電纜三維信息模型研究及其應用

李　艷，孟　毓，蔡龍晟，毛峻青

(上海電力設計院有限公司，上海　200025)

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電纜三維信息模型研究及其應用

李艷，孟毓，蔡龍晟，毛峻青

(上海電力設計院有限公司，上海200025)

摘要：在分析電纜工程信息模型組成的基礎上，結合500 kV虹楊輸變電工程電纜敷設實際情況，提出了電纜三維信息模型在工程中的具體應用方案，主要從協同設計、碰撞檢查及出圖研究方面展開論述。電纜三維信息化模型的應用，可大大節省設計的時間成本，提高設計質量，減少設計變更帶來的損失。

關鍵詞：電纜；信息模型；三維；協同設計；碰撞檢查；出圖

對于電纜線路工程，由于其隱蔽工程的特性，對于地下管線的布置以及定位有著很高的要求，傳統的二維設計，只能處理平面上的信息，無法直觀展現地下管線的空間布置，在具體工程中往往具有較大的局限性，容易造成工程成本的極大浪費[1]。

近年來，伴隨著數字化設計技術的研究與應用，三維設計技術開始應用于工程設計。采用信息模型的電纜三維設計，最大的優勢在于能將設備的尺寸、布置、位置等信息都存放在數據庫中，并在三維平臺中得到直觀、準確的表現[1]。此外，各專業設計均處于同一個設計平臺，每次本專業設計成果有新的進展時，都能在三維環境中與其他專業進行碰撞校驗，可極大地提高設計精度和效率。

目前電力系統內對架空線路的三維設計已經有應用，尤其是特高壓工程，均達到了三維設計和數字化移交的要求[2]，但對于地下電纜線路工程，如何實現信息模型的三維設計，保證數字化設計成果在后續運維管理中的進一步應用，國內外目前的相關研究成果較少。本文基于工程實例，對電纜工程信息模型的組成進行分析，并開展電纜工程信息模型應用研究，從協同設計、碰撞檢查及出圖研究等方面展開論述。

1電纜工程信息模型組成

1.1電纜工程屬性信息模型

對于電纜線路工程，要實現三維數字化建模，首先需明確地理信息、電系參數、建筑信息模型(BIM)三個要素，將這些要素聯系起來就形成了較為完善的三維數字化輸電線路的概念。

(1)地理信息系統(GIS)模型數據量。GIS的部分信息可納入測繪信息，包含明確的路名、圍墻、周邊建筑情況、進出線等息。

(2)電網地理接線數字化模型。為保證現有計算機技術能順利開啟對大面積地區的大量模型，應盡可能縮減模型本身幾何參數，對于線路中的設備、構件(幾何塊表現)等設施則采用適量數據進行描述。模型本身包含GIS三維數字化地圖，線路中各種設備均包含詳細的地理坐標。

(3)線路數字化設備模型。根據線路設計參數，通過整理完整錄入數字化模型，使信息量更完整。

數字化參數模型包含項目的不同建設階段所產生的數據類型，設備可根據項目進度及移交方等進行分時分地管理，同時對數據后處理產生多元化應用，如：全壽命周期管理、物資采購、數據調閱等。

1.2電纜工程的專業分類

電纜線路工程的專業分類如表1所示。

表1　電纜線路工程專業分類表

1.3主要電氣設備信息模型

電纜工程的設備信息模型大致分為電氣部分、土建部分。其中，電氣部分包括電力電纜、電纜終端、電纜中間接頭、夾具等；土建部分包括隧道、隧道井、電力排管頂管、工井、電纜溝、電纜支架、埋件等。本文以電力電纜及其附件為例，討論電纜工程中主要電氣設備的信息模型組成。

