数字化 三维设计在变电站电缆敷设中的应用研究

徐宗瑾

中国电建集团贵州电力设计研究院有限公司， 贵州 贵阳 550081

摘要：变电站电缆通道的合理设计是变电站可靠运行的重要保障，但是在目前二维设计中仍存在较多的局限性，本文探讨数字化三维设计在变电站电缆敷设中的应用，研究数字化三维设计对变电站电缆敷设设计、安装、调试、施工过程效率和质量的提升。

关键词：变电站；电缆敷设；数字化三维设计

0 引言

数字化三维设计因其智能、精准、高效的特点已大量运用到变电站设计工作中，通过将变电站划分为不同功能模块，通过三维设计软件进行模块间的组合设计，提升设计、安装、调试、施工过程效率和质量。变电站电缆敷设的数字化三维设计，是变电站数字三维设计非常重要的部分。变电站电缆通道的合理应用是变电站可靠运行的重要保障[1]，而传统的二维设计只能进行二维平面信息的处理，难以实现对隐蔽位置地下管线的展现，导致具体工程中存在较大局限性。而三维设计可以有效解决目前二维设计存在的诸多问题，通过三维技术建立电缆敷设的三维模型，利用数据库来存储电缆位置、尺寸、型号等，并通过建立的三维平台直观、精准的表现模型的参数信息和结构特征。本文探讨数字化三维设计可实现设计功能，分析三维设计的优势。

1. 电缆敷设数字化三维设计步骤

电缆敷设的数字化设计具体包括模型搭建、校验检查和成品输出3个步骤。

1. 1. 模型搭建

首先是电缆模型的选择，电缆模型是电缆敷设系统的主要组成部分，软件根据不同的电压和型号搭建了电缆模型库，从而可以保证工程设计中按电缆电压等级、类型分层敷设电缆，对于软件中未预设的电缆，可以手动添加电缆的详细参数等信息。

然后是电缆桥架和电缆沟绘制工作，绘制前对电缆桥架进行定义，其中包括桥架的标高、类型、桥架的接头以及每层桥架中电缆类别等参数，电缆沟中支架、层架的规格、长度、间距等信息。在设置完桥架和电缆沟的参数后就可以在平面图中绘制，在电缆沟、桥架交叉处软件会自动生成弯通、三通以及四通等接头。

将按照软件标准格式编制的电缆清册导入到软件中，软件自动提取起始设备编码和名称，其目的是确定每根电缆的编号和起始位置。在软件中对所有电缆清册里提取的设备在平面图上进行定位。在上述工作的基础上，软件自动进行电缆敷设，沿预先绘制的桥架、电缆沟安排的电缆走向走线，并自动寻找最短距离连接设备接线。

1. 2. 校验检查

电缆线路敷设工作具有隐蔽性特征，对布设定位提出了非常高的要求。软件利用三维模型进行安全设计检查，使整个设计更为直观，检查电缆的软碰撞、硬碰撞情况，生成碰撞检查报告，便于在设计阶段修改完善，解决了比较隐蔽的碰撞问题，提高了设计精度[2-5]。同时，对于电缆类型与通道类型不匹配、容积率受限等问题，软件自动报错，提示设计人员修改优化电缆路径。。

1. 3. 成品输出

自动敷设完成后，软件可以自动生成电缆桥架截面信息、电缆清册表、电缆工程量清单、桥架工程量清单、电缆沟内支架层架工程量清单等成果。电缆桥架截面信息包含通过该电缆桥架的电缆规格型号、桥架的容积率，桥架的规格和型号等信息。电缆沟截面信息包含通过该电缆沟的电缆规格型号、容积率等信息。电缆清册包含每根电缆的规格和型号、电缆起点和终点、电缆长度及电缆详细敷设路径、所用护管规格型号。电缆工程量清单和桥架、电缆沟工程量清单包含工程所需的各规格的电缆、桥架和电缆沟支架层架用量。可以方便设计人员快速地进行敷设检查及高效指导施工。

