基于BIM技術的35kV降壓變電站接地系統(tǒng)設計

□謝 冰（河南省水利勘測設計研究有限公司數(shù)字工程中心）

基于BIM技術的35kV降壓變電站接地系統(tǒng)設計

□謝 冰（河南省水利勘測設計研究有限公司數(shù)字工程中心）

基于南水北調中線工程某35kV降壓變電站工程，考慮到征地有限，無法布設大面積的地下接地網(wǎng)，并且站中除供配電設施外布設有通訊和監(jiān)控設施，對阻值的要求非常嚴格，因此結合地形、土壤條件，構建基于BIM技術構建三維多層接地網(wǎng)模型，通過三維模型的建設和布局形成合理設計方案，并通過接地電阻計算驗證設計方案，在設計階段形成科學、合理、高質量的設計方案，避免接地方案與其他專業(yè)的沖突，減少施工過程中修改和變更。

降壓站；BIM；三維多層接地網(wǎng)；接地模塊

0 引言

南水北調中線工程采用35kV專線供電，沿線的河渠交叉建筑物、分水口門處設35kV降壓變電站進行供電。為保障閘門的正常啟閉，電氣設備的正常運行、總干渠的安全運管和駐站值班操作人員的人身安全，需要為降壓站設計科學、合理、高效的接地系統(tǒng)。

降壓站由于征地有限，無法布設大面積的地下接地網(wǎng)，并且站中除供配電設施外布設有通訊和監(jiān)控設施，考慮到南水北調工程的重要性和自動化監(jiān)控系統(tǒng)對阻值的要求非常嚴格，因此結合地形、土壤條件，在有限的工程空間內建設高效、可靠的接地系統(tǒng)是設計的難點。

傳統(tǒng)的接地設計，只是在平面上規(guī)劃接地網(wǎng)和接地極，通過大量的文字描述和要求作為補充，缺乏空間中的考量，施工單位獲得的信息非常不直觀，因此在實施中會產生困難和誤解，甚至為了通過接地驗收采用如澆水、撒鹽、臨時增加會對生態(tài)環(huán)境造成破壞的降阻劑等非常措施。

基于BIM（Building information model）技術構建的降壓站建筑、結構、電氣設備模型，建立空間三維多層接地網(wǎng)模型，并結合場地條件、土壤電阻率進行三維設計仿真，計算接地電阻，通過精確的三維模型在設計階段根據(jù)接地阻值要求設計詳細的接地方案，便于實施，保證項目質量。

1 基于BIM技術的三維多層接地網(wǎng)構建

1.1 概述

降壓站為2層框架式結構，閥板基礎，降壓站周邊建筑物為倒虹吸，設計中已考慮將倒虹吸和閘室混凝土結構內的鋼筋焊接成網(wǎng)作為聯(lián)合接地網(wǎng)的一部分與降壓站接地網(wǎng)相連，但考慮到混凝土構筑物的電阻率極高，即使大規(guī)模的焊接鋼筋網(wǎng)降阻效果也十分有限，不能為降壓站提供有效的泄流通道，因此本次接地設計仍需終點考慮降壓站的獨立接地網(wǎng)。

由于降壓站結構采用閥板基礎，所以降壓站下部敷設人工接地網(wǎng)的空間有限，閥板和站內電纜溝底部的間距約為1.40 m，如采用垂直接地極，如鍍銅鋼棒，銅包鋼棒，如果長度控制在1.40 m以內，接地效果難以保證，如采用正常長度則需穿越閥板基礎，對結構穩(wěn)定造成影響。接地極選用縱向深度較小的石墨接地模塊，形態(tài)穩(wěn)定，與土壤親和力強，使用時間越長接觸電阻就越小，采用高純度的鱗片石墨與金屬電極芯高溫鍛壓而成，具有發(fā)達的網(wǎng)孔結構，表面為波浪形，可有效增大散流面積和增加導電通道，增大了散流面積，從而加大了泄流速度。

三維接地系統(tǒng)的設計需要建筑模型、結構模型、電氣設備模型的支持，上述三類模型及其他需要的專業(yè)模型經過三維空間疊加構建三維接地參考模型為接地設計的基礎。構建完參考模型后，在空間中繪制多層接地網(wǎng)、接地體、接地扁鋼、引下線、避雷帶等設施的三維模型，組成三維多層接地網(wǎng)模型。最后根據(jù)三維模型提供的屬性信息進行三維設計仿真，計算接地電阻并根據(jù)計算結果優(yōu)化設計方案。

1.2 三維接地參考模型構建

結合建筑、結構專業(yè)提供的降壓站BIM模型，根據(jù)設計需要對模型進行簡化，去除建筑物外部裝飾、墻面、門窗，只保留建筑物基礎、結構框架、樓板、頂板等防雷接地涉及到的BIM模型，簡化后的降壓站BIM模型如圖1所示。

