實施方案

本文以某沿海地區(qū)500 kV變電站工程初步設(shè)計階段戶外配電裝置優(yōu)化過程為例詳細(xì)闡述基于三維設(shè)計的戶外配電裝置優(yōu)化流程，實施方案采用Bentley三維設(shè)計平臺開展多專業(yè)協(xié)同設(shè)計，其中電氣專業(yè)負(fù)責(zé)設(shè)備和導(dǎo)地線建模，結(jié)構(gòu)及建筑專業(yè)負(fù)責(zé)構(gòu)支架、場地和建筑物建模。

2.1 工程概況

站址位于沿海地區(qū)，海拔小于1 000 m，離地10 m高，50 a一遇10 min平均最大風(fēng)速取37.0 m/s，戶外電氣設(shè)備電瓷外絕緣爬電距離按照國際d級污區(qū)設(shè)計。

本實施方案中500 kV遠(yuǎn)景出線8回，其中2回出線裝設(shè)高壓并聯(lián)電抗器，采用戶外HGIS設(shè)備，可研方案按照國家電網(wǎng)公司500 kV智能變電站通用設(shè)計500-B-5方案[5]，間隔寬度27 m/28 m (帶消防環(huán)路)，場地橫向尺寸184 m，縱向尺寸102.5 m，500 kV配電裝置平面布置圖見圖2。

2.2 設(shè)備布置優(yōu)化

可研方案采用戶外HGIS配電裝置，3臺斷路器一字型排列，典型間隔斷面圖見圖3(a)，配電裝置母線構(gòu)架縱向尺寸30.5 m?？紤]到HGIS布置較為靈活，3臺斷路器的相對位置可調(diào)整，結(jié)合運檢維護(hù)便利性和側(cè)向出線的需求，本文提出戶外HGIS半C型布置方案，見圖3(b)。該方案中兩個出線套管一個布置于中間位置與常規(guī)一樣通過上層跨線出線，另外一個布置于母線外側(cè)直接向外出線，避雷器之間通過GIL分支母線連接完成一個半斷路器接線，母線構(gòu)架縱向尺寸僅由側(cè)向出線間隔寬度決定，由30.5 m優(yōu)化至24.5 m，優(yōu)化過程見下文。

2.3 配電裝置間隔寬度優(yōu)化

2.3.1 基于設(shè)備均壓環(huán)相間及相地距離校驗

1)均壓環(huán)尺寸調(diào)研及三維建模

經(jīng)與廠家調(diào)研，500 kV避雷器、電壓互感器、HGIS設(shè)備套管均壓環(huán)建模直徑分別為2 m、1 m、1.6 m。根據(jù)可研方案，500 kV戶外HGIS配電裝置間隔寬度為27 m，出線相地距離6 m，相間距離7.5 m，以避雷器均壓環(huán)外側(cè)帶電部分為控制點，電氣距離校驗見圖4(a)，圖中避雷器相地距離校驗裕度約457 mm，避雷器相間距離校驗裕度約1 250 mm。

2)基于電氣距離校驗裕度控制的間隔寬度優(yōu)化

以500 kV避雷器為例，考慮一定的施工誤差和不確定因素，電氣距離校驗裕度控制在200 mm左右，進(jìn)而將500 kV出線間隔相間距離優(yōu)化為6.5 m、相地距離優(yōu)化為5.75 m，出線間隔寬度優(yōu)化至24.5 m，電氣距離校驗結(jié)果見圖4(b)，圖中避雷器相地距離校驗裕度約176 mm，避雷器相間距離校驗裕度約251 mm。

2.3.2 500 kV跨線、跳線電氣距離檢驗

1)基本輸入條件

絕緣子串：根據(jù)站區(qū)污穢條件，選用40片XWP雙傘型耐張絕緣子，絕緣子串長度為λ=7 625 mm。

導(dǎo)線：跨線、跳線選擇雙分裂耐熱鋁合金導(dǎo)線 (2×NAHLGJQ-1440)，直徑r=52 mm，分裂間距d=400mm。500kV跨線檔距l(xiāng)0=24.5 m，弧垂f= 1.8 m，構(gòu)架柱直徑b= 650 mm。

