基于數字化的電纜敷設及優化設計

郭瑩清

(元工電力技術有限公司,山西 太原 030000)

0 引言

現如今信息化、網絡化、數字化成為社會發展的大趨勢,迅猛的數字化發展浪潮沖擊著各行各業,輸變電設計行業也不例外。將領先的三維數字化技術應用于輸變電設計中,不僅可以順應時代的發展,同時可以提高企業的核心競爭力。本文梳理了傳統變電站二維電纜敷設技術,分析比較了幾種典型敷設方式的優缺點,研究了三維數字化電纜敷設優化措施。

1 傳統變電站二維電纜敷設現狀

傳統變電站二維電纜敷設設計中,首先設計圖紙及電纜清冊全部需要手動輸入,自動化程度較低,同樣數據需要多次在不同文檔內輸入,導致設計人員重復工作量大,出錯率高;其次工程設計中繪制大量施工圖紙,電纜敷設較多并且結構錯綜復雜,各專業文檔資料除專業提資內容外幾乎相互獨立,無法協同設計且專業信息無法做到實時共享,造成設計出錯率高,施工過程造成很大困擾;最后由于電纜材料完全由人工統計,標準路徑不統一,容易造成設計誤差以及“三材”浪費。

2 數字化電纜敷設優化的必要性

基于數字化的電纜敷設是順應社會數據化時代的發展趨勢,同時對于電力行業而言,廣泛應用先進的數字化技術來提高設計的技術含量、節省項目投資、統一標準化設計勢在必行。在變電站的維護管理中,電纜敷設三維信息化模型可以模擬現場,使運行人員可以及時查看虛擬現場,及時確定維護和改造方案,成為變電站精細化施工和科學化運營的重要技術手段;通過三維建模,對電纜敷設路徑進行優化,可以減少電纜敷設長度,不僅可以降低電能損耗,還可以減少因電纜長度長導致的故障,節約材料,進而減少工程總投資。

3 變電站電纜敷設三維設計

3.1 三維設計應用傳統設計原則

3.1.1 電纜敷設原則

電纜敷設主要根據工程條件、環境特點、變電站布置特點、出線方式和電纜類型、數量、滿足運行可靠、便于維護和技術經濟合理的要求選擇[1-2]。以下為幾種傳統變電站典型二維敷設方式的論述。

3.1.2 電纜直埋與穿管敷設

對于同一通道敷設少于6根的35 kV及以下電力電纜,在廠區通往遠距離輔助設施或城郊等不宜經常性開挖的地段,宜采用直埋敷設。對于變電站內電纜相對比較重要,為避免電纜受到各種損害和環境腐蝕,一般很少采用直埋敷設,站內電纜較少時,推薦采用穿管敷設,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

電纜溝道敷設適用于地面載重負荷較輕的電纜線路路徑,如人行道、工廠內的場地等,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構,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。

電纜溝敷設的優點不需做電纜井,土建施工簡單、造價低,常在變電站和中小型電廠中采用;缺點是敷設和維修電纜時必須揭開蓋板,且溝內容易淤積臟物、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

同一通道中的地下電纜較多,電纜溝不足以容納時,應采取電纜隧道敷設。

電纜隧道敷設的優點是空間比較大,隧道內人行通道便于電纜運行巡視和檢修,電纜敷設便利,通風、消防、排水設施配置齊全,電纜散熱效果好;但因配備照明、排水、通風、消防等附屬設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

明敷的全塑電纜數量較多或電纜跨距較大時,宜選用電纜橋架敷設。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、結構簡單、安裝方便等優點;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、透氣好等優點,它適用于一般直徑較大電纜的敷設。

3.1.6 電纜夾層敷設

對于配電裝置室饋線電纜較多、饋線電纜走向復雜的情況宜選用增設電纜結構層。在電纜夾層內,按照電纜實際走向設置電纜支架。敷設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。

以上是變電站內電纜敷設的常用方式,各有優缺點,具體實施情況根據變電站規模、進出線情況,合理選擇電纜敷設方式[3]。

3.2 變電站電纜敷設三維設計目標

1)實現電纜敷設三維可視化:利用三維建模技術和數據庫存儲技術,實現包含設計、建設、調試、運行維護等一系列信息的三維數字化設計內容,三維可視化提高了設備數據信息的形象準確性,數據信息顯示更直觀,信息分析更容易[4]。

