基于數(shù)字化的電纜敷設(shè)及優(yōu)化設(shè)計

郭瑩清

(元工電力技術(shù)有限公司,山西 太原 030000)

0 引言

現(xiàn)如今信息化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化成為社會發(fā)展的大趨勢,迅猛的數(shù)字化發(fā)展浪潮沖擊著各行各業(yè),輸變電設(shè)計行業(yè)也不例外。將領(lǐng)先的三維數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于輸變電設(shè)計中,不僅可以順應(yīng)時代的發(fā)展,同時可以提高企業(yè)的核心競爭力。本文梳理了傳統(tǒng)變電站二維電纜敷設(shè)技術(shù),分析比較了幾種典型敷設(shè)方式的優(yōu)缺點,研究了三維數(shù)字化電纜敷設(shè)優(yōu)化措施。

1 傳統(tǒng)變電站二維電纜敷設(shè)現(xiàn)狀

傳統(tǒng)變電站二維電纜敷設(shè)設(shè)計中,首先設(shè)計圖紙及電纜清冊全部需要手動輸入,自動化程度較低,同樣數(shù)據(jù)需要多次在不同文檔內(nèi)輸入,導(dǎo)致設(shè)計人員重復(fù)工作量大,出錯率高;其次工程設(shè)計中繪制大量施工圖紙,電纜敷設(shè)較多并且結(jié)構(gòu)錯綜復(fù)雜,各專業(yè)文檔資料除專業(yè)提資內(nèi)容外幾乎相互獨立,無法協(xié)同設(shè)計且專業(yè)信息無法做到實時共享,造成設(shè)計出錯率高,施工過程造成很大困擾;最后由于電纜材料完全由人工統(tǒng)計,標(biāo)準(zhǔn)路徑不統(tǒng)一,容易造成設(shè)計誤差以及“三材”浪費。

2 數(shù)字化電纜敷設(shè)優(yōu)化的必要性

基于數(shù)字化的電纜敷設(shè)是順應(yīng)社會數(shù)據(jù)化時代的發(fā)展趨勢,同時對于電力行業(yè)而言,廣泛應(yīng)用先進的數(shù)字化技術(shù)來提高設(shè)計的技術(shù)含量、節(jié)省項目投資、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計勢在必行。在變電站的維護管理中,電纜敷設(shè)三維信息化模型可以模擬現(xiàn)場,使運行人員可以及時查看虛擬現(xiàn)場,及時確定維護和改造方案,成為變電站精細(xì)化施工和科學(xué)化運營的重要技術(shù)手段;通過三維建模,對電纜敷設(shè)路徑進行優(yōu)化,可以減少電纜敷設(shè)長度,不僅可以降低電能損耗,還可以減少因電纜長度長導(dǎo)致的故障,節(jié)約材料,進而減少工程總投資。

3 變電站電纜敷設(shè)三維設(shè)計

3.1 三維設(shè)計應(yīng)用傳統(tǒng)設(shè)計原則

3.1.1 電纜敷設(shè)原則

電纜敷設(shè)主要根據(jù)工程條件、環(huán)境特點、變電站布置特點、出線方式和電纜類型、數(shù)量、滿足運行可靠、便于維護和技術(shù)經(jīng)濟合理的要求選擇[1-2]。以下為幾種傳統(tǒng)變電站典型二維敷設(shè)方式的論述。

3.1.2 電纜直埋與穿管敷設(shè)

對于同一通道敷設(shè)少于6根的35 kV及以下電力電纜,在廠區(qū)通往遠距離輔助設(shè)施或城郊等不宜經(jīng)常性開挖的地段,宜采用直埋敷設(shè)。對于變電站內(nèi)電纜相對比較重要,為避免電纜受到各種損害和環(huán)境腐蝕,一般很少采用直埋敷設(shè),站內(nèi)電纜較少時,推薦采用穿管敷設(shè),并且電纜管過路地段需要采用熱鍍鋅鋼管,交流單芯電纜以單根穿管時不得采用未分割磁路的鋼管。