設(shè)計風(fēng)速：站址離地10 m高，50 a一遇的10 min平均最大風(fēng)速為37 m/s，上跨線高度33 m，經(jīng)過換算該高度下10 min平均最大風(fēng)速為45 m/s。

2)風(fēng)偏搖擺電氣距離計算

根據(jù)上述基本輸入條件進(jìn)行跨線、跳線風(fēng)偏搖擺條件下電氣校驗距離計算，結(jié)果見表1(計算方法參照《電力工程電氣設(shè)計手冊 第一冊：電氣一次部分》公式附10-5～44[7])。

3)風(fēng)偏條件下電氣距離校驗

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)，考慮風(fēng)偏工況，跨線相地電氣校驗半徑選取5 032 mm，相間電氣校驗半徑選取5 215 mm，見圖5(a)，跨線相關(guān)電氣距離滿足要求。跳線電氣距離校驗時選取在最大工作電壓計算風(fēng)速45 m/s工況，相地電氣校驗半徑選取7 550 mm，相間電氣校驗半徑選取8 350 mm，結(jié)果見圖5(b)，校驗球發(fā)生碰撞，不滿足校驗要求。針對此情況，本文提出采用V型懸垂絕緣子串控制出線跳線風(fēng)偏(V型懸垂絕緣子的嵌位功能可基本消除跳線橫向風(fēng)偏)，以V型串底部均壓環(huán)為控制點進(jìn)行校驗，三維校驗結(jié)果見圖5(c)，校驗結(jié)果滿足安全凈距要求。

2.3.3 間隔寬度優(yōu)化結(jié)果

綜合設(shè)備相間及相地距離校驗、導(dǎo)線風(fēng)偏搖擺控制等校驗并對跳線風(fēng)偏采用V串控制的結(jié)論，500 kV配電裝置間隔寬度可優(yōu)化至24.5 m，相間距離取6.5 m (可研方案7.5 m)，相地距離取5.75 m (可研方案6 m)。

2.4 配電裝置縱向尺寸優(yōu)化

500 kV配電裝置縱向尺寸影響因素主要有：管母線相間電氣距離和相地電氣距離；跳線、引下線等電氣距離；高壓并聯(lián)電抗器場地(以下簡稱“高抗場地”)的尺寸控制；設(shè)備間運檢吊裝距離的控制。

2.4.1 母線構(gòu)架寬度優(yōu)化及校驗

根據(jù)結(jié)構(gòu)專業(yè)構(gòu)架計算及三維建模結(jié)果，構(gòu)架采用單柱+A型柱+單柱組合型式，結(jié)合半C型布置進(jìn)線型式，母線相地距離按照5.5/7 m控制，相間距離按照6 m控制。

根據(jù)上述參數(shù)建模并進(jìn)行電氣距離校驗，控制點選取跳線、母線懸垂串均壓環(huán)外部帶電部分，校驗半徑選取4 550 mm (根據(jù)DL/T 5352高壓配電裝置設(shè)計技術(shù)規(guī)程規(guī)定的最小安全凈距)，校驗結(jié)果見圖6。圖6(a)中可以看出母線相間電氣距離、母線與構(gòu)架柱電氣距離滿足校驗要求；圖6(b)中母線電氣距離校驗球與進(jìn)出線跳線發(fā)生碰撞；圖6(c)中進(jìn)出線跳線校驗球與母線橫梁碰撞。為解決母線、進(jìn)出線跳線相關(guān)電氣距離不足問題，本文選用XWP三傘型耐張絕緣子串，在滿足爬電距離條件下，耐張絕緣子串片數(shù)可減少至34片(絕緣子串長度減小為λ= 6 540 mm)。優(yōu)化后母線架構(gòu)電氣距離校驗結(jié)果見圖7，采用三傘型絕緣子后，圖中相關(guān)電氣距離校驗均滿足要求。