圖1 降壓站BIM模型圖

降壓站接地系統(tǒng)的主要保護對象為35 kV鎧裝柜、低壓柜、直流屏、無功補償系統(tǒng)、變壓器、柴油發(fā)電機組、動力配電箱等電氣設備，電氣設備的接地主要通過與安裝基礎槽鋼可靠焊接，通過基礎槽鋼與接地扁鋼焊接接入接地網(wǎng)，站內的電纜溝內各金屬支架儀需通過與接地扁鋼焊接接入接地網(wǎng)。建立上述主要電氣設備及安裝基礎槽鋼三維模型和站內電纜溝模型，并將這些模型疊加到降壓站BIM模型，形成完整的三維接地系統(tǒng)參考模型，如圖2所示。

圖2 降壓站三維接地系統(tǒng)參考模型圖

1.3 三維多層接地網(wǎng)模型構建

根據(jù)降壓站的結構，本次建立的三維空間多層接地網(wǎng)由四層水平不等距接地網(wǎng)和8根貫通四層水平接地網(wǎng)和屋頂避雷帶的引下線組成。四層水平接地網(wǎng)（順序自下而上）分別為閥板基礎鋼筋接地網(wǎng)、人工基礎接地網(wǎng)、系梁基礎鋼筋接地網(wǎng)、降壓站室內人工接地網(wǎng)。其中閥板基礎鋼筋接地網(wǎng)和系梁基礎鋼筋接地網(wǎng)是利用建筑物≥?16的結構主筋焊接成約5 m×5 m的網(wǎng)格，人工基礎接地網(wǎng)是利用閥板和建筑物底板的空隙將接地模塊用鍍鋅扁鋼焊接成約5 m×5 m的網(wǎng)格，降壓站室內人工接地網(wǎng)是在降壓站墻面距地200 mm處明敷鍍鋅扁鋼成環(huán)并利用鍍鋅扁鋼將各需要接地的電氣設備基礎、外殼與其可靠焊接。鍍鋅扁鋼尺寸初選50 mm×5 mm，接地模塊尺寸初選500 mm×400 mm ×50 mm。

根據(jù)上述設計原則和設計方案進行空間建模，構建三維多層空間接地網(wǎng)BIM模型，所有接地扁鋼焊接處采用搭接焊接。經過初步建模和空間定位確定模型的基本框架，根據(jù)碰撞檢測的結構查找接地模型與建筑、結構、電氣模型的沖突、碰撞、重疊等，對沖突部位的形狀、尺寸、空間位置逐條進行調整，再次通過碰撞檢測確定模型間不存在沖突，則形成最終的三維多層空間接地網(wǎng)BIM模型，可向施工單位提供BIM模型指導施工并通過剖切組成二維施工圖作為正式成果提交。

三維多層空間接地網(wǎng)BIM模型如圖3所示。

圖3 三維多層空間接地網(wǎng)BIM模型圖

2 基于BIM模型的接地電阻計算

35 kV降壓變電站包含通訊、監(jiān)控設施，因此要求接地電阻阻值≤1Ω。降壓站下部土壤為含砂粘土，電阻率近似值為300Ω.m。由于建筑物規(guī)模較小，計算接地電阻包含3個部分：建筑物基礎鋼筋（自然接地體）、人工接地網(wǎng)鍍鋅扁鋼（人工水平接地體）、人工接地網(wǎng)接地模塊（人工垂直接地體）。

2.1 建筑物基礎鋼筋（自然接地體）電阻計算

利用BIM模型測量出閥板基礎鋼筋接地網(wǎng)和系梁基礎鋼筋接地網(wǎng)的輪廓面積均為22.50 m×12 m。

采用等效平板法進行計算，土壤為均質。

土壤電阻率ρ=300 Ω.m，鋼筋體長邊邊長a=22.50 m，短邊邊長b=12 m，a/b=1.88 ，形狀系數(shù)K=0.47，經計算Rn=8.49 Ω。

2.2 人工接地網(wǎng)鍍鋅扁鋼（人工水平接地體）電阻計算

利用BIM模型測量出人工基礎接地網(wǎng)水平接地體的總長度為249 m，埋設深度2.80 m；降壓站室內人工接地網(wǎng)水平接地體的總長度為198 m，埋設深度0.10 m。

人工接地網(wǎng)水平接地體電阻公式：

土壤電阻率ρ=300Ω.m，水平接地體的總長度L=249 m，水平接地體的埋設深度h=2.80 m，水平接地體的等效直徑d=0.0 5 m/2=0.03 m，水平接地體的形狀系數(shù)A=0，經計算人工基礎接地網(wǎng)水平接地體電阻Rp1=2.63Ω。