3.1.3 電纜溝敷設(shè)

電纜溝道敷設(shè)適用于地面載重負(fù)荷較輕的電纜線路路徑,如人行道、工廠內(nèi)的場地等,許多廠站通常將電纜溝蓋板兼作部分巡視及操作小道。電纜溝一般采用混凝土或磚砌結(jié)構(gòu),其頂部用蓋板覆蓋。蓋板面可以和地面齊平,便于開啟,也有的稍低于地面而在蓋板上粉刷一層水泥,以防止蓋板與地面高低不平和雨水進入電纜溝。

電纜溝敷設(shè)的優(yōu)點不需做電纜井,土建施工簡單、造價低,常在變電站和中小型電廠中采用;缺點是敷設(shè)和維修電纜時必須揭開蓋板,且溝內(nèi)容易淤積臟物、積水,蓋板承壓強度較差,不能使用在車行道上,且電纜溝離地面太近,降低了電纜的載流量。

3.1.4 電纜隧道敷設(shè)

同一通道中的地下電纜較多,電纜溝不足以容納時,應(yīng)采取電纜隧道敷設(shè)。

電纜隧道敷設(shè)的優(yōu)點是空間比較大,隧道內(nèi)人行通道便于電纜運行巡視和檢修,電纜敷設(shè)便利,通風(fēng)、消防、排水設(shè)施配置齊全,電纜散熱效果好;但因配備照明、排水、通風(fēng)、消防等附屬設(shè)施較多而且開挖深度較深整體造價較高,投資大且與地下建筑物交叉時不宜避讓。

3.1.5 電纜橋架敷設(shè)

明敷的全塑電纜數(shù)量較多或電纜跨距較大時,宜選用電纜橋架敷設(shè)。電纜橋架分為槽式、托盤式和梯架式:槽式電纜橋架對屏蔽干擾和重腐蝕環(huán)境中電纜的防護都有較好的效果;托盤式電纜橋架具有重量輕、載荷大、造型美觀、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便等優(yōu)點;梯架式電纜橋架具有重量輕、成本低、造型別具、安裝方便、散熱、透氣好等優(yōu)點,它適用于一般直徑較大電纜的敷設(shè)。

3.1.6 電纜夾層敷設(shè)

對于配電裝置室饋線電纜較多、饋線電纜走向復(fù)雜的情況宜選用增設(shè)電纜結(jié)構(gòu)層。在電纜夾層內(nèi),按照電纜實際走向設(shè)置電纜支架。敷設(shè)過程中充分利用夾層密集空間,選擇最短路徑并減少電纜的交叉碰撞,減少電能損耗,后期運行維護方便。

以上是變電站內(nèi)電纜敷設(shè)的常用方式,各有優(yōu)缺點,具體實施情況根據(jù)變電站規(guī)模、進出線情況,合理選擇電纜敷設(shè)方式[3]。

3.2 變電站電纜敷設(shè)三維設(shè)計目標(biāo)

1)實現(xiàn)電纜敷設(shè)三維可視化:利用三維建模技術(shù)和數(shù)據(jù)庫存儲技術(shù),實現(xiàn)包含設(shè)計、建設(shè)、調(diào)試、運行維護等一系列信息的三維數(shù)字化設(shè)計內(nèi)容,三維可視化提高了設(shè)備數(shù)據(jù)信息的形象準(zhǔn)確性,數(shù)據(jù)信息顯示更直觀,信息分析更容易[4]。

2)提高設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率:以三維模型技術(shù)為依托,通過模型與數(shù)據(jù)聯(lián)動,跨專業(yè)精細(xì)化配合,材料自動統(tǒng)計,減少人工輸入,提高生產(chǎn)效率[5]。

3)控制成本:通過三維模型及碰撞檢查結(jié)果優(yōu)化電纜敷設(shè)路徑以及電纜溝道、電纜隧道內(nèi)電纜支架等的設(shè)計,優(yōu)化減少“三材”耗量,有效控制成本。