1.3.1電力電纜信息模型組成

電力電纜的信息模型主要考慮以下幾方面電纜參數：電壓等級、結構技術參數、電氣技術參數、非電氣技術參數，如表2所示。

表2　電力電纜信息模型參數

1.3.2電纜附件信息模型組成

(1)電纜終端。電纜終端是安裝在電纜未端用以保證電纜線路與電力系統其他部分連接，并保持絕緣至連接點的裝置。電纜終端信息模型的搭建，應綜合考慮該電纜終端所處的位置以及對于將來施工以及檢修人員運行維護的便利性，有選擇性地挑選模型儲存的各項參數。模型記錄參數的選擇應按照電纜終端的詳細分類進行，盡可能多地區分不同形式的電纜終端類型。電纜終端按照使用場所、所用材料或連接的設備不同，可分為戶內終端、戶外終端、環氧電纜終端、熱縮電纜終端、冷縮電纜終端、預制電纜終端、象鼻電纜終端以及氣體絕緣金屬封閉電器(GIS)電纜終端等。另外需注意，雖然GIS電纜終端在實際的變電站中是隱藏在GIS本體的內部，在外部不可見的，但是在進行信息模型的建立時，依然應該建立完整的電纜終端的形狀模型，標注準確的尺寸，以便于施工時的安裝和今后的運維檢修，其對于模型的后續使用者全面了解該電氣設備的結構是十分必要的。

(2)電纜接頭。電纜接頭是安裝在電纜與電纜之間，使之形成連續電路的裝置，有些電纜接頭還同時具有其他功能。電纜接頭按使用功能可分為電纜直線接頭、電纜絕緣接頭、電纜塞止接頭、電纜過渡接頭、電纜分支接頭、電纜軟接頭等。電纜接頭的絕緣設計按電纜的結構不同可分為油浸紙絕緣電纜接頭和擠包絕緣電纜接頭的絕緣設計。在電纜中間接頭的建模過程中，應充分考慮電纜接頭的屬性信息與其所連兩段電纜屬性的協調和配合，例如連接兩段電纜的截面等。

(3)電纜夾具。電纜夾具是用來固定電纜的一種裝置，安裝在電纜支架上，通過將電纜套在環內進行固定，一般由金屬制成。電纜夾具的信息模型一般需要記錄電纜夾具的尺寸、材質以及生產廠家等。由于電纜夾具屬于電纜的附件，且不涉及電氣一次部分，對其模型的細致程度要求不高。在盡量節省計算機內存、加快顯示效率的情況下，在形狀建模時，對其圓弧狀的外表面進行折線化處理，并將螺栓等細小部件一并融入同一個實體中。這樣，既不影響電纜工程整體建模準確度，又可以大大提高計算機運算和顯示的速度。這種差異化的建模方式，可以提高模型的利用率，其他類似的電氣設備在建模時，也可以參考這種思路。

2電纜三維信息模型應用

2.1電纜三維信息模型應用背景

500 kV虹楊輸變電工程電纜部分包括500 kV楊行變電站-500 kV虹楊變電站兩回500 kV進線，全線采用隧道電纜敷設，同時預留第三回500 kV電纜進線。本期220 kV出線6回，遠期220 kV出線21回。本工程涉及的隧道內敷設電纜數量眾多，且均為220 kV及500 kV等級電纜，此外考慮到隧道內需要設置高壓電纜接頭[3-5]，有必要依據隧道實際情況對電纜進行信息模型的建模。

傳統的二維電纜工程設計在電纜密布的虹楊變電站內顯現出了顯著的缺陷，主要體現在電纜工程的設計階段、施工階段以及運行維護的管理階段等方面。

(1)對于虹楊工程的設計而言，由于電纜層內電纜數量眾多，特別是在虹楊站北側與隧道接通的工井部分，包括500 kV及220 kV在內所有進出線電纜均需要通過虹楊站北側工井進而敷設至相應電纜隧道或排管內，設計工作對細節要求高，有必要將所有進出線規模進行統籌規劃與設計，避免電纜與電纜之間、電纜與建筑設備之間的碰撞，同時需要兼顧電纜在站內的敷設滿足電纜彎曲半徑等要求。若采用傳統二維設計方法，由于電纜數量多，站內情況復雜，設計過程中會產生很大工作量，拖延設計周期。三維信息化模型的設計方法則能夠將設備的型號、尺寸以及布置均存放在數據庫中。并在三維平臺得到直觀、準確的表現。在以虹楊工程為代表的電纜工程中使用信息模型對于設計過程中的精細化、準確化要求有著重要的意義。