降壓站室內人工接地網(wǎng)的主要功能是連接主要電氣設備的金屬外殼或安裝基礎、金屬支架、金屬管道、導體和導線的金屬裸露部分等需要進行接地的設施。該部分水平接地體部分裸露在空氣中，部分與混凝土接觸，因此電阻率較高，本次計算不考慮該部分水平接地網(wǎng)帶來的降阻效果。

2.3 人工接地網(wǎng)接地模塊（人工垂直接地體）電阻計算

BIM模型中接地模塊的數(shù)量為24塊。

土壤電阻率ρ=300Ω.m，接地模塊降阻系數(shù)K=0.16，調整系數(shù)h=0.82。

單個接地模塊接地電阻：Rc=K×ρ=48Ω，

并聯(lián)后總接地電阻：Rm=Rc/（n×h）=2.44Ω。

2.4 計算結果

閥板基礎鋼筋接地網(wǎng)電阻為8.49Ω，系梁基礎鋼筋接地網(wǎng)電阻為8.49Ω，人工基礎接地網(wǎng)水平接地體電阻Rp1=2.63Ω、垂直接地體電阻為2.44Ω，各層接地網(wǎng)并聯(lián)后總接地電阻R=0.98Ω＜1Ω，因此該接地方案滿足設計要求。

2.5 結果分析

本次設計構建的三維多層空間接地網(wǎng)BIM模型基本合理，計算電阻值基本滿足要求。需要注意的是，計算所取土壤電阻率為標準值，若遇到氣候長期干旱，土壤含水率長期偏低，會造成土壤電阻率明顯升高，接地網(wǎng)的阻值將無法滿足要求，會對安全生產造成隱患。因此，可考慮采用下列方法改善接地阻值：換填電阻率較低的土壤，選用更大接觸面積的接地模塊，增加接地網(wǎng)的層數(shù)等。

以換填電阻率較低的土壤為例，為便于施工，僅考慮對接地模塊周邊土壤進行局部換填，換填土壤為砂質粘土，土壤電阻率ρ=100 Ω.m，經計算，總接地電阻R=0.54 Ω，改善效果明顯。

3 結語

文章以南水北調中線一期工程某35kV降壓變電站為基礎，基于BIM技術構建空間三維多層接地網(wǎng)模型。接地網(wǎng)采用4層水平不等間距接地網(wǎng)，配合采用石墨接地模塊作為垂直接地體，通過三維模型的建設和布局形成合理設計方案，并通過接地電阻計算驗證設計方案，在設計階段形成科學、合理、高質量的設計方案，避免接地方案與其他專業(yè)的沖突，減少施工過程中修改和變更。

BIM技術是一門新興的技術，如何與實際工程的有效結合，提高設計效率，提高設計產品成果是BIM設計的難點，本文以點帶面，通過闡述BIM技術與接地方案設計的結合，對BIM技術與電氣專業(yè)設計的有效結合進行了一定的探索和研究，新技術的應用已經初步達到了提高設計產品質量的目的。

［1］徐彬鑫，李祥飛，黎德，變電站三維立體接地網(wǎng)的研究與應用［J］.湖南工業(yè)大學學報，2015，29（6）：58～63.

［2］林奔，桂寧，董彥松，裘智峰，基于BIM的接地網(wǎng)系統(tǒng)設計與電氣仿真［J］.浙江理工大學學報（自然科學版），2016，35（2）：257～264.

［3］邵阿紅，葉永衛(wèi)，田二明，變電站接地網(wǎng)降阻措施研究［J］.重慶工商大學學報（自然科學版），2012，29（4）：96100.

［4］楊曉雄，彭敏放，苗文華，等，發(fā)變電站接地網(wǎng)優(yōu)化設計［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學報，2014，22（4）：45-48.

［5］陳麗萍.高土壤電阻率地區(qū)變電站降低接地電阻措施的探討［J］.科技廣場，2011（3）：182-185.

［6］楊曉雄，彭敏放，苗文華，等.發(fā)變電站接地網(wǎng)優(yōu)化設計［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學報，2014，22（4）：45-48.

［7］周志敏.110 kV變電站接地網(wǎng)工程設計實踐［J］.電氣&智能建筑，2009（01/02）：16-18.

［8］謝冰，接地模塊在南水北調工程中的應用［J］.河南水利與南水北調，2011，11：45～48.

TM63

A

1673-8853（2017）10-0063-03

謝冰（1985－），男，工程師，主要從事電氣、水利信息化設計工作。

2017-9-25

編輯：左英勇