3.3 三維數(shù)字化設(shè)計軟件

采用博超STD-R 5.0數(shù)字化變電站設(shè)計平臺,結(jié)合工程特點、規(guī)模和發(fā)展規(guī)劃,通過三維設(shè)計手段對變電站電纜敷設(shè)設(shè)計進行分析和校驗,力求變電站電纜走向經(jīng)濟合理,達到節(jié)約電纜、減少“三材”耗量的目的。

3.4 電纜溝(隧道)三維模型繪制

采用博超STD-R 5.0數(shù)字化變電站設(shè)計平臺,按照電纜溝實際進行電纜溝模型參數(shù)化繪制,通過以輸入電纜溝、電纜隧道的實際尺寸完成電纜構(gòu)筑物的模型設(shè)置溝道轉(zhuǎn)彎處可添加轉(zhuǎn)彎、三通、四通并自動生成電纜支架,自動生成電纜溝剖面圖(見圖1),剖面圖中可查看電纜在各層的實際布置效果。最終通過全站電纜走向形成完整電纜走道模型。

3.5 電纜信息管理

在三維設(shè)計環(huán)境中完成電纜設(shè)計后,可以手動逐步輸入全站電纜或者直接導(dǎo)入符合博超軟件的詳細(xì)電纜清冊,電纜清冊需注明:電纜起點名稱、電纜終點名稱、電纜規(guī)格等,最終根據(jù)電壓等級進行劃分導(dǎo)入系統(tǒng)中供數(shù)據(jù)庫讀取,軟件自動對輸入設(shè)備進行編號(見圖2,圖3);軟件自帶查找和檢索功能,查詢功能可以避免設(shè)備重復(fù)編號,檢索功能可以快速定位到指定設(shè)備,有效提高了設(shè)計生產(chǎn)效率。

3.6 碰撞檢查

碰撞檢查功能是三維建模平臺的一大特色,可高效便捷地校核圖紙中通道三維模型與其他專業(yè)三維模型的碰撞情況,同時可導(dǎo)出檢查報告,對于發(fā)生沖突的模型提供點亮定位功能。本工程利用三維軟件建立了包含電纜溝道、電纜支架、電纜等的三維數(shù)字化模型,在此基礎(chǔ)上通過碰撞檢查功能檢索工程中的碰撞問題,根據(jù)碰撞檢查結(jié)果進行設(shè)計修改優(yōu)化,減少電纜管線、電氣設(shè)備間的碰撞問題。三維建模平臺的碰撞檢查功能可將管線沖突等碰撞問題消除在施工之前,最大限度地降低施工階段可能遇到的設(shè)計錯誤,減少因碰撞問題引起的工期延誤和資金浪費。

3.7 電纜敷設(shè)設(shè)計優(yōu)化

電纜敷設(shè)三維設(shè)計的優(yōu)化主要體現(xiàn)在電纜構(gòu)筑物的優(yōu)化和電纜敷設(shè)路徑的優(yōu)化兩個方面,通過對電纜溝、電纜隧道等的實體建模,在三維場景中可以實現(xiàn)場景縮放、視角旋轉(zhuǎn)、快速定位等操作,通過瀏覽場景中模型開展電纜敷設(shè)的精細(xì)化設(shè)計。

1)形成電纜溝道三維數(shù)字化模型后可以通過自動識別電纜清冊中電纜的走向,精確推算出電纜敷設(shè)的路徑,計算出每個電纜構(gòu)筑物可以敷設(shè)哪些電纜,快速有效地進行電纜的自動敷設(shè),優(yōu)化設(shè)置的電纜溝道、電纜隧道內(nèi)電纜支架大小及層數(shù),還可以模擬電纜敷設(shè)方式,通過三維模型直觀查詢電纜支架的實際占用情況,優(yōu)化支架設(shè)計,減少施工過程中的浪費,節(jié)省投資。