(2)在施工階段，虹楊變電站為地下變電站，涉及專業多，專業間接口復雜，為了便于施工管理，采用三維信息化模型設計可以直接進行數字化移交，使管理者和其他相關工作人員能夠真實、直觀、全面地了解工程建設情況，綜合管理各單位的信息，提高管理水平。

(3)在工程建成投運以后，由于三維信息化模型的應用，管理單位可以直接依托工程信息模型對各種信息資源進行深層次、多元參數融合、協同處理，實現“電力流、信息流、業務流”的高度一體化融合。

綜合分析可知，在500 kV虹楊輸變電工程中應用信息模型對設計、施工以及運行管理均有著重要意義。

2.2電纜工程的協同設計

虹楊站電纜層的建筑部分由變電建筑專業完成，相關設備布由變電電氣專業完成，電纜層內電纜布置由送電電氣專業完成。根據設計流程，首先由變電建筑向變電電氣專業提資，完成電氣布置后，向送電電氣專業提資，最后完成電纜的敷設布置。

考慮電纜層內電纜多、敷設密集等特點，采用電纜層內走電纜溝的形式，既開辟了電纜專用通道用于高壓電纜敷設，又節省了寶貴的站內空間與人行檢修通道，如圖1所示。

圖1　虹楊站內電纜層布置

本次虹楊站內電纜布置，通過利用電纜三維信息模型設計，獲得了更精準的電纜敷設設計成果，并保證電纜在滿足彎曲半徑要求的前提下，不與電纜層內其余結構發生沖突。借助協同設計功能，若干處電纜布置沖突點被發現，電纜層內電纜與電纜層樓面沖突示意圖如圖2所示。

圖2　虹楊電纜層內電纜與電纜層樓面沖突示意圖

根據原電纜溝與電纜層交接處變電建筑設計，電纜溝與電纜層交界處均為直角溝槽，通過電纜敷設可以發現，原方案下電纜無法保證順利從電纜溝內敷設至電纜層，原變電建筑設計需改進優化。通過協同設計，送電電氣專業與變電建筑專業及時發現了該矛盾，并通過在相關位置留有坡度和倒角，解決了該問題，避免了施工階段的設計變更。

2.3電纜工程的碰撞檢查

在虹楊站站內模型中運行管道與管道之間的碰撞沖突檢查，顯示出存在3處沖突，并可以生成HTML版本的報告文本指導相關的沖突修正，如圖3所示。根據沖突報告完成修改后，運行碰撞檢測，可以看到如圖4所示的碰撞檢測結果，表明三維模型中的碰撞得到有效調整。

圖3　虹楊站站內碰撞檢查

圖4　解決沖突后運行碰撞檢查結果

在虹楊站電纜層的電纜敷設設計過程中，運用三維設計方式，能有效的將站北側工井內、隧道接口處、站內穿越電纜孔處的電纜排布直觀地顯示出來，方便設計及校審人員進行碰撞檢驗。相較于傳統二維設計，在多回數電纜的敷設設計中，三維設計方法能夠最大程度的避免電纜敷設過程中的碰撞，提高設計成品質量。

2.4電纜工程的出圖研究

出圖階段，現階段的出圖有俯視圖及斷面圖，針對不同專業和較復雜設計布置還應有立面圖，其中還包括了變電站內支吊架和電纜豎井的示意圖，這樣出圖較復雜，一致性不是很好，在標注方面都需要手動設置，增加了工作量。三維設計體現了立體層次的優點，能自動化、智能化出圖，三維出圖能更方便的從各個角度來截取模型，保持較好的一致性，并能自動在超過多少間距的時候進行距離標識。平臺導出的虹楊變電站立體視圖如5所示。