2)提高設計質量和設計效率:以三維模型技術為依托,通過模型與數據聯動,跨專業精細化配合,材料自動統計,減少人工輸入,提高生產效率[5]。

3)控制成本:通過三維模型及碰撞檢查結果優化電纜敷設路徑以及電纜溝道、電纜隧道內電纜支架等的設計,優化減少“三材”耗量,有效控制成本。

3.3 三維數字化設計軟件

采用博超STD-R 5.0數字化變電站設計平臺,結合工程特點、規模和發展規劃,通過三維設計手段對變電站電纜敷設設計進行分析和校驗,力求變電站電纜走向經濟合理,達到節約電纜、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數字化變電站設計平臺,按照電纜溝實際進行電纜溝模型參數化繪制,通過以輸入電纜溝、電纜隧道的實際尺寸完成電纜構筑物的模型設置溝道轉彎處可添加轉彎、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

在三維設計環境中完成電纜設計后,可以手動逐步輸入全站電纜或者直接導入符合博超軟件的詳細電纜清冊,電纜清冊需注明:電纜起點名稱、電纜終點名稱、電纜規格等,最終根據電壓等級進行劃分導入系統中供數據庫讀取,軟件自動對輸入設備進行編號(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備重復編號,檢索功能可以快速定位到指定設備,有效提高了設計生產效率。

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三維模型的碰撞情況,同時可導出檢查報告,對于發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、電纜等的三維數字化模型,在此基礎上通過碰撞檢查功能檢索工程中的碰撞問題,根據碰撞檢查結果進行設計修改優化,減少電纜管線、電氣設備間的碰撞問題。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 電纜敷設設計優化

電纜敷設三維設計的優化主要體現在電纜構筑物的優化和電纜敷設路徑的優化兩個方面,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場景縮放、視角旋轉、快速定位等操作,通過瀏覽場景中模型開展電纜敷設的精細化設計。

1)形成電纜溝道三維數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的路徑,計算出每個電纜構筑物可以敷設哪些電纜,快速有效地進行電纜的自動敷設,優化設置的電纜溝道、電纜隧道內電纜支架大小及層數,還可以模擬電纜敷設方式,通過三維模型直觀查詢電纜支架的實際占用情況,優化支架設計,減少施工過程中的浪費,節省投資。

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

3)在變電站的維護管理中,電纜敷設三維信息化模型可以模擬現場,使運行人員可以及時查看虛擬現場,及時確定維護和改造方案,成為變電站精細化施工和科學化運營的重要技術手段。

3.8 電纜敷設數字化移交

初步設計階段可利用博超STD-R 5.0軟件將電纜溝道、電纜隧道模型以及電纜導入數據庫形成完整的電纜敷設三維模型,施工圖和竣工圖階段可以根據訂貨電纜廠家信息將實際電纜輸入數據庫,并儲存在數據庫中。通過自動化校核完成數字化成品最終導出完成數字化移交[6]。

三維數字化移交是工程全生命周期中工程數字化設計成果由設計階段轉向施工和運維階段的關鍵環節,是保證設計信息向施工和運維單位有效和準確傳遞的方法,決定了三維設計成果是否有效服務于施工和運維的基礎;而且能夠以工程對象為核心、數據為基礎、編碼為紐帶,實現工程數據、三維模型、圖紙等信息的有機關聯,從而使工程相關方面通過該系統瀏覽可視化、多維度的工程信息,實現基建數據與生產運維數據的無縫鏈接,為實現變電站數字化運維管理奠定基礎。

4 結語

三維數字化設計的應用打破了傳統二維圖設計模式,使原來的設計思想、設計方法、設計流程、質量管理更加先進。

通過對變電站內的電力電纜、控制電纜以及通訊光纜的敷設的三維數字化模型的建立,并能夠通過電腦端對電纜溝道與電纜進行讀取,讓電纜敷設規劃設計人員在現場敷設電纜之前就完成了電纜的虛擬敷設,并可根據敷設路徑的三維模擬直觀的展示,及時地調整電纜的排布位置,達到了可以在設計過程中進行電纜敷設的優化,并實現遠程指導施工電纜敷設實施工作。施工過程中可記錄電纜的實際敷設結果,確立電纜敷設狀態,對施工過程有效管理,解決了施工過程中出現電纜編碼不明確、電纜敷設路徑不合理等問題,同時有效控制施工成本,在變電站的維護管理中,電纜敷設三維信息化模型可以模擬現場,使運行人員可以及時查看虛擬現場,及時確定維護和改造方案,成為變電站精細化施工和科學化運營的重要技術手段。

最后對于發展型企業而言,三維數字化設計的應用能夠促進不同專業之間的協作、提高生產效率、推動企業在前沿技術中保持領先地位,在提高企業核心競爭力方面起到決定性作用,是當今以數字化為核心的社會發展中不可或缺的一項新技術。