2)三維數(shù)字化電纜敷設(shè)建模得出準(zhǔn)確的電纜敷設(shè)路徑后,可以進行電纜在三維空間上的校驗,查看每段路徑的敷設(shè)信息,有效避免電纜之間、電纜與支架以及其他構(gòu)筑物之間的碰撞,便于在三維空間中規(guī)劃電纜溝道、隧道的走向,設(shè)計更合理的布置方案。

3)在變電站的維護管理中,電纜敷設(shè)三維信息化模型可以模擬現(xiàn)場,使運行人員可以及時查看虛擬現(xiàn)場,及時確定維護和改造方案,成為變電站精細(xì)化施工和科學(xué)化運營的重要技術(shù)手段。

3.8 電纜敷設(shè)數(shù)字化移交

初步設(shè)計階段可利用博超STD-R 5.0軟件將電纜溝道、電纜隧道模型以及電纜導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫形成完整的電纜敷設(shè)三維模型,施工圖和竣工圖階段可以根據(jù)訂貨電纜廠家信息將實際電纜輸入數(shù)據(jù)庫,并儲存在數(shù)據(jù)庫中。通過自動化校核完成數(shù)字化成品最終導(dǎo)出完成數(shù)字化移交[6]。

三維數(shù)字化移交是工程全生命周期中工程數(shù)字化設(shè)計成果由設(shè)計階段轉(zhuǎn)向施工和運維階段的關(guān)鍵環(huán)節(jié),是保證設(shè)計信息向施工和運維單位有效和準(zhǔn)確傳遞的方法,決定了三維設(shè)計成果是否有效服務(wù)于施工和運維的基礎(chǔ);而且能夠以工程對象為核心、數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)、編碼為紐帶,實現(xiàn)工程數(shù)據(jù)、三維模型、圖紙等信息的有機關(guān)聯(lián),從而使工程相關(guān)方面通過該系統(tǒng)瀏覽可視化、多維度的工程信息,實現(xiàn)基建數(shù)據(jù)與生產(chǎn)運維數(shù)據(jù)的無縫鏈接,為實現(xiàn)變電站數(shù)字化運維管理奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

三維數(shù)字化設(shè)計的應(yīng)用打破了傳統(tǒng)二維圖設(shè)計模式,使原來的設(shè)計思想、設(shè)計方法、設(shè)計流程、質(zhì)量管理更加先進。

通過對變電站內(nèi)的電力電纜、控制電纜以及通訊光纜的敷設(shè)的三維數(shù)字化模型的建立,并能夠通過電腦端對電纜溝道與電纜進行讀取,讓電纜敷設(shè)規(guī)劃設(shè)計人員在現(xiàn)場敷設(shè)電纜之前就完成了電纜的虛擬敷設(shè),并可根據(jù)敷設(shè)路徑的三維模擬直觀的展示,及時地調(diào)整電纜的排布位置,達到了可以在設(shè)計過程中進行電纜敷設(shè)的優(yōu)化,并實現(xiàn)遠程指導(dǎo)施工電纜敷設(shè)實施工作。施工過程中可記錄電纜的實際敷設(shè)結(jié)果,確立電纜敷設(shè)狀態(tài),對施工過程有效管理,解決了施工過程中出現(xiàn)電纜編碼不明確、電纜敷設(shè)路徑不合理等問題,同時有效控制施工成本,在變電站的維護管理中,電纜敷設(shè)三維信息化模型可以模擬現(xiàn)場,使運行人員可以及時查看虛擬現(xiàn)場,及時確定維護和改造方案,成為變電站精細(xì)化施工和科學(xué)化運營的重要技術(shù)手段。

最后對于發(fā)展型企業(yè)而言,三維數(shù)字化設(shè)計的應(yīng)用能夠促進不同專業(yè)之間的協(xié)作、提高生產(chǎn)效率、推動企業(yè)在前沿技術(shù)中保持領(lǐng)先地位,在提高企業(yè)核心競爭力方面起到?jīng)Q定性作用,是當(dāng)今以數(shù)字化為核心的社會發(fā)展中不可或缺的一項新技術(shù)。