2. 数字化三维设计优势及应用分析

数字化三维设计有效解决二维设计中存在的诸多问题，已大量用于变电站实际工程设计中。

1. 1. 三维设计优势

电缆敷设是整个变电站设计中的重要环节，以往的二维设计工作量大、长度统计不够精确、设计变更频繁，大量问题亟需解决。

1. 在以往的变电站的电缆敷设设计中，设计人员要对每根电缆进行手动敷设，测量出每根电缆长度，测量所需桥架和电缆沟内支架层架的数量，形成电缆清册后，再对各种型号的电缆、埋管及桥架统计汇总。人工统计工作量大，且易造成差错，严重耗费时间，电缆长度统计不够精确，材料浪费严重。对电缆进行自动敷设，并自动生成各种材料清单、电缆清册，极大地提高材料统计精准度，大大节省了材料，节约工程开支，提高了设计效率和产品质量，大量减少设计变更量。

2. 利用三维设计软件电缆自动敷设，自动敷设按照以下原则进行：分类控制，按照规范要求，电力、控制、信号等类型电缆分别敷设在电缆支架的规定层级中，预先在电缆沟和桥架模型中分别定义各层级能够敷设的电缆类型， 并在支架的同一层上排列敷设型号相近、外径相近的电缆；自动避开负载或者容量达到 90%及以上的电缆桥架路径，避免出现电缆通道超负荷或者过空造成的浪费等现象；同时自动选择最短路径，即从起点到终点有多种通道路径可供选择时，则自动选择最短的通道路径进行电缆敷设。

3. 将问题解决在设计阶段

变电站电缆敷设工作具有隐蔽特征，同时在二维设计中难以发现碰撞、干涉问题，待后期在现场发现问题后造成施工返工，浪费工期，同时造成电缆的极大浪费。通过建立的三维模型进行安全设计检查，从而避免电缆的软碰撞、硬碰撞情况，将比较隐蔽的碰撞问题解决在设计阶段，提高了设计精度。变电站设计不同专业可以在设计阶段相互配合，提前发现问题并提出解决方案。

1. 2. 工程应用分析

目前该软件已在变电站、发电厂设计中广泛应用，指导施工的精度得到多项工程验证，软件结果优于国家标准及行业相关要求。以某已投运500kV变电站、220kV变电站为例，采用数字化三维进行电缆敷设，与之前同规模变电站人工手量电缆量相比，电缆量分别节约了约6%和5%，施工周期分别节约了20%和15%，收效甚好；某发电厂项目与同类型容量机组工程相比，电缆量和施工工期分别节约了5%和10%。通过以上工程的应用，在发变电工程中采用该数字化三维设计进行电缆敷设后，电缆敷设工作设计效率及质量均得到提高。

一个常规500kV变电站的电缆量约为120公里，按照相关规范对电缆量的允许误差为7%，而通过对比后得知，采用数字化三维设计能够将误差控制在2%左右，可节约6公里电缆，产生的直接经济效益约为30万元；在大型火力发电厂中，电缆量多达数百公里甚至上千公里，节约量更大，直接经济效益约100~300万元。此外，采用电缆敷设软件进行数字化三维设计，由于设计精细，施工单位可优化施工流程，缩短施工周期，降低施工成本，有利于工程提前投产，可以带来更大的社会效益和经济效益。

3. 结论

变电站电缆敷设的数字化三维设计可有效解决二维设计中存在的诸多问题，提高设计效率和质量，降低工程成本，同时为后期高效运行维护提供基础。本文阐述变电站电缆敷设数字化三维设计的设计思路、优势，分析其带来的巨大社会效益和经济效益。数字化三维设计是设计的趋势和方向，将来会更加广泛的应用在变电站设计中。

参考文献

1. 李宗蔚,张景翯,薛炳磊等. 模块化变电站新型电缆通道应用研究[J]. 山东电力技术,2020 ,47(3):53-56.

2. 王先兵,张学东,何涛,等. 面向管理的三维模型段结构转换算法[J]武汉大学学报:工学版,2012,45(1):128-131,136.

3. 郄鑫,齐立忠,胡君慧.三维数字化设计技术在输变电工程中的应用[J].电网与清洁能源,2012,28(11):23-26.

4. 李志海. 数字化三维变电站设计技术研究[J]. 电气技术, 2015 (11):83-86,90.

5. 张旭东,初建祥,张彦彪等. 三维设计技术在变电站电缆敷设中的实践应用研究. 工程建设与设计,2020, 10:46-47.

作者简介：

徐宗瑾（1990），女，工程师，硕士，研究方向为变电站电气