圖5　平臺導出的虹楊變電站立體視圖

虹楊500 kV電纜敷設在隧道內，由于500 kV電纜接頭大，重量重，同時考慮電纜以及同軸電纜的彎曲半徑，需要對電纜接頭區進行特殊設計。傳統二維設計方式下，接頭區內的電纜、接地箱、同軸電纜、接地線等布置只能依靠CAD平面圖。平面圖與實際三維空間的轉換對設計人員提出了較高要求。利用電纜的三維信息模型設計可以對接頭區進行三維設計，每個零部件均能夠單獨建模并組建安裝。在完成設計后，可以方便的利用三維設計軟件進行出圖。

特別的，接頭區內電纜及其附件呈三維布置，不能簡單地利用平面圖、立面圖將設備的相對位置進行準確描述。根據接頭區的不同位置，需要設置不同剖面，進行分別出圖，準確描述在不同空間位置上的電纜敷設情況以及附件安裝要求。針對上述要求，可以利用三維設計軟件中的剖面功能，其能夠按要求對不同剖面位置，不同剖面深度進行出圖，保證了圖紙信息的完整性與準確性，也便于施工人員按圖進行施工。隧道內電纜接頭區的三維、平面視圖如圖6所示。虹楊隧道內接頭區剖面示例如圖7所示。

圖6　隧道內接頭區的三維、平面視圖

圖7　虹楊隧道內接頭區剖面示例

相較于傳統二維CAD制圖，由三維模型導出的二維圖紙具有更高的準確度，也極大地節省了出圖時間，同時具有更高的可讀性，便于對施工人員進行施工指導。

3結語

通過在500 kV虹楊輸變電工程中應用電纜三維信息模型技術和三維設計技術，較好地解決了城市電力電纜二維設計存在的弊端，提高了工程建設的質量和效率。

(1)對電纜工程中工程屬性信息、電纜線路工程的專業分類、主要電氣設備信息模型組成分別進行了分析研究。

(2)采用電纜三維信息模型技術和三維設計技術，利用三維設計軟件的協同設計特性，以往專業間因提資交流不暢導致的設計差錯能夠在設計階段及時地被發現并改正，避免了在施工過程中再發現問題而變更費用，進而提高了工程質量。

(3)碰撞檢查是協同設計過程能否有效實施的關鍵因素，確保多專業之間協作能更有效進行。在虹楊變電站電纜層的電纜敷設設計過程中，運用三維設計方式，能有效的將電纜的排布直觀地顯示出來，方便設計及校審人員進行碰撞檢驗。相較于傳統二維設計，三維設計方法能夠最大程度的避免電纜敷設過程中的碰撞，提高設計成品質量。

(4)三維出圖能更方便的從各個角度來截取模型，保持較好的一致性，并能自動在超過多少間距的時候進行距離標識。相較于傳統二維CAD制圖，由三維模型導出的二維圖紙具有更高的準確度，也極大地節省了出圖時間，同時具有更高的可讀性，便于對施工人員進行施工指導。

(5)電纜三維信息化模型的應用，可大大節省設計的時間成本，提高設計質量，減少設計變更帶來的損失。

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(本文編輯：趙艷粉)

Research and Application of Cable Three-Dimensional Information Model

LI Yan, MENG Yu, CAI Long-sheng, MAO Jun-qing

(Shanghai Electric Power Design Institute Co., Ltd., Shanghai 200025, China)

Abstract:Based on the analysis of cable engineering information model, as well as the actual cable laying situation of 500 kV Hongyang power transmission and transformation project, this paper proposes the application scheme of cable 3D information model in the engineering project, mainly from the perspective of collaborative design, the collision check and layout research. The application of Cable 3D information model can greatly shorten design time, improve the design quality and reduce the cost of design change.

Key words:cable; information model; three-dimension; collaborative design; collision check; layout

DOI：10.11973/dlyny201602007

作者簡介：李艷(1984)，女，工程師，主要研究方向為高壓輸電線路設計和技術研究。

中圖分類號：TD67;TU17

文獻標志碼：A

文章編號：2095-1256(2016)02-0184-05

收稿日期：2015-12-07