2.4.2 高抗場地的優(yōu)化

實施方案中高抗與所接線路考慮一同投退，取消高抗隔離開關(guān)，500 kV避雷器和電壓互感器采用可拆卸型支架，高抗運輸通道與500 kV HGIS運輸?shù)缆泛喜?，在避雷器與電壓互感器之間設(shè)置高抗本體上附件的吊裝通道，取消可研方案中高抗場地運輸外環(huán)路。高抗場地縱向尺寸由26.5 m優(yōu)化至17.5 m，橫向尺寸由76 m優(yōu)化至68 m，優(yōu)化前后高抗場地平面示意圖見圖8。

2.4.3 設(shè)備間運輸?shù)跹b校驗

可研方案中500 kV戶外HGIS采用常規(guī)一字型布置方案，母線構(gòu)架兩邊下方設(shè)置兩條4 m寬的內(nèi)環(huán)道路用于HGIS設(shè)備運輸和吊裝，高抗場地設(shè)置一條4 m寬道路用于高抗回路設(shè)備運輸和吊裝，見圖2和圖3(a)。實施方案中選用半C型HGIS設(shè)備，取消主變進(jìn)線側(cè)構(gòu)架下方內(nèi)環(huán)路，出線側(cè)設(shè)置4 m寬內(nèi)環(huán)路，線路側(cè)邊斷路器利用出線側(cè)道路吊裝，主變側(cè)邊斷路器、中間斷路器通過大噸位吊車(停留在主變側(cè)道路上)吊裝，吊裝時僅需斷路器上方母線停電，見圖3(b)。高抗運輸與HGIS共用出線側(cè)構(gòu)架下方的內(nèi)環(huán)路，吊裝通道采用避雷器與電壓互感器之間道路，見圖8。在三維模型中對500 kV配電裝置主要設(shè)備運輸?shù)跹b空間進(jìn)行校驗，校驗點選取帶電母線邊緣，校驗半徑選取3 800 mm，見圖9。

2.4.4 縱向尺寸優(yōu)化結(jié)果

500 kV配電裝置母線構(gòu)架梁寬度由30.5 m優(yōu)化為24.5 m，高抗場地縱向尺寸由26.5 m優(yōu)化為17.5 m，配電裝置縱向總尺寸由102.5 m優(yōu)化至80 m。

2.5 優(yōu)化結(jié)果

實施方案中500 kV戶外HGIS采用半C型布置方案，通過對間隔寬度、縱向尺寸及高抗場地優(yōu)化并進(jìn)行三維校驗，結(jié)合電氣設(shè)備運輸?shù)跹b校驗結(jié)果確定最終優(yōu)化方案，電氣、結(jié)構(gòu)及建筑多專業(yè)協(xié)同設(shè)計實現(xiàn)模型的動態(tài)調(diào)整和驗證，優(yōu)化后500 kV配電裝置軸測圖和平面布置圖見圖10。500 kV配電裝置橫向尺寸由可研的184 m優(yōu)化為168 m，壓縮16 m；縱向尺寸由可研的102.5 m優(yōu)化為80 m，壓縮22.5 m；優(yōu)化后的500 kV配電裝置占地面積11 690 m2比可研的15 998 m2節(jié)約了4 308 m2，減少約27%。

3 結(jié)語

本文結(jié)合三維技術(shù)優(yōu)越的多專業(yè)協(xié)同能力和空間可視性提出一套戶外配電裝置三維設(shè)計優(yōu)化流程，以某沿海地區(qū)500 kV變電站工程為應(yīng)用案例，結(jié)合三維模型詳細(xì)介紹500 kV戶外HGIS配電裝置布置、間隔寬度、縱向尺寸及吊裝模擬的優(yōu)化過程，采用三維設(shè)計手段進(jìn)行充分的比選驗證，說明三維設(shè)計在變電工程具有良好的應(yīng)用前景。與此同時，變電工程三維設(shè)計在關(guān)鍵點自動抓取、自動校驗、數(shù)字化交付、多軟件平臺整合和設(shè)計效率提升等方面仍需要進(jìn)一步研究。