基于三維設計的戶外配電裝置優化應用

(中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

目前變電工程設計主要采用二維設計軟件輔助設計，設計人員需要依靠空間想象能力和多角度斷面圖完成三維空間的校驗工作，繪圖工作量大，重復勞動多，設計精細度和質量無法有效管控。隨著技術不斷進步，三維設計軟件平臺越來越多地應用到變電工程設計中，三維設計可實現多專業協同工作，提供直觀的空間設計環境，將設計人員從重復勞動中解放出來，集中更多的精力投入到方案優化和設計創新上[1-4]。

變電站戶外配電裝置因配電裝置型式、設備選型和布置方案的多樣性，根據不同工程特點具有多樣的方案組合，目前工程應用中主要采用國家電網公司通用設計方案進行方案設計[5]。隨著“兩型一化”理念的推廣，基于通用設計方案的優化工作已經成為行業內研究的重點，三維設計技術因其優越的多專業協同能力和空間可視性可在戶外配電裝置優化中發揮重要的作用。

1 戶外配電裝置三維設計優化流程

1.1 優化流程

本文提出一套戶外配電裝置三維設計優化流程，見圖1，主要內容如下：

1)確定配電裝置型式和設備布置方案

根據工程特點和場地條件確定配電裝置型式和主要設備布置方案。常見戶外配電裝置型式主要有三種：氣體絕緣金屬封閉開關設備(gas insulated switchgear，GIS)、HGIS、空氣絕緣開關 設 備 (air insulated switchgear，AIS)。GIS 主要有一字型、Z字型、L型和U型等布置方案；HGIS主要有一字型、C型、半C型等布置方案；AIS主要有高型、半高型和中型等布置方案。

2)建立初步的三維模型，確定優化方向

利用已有的原始數據建立初步的三維模型，主要有兩種方式：一是可以根據工程特點選取通用設計方案進行建模；二是直接選取類似工程的三維模型作為基礎模型。

配電裝置的優化主要針對間隔寬度、設備間距、縱向橫向尺寸、構架高度等方面。

3)選取關鍵控制點，確定三維校驗半徑

關鍵控制點選取以滿足配電裝置正常運行為前提，考慮場地條件、不同工況下的電氣距離要求，選取設備邊緣、導線邊緣帶電部分作為三維校驗點并根據規程規范要求的最小安全凈距確定校驗半徑。

4)三維碰撞校驗，調整優化方案

根據關鍵控制點三維校驗結果調整安全凈距校驗裕度，提出優化方案并反復校驗，多專業協同工作優化調整直至方案滿足要求。

5)設備吊裝模擬校驗，修正優化方案

針對優化后的方案進行三維吊裝模擬校驗并修正方案。

6)確定布置方案，輸出優化結果

1.2 關鍵要點

1.2.1 關鍵控制點的選取原則

1)電氣設備相間帶電距離校驗選取指向相鄰相設備方向的設備邊緣帶電部分；相地帶電距離校驗選取指向最近接地部分的設備邊緣帶電部分。

2)跨線、跳線的相間帶電距離校驗選取指向相鄰相導線的導線(或均壓環)邊緣帶電部分；相地帶電距離校驗，選取指向最近接地部分的導線(或均壓環)邊緣帶電部分。

3)設備吊裝模擬時帶電距離校驗，選取相鄰間隔內最接近設備邊緣、頂部跳線、相鄰懸垂串均壓環邊緣帶電部分。

1.2.2 校驗半徑的選取原則

1)根據DL/T 5352《高壓配電裝置設計技術規程》《電力工程電氣設計手冊》等規程規范確定屋外配電裝置和屋外軟導線在不同條件下帶電部分至接地部分及不同相帶電部分的最小安全凈距[6-7]。

2)根據站址海拔、風速條件等因素修正相關設備和導線電氣距離校驗半徑。

2 實施方案

本文以某沿海地區500 kV變電站工程初步設計階段戶外配電裝置優化過程為例詳細闡述基于三維設計的戶外配電裝置優化流程，實施方案采用Bentley三維設計平臺開展多專業協同設計，其中電氣專業負責設備和導地線建模，結構及建筑專業負責構支架、場地和建筑物建模。

2.1 工程概況

站址位于沿海地區，海拔小于1 000 m，離地10 m高，50 a一遇10 min平均最大風速取37.0 m/s，戶外電氣設備電瓷外絕緣爬電距離按照國際d級污區設計。

本實施方案中500 kV遠景出線8回，其中2回出線裝設高壓并聯電抗器，采用戶外HGIS設備，可研方案按照國家電網公司500 kV智能變電站通用設計500-B-5方案[5]，間隔寬度27 m/28 m (帶消防環路)，場地橫向尺寸184 m，縱向尺寸102.5 m，500 kV配電裝置平面布置圖見圖2。

2.2 設備布置優化

可研方案采用戶外HGIS配電裝置，3臺斷路器一字型排列，典型間隔斷面圖見圖3(a)，配電裝置母線構架縱向尺寸30.5 m。考慮到HGIS布置較為靈活，3臺斷路器的相對位置可調整，結合運檢維護便利性和側向出線的需求，本文提出戶外HGIS半C型布置方案，見圖3(b)。該方案中兩個出線套管一個布置于中間位置與常規一樣通過上層跨線出線，另外一個布置于母線外側直接向外出線，避雷器之間通過GIL分支母線連接完成一個半斷路器接線，母線構架縱向尺寸僅由側向出線間隔寬度決定，由30.5 m優化至24.5 m，優化過程見下文。

2.3 配電裝置間隔寬度優化

2.3.1 基于設備均壓環相間及相地距離校驗

1)均壓環尺寸調研及三維建模

經與廠家調研，500 kV避雷器、電壓互感器、HGIS設備套管均壓環建模直徑分別為2 m、1 m、1.6 m。根據可研方案，500 kV戶外HGIS配電裝置間隔寬度為27 m，出線相地距離6 m，相間距離7.5 m，以避雷器均壓環外側帶電部分為控制點，電氣距離校驗見圖4(a)，圖中避雷器相地距離校驗裕度約457 mm，避雷器相間距離校驗裕度約1 250 mm。

2)基于電氣距離校驗裕度控制的間隔寬度優化

以500 kV避雷器為例，考慮一定的施工誤差和不確定因素，電氣距離校驗裕度控制在200 mm左右，進而將500 kV出線間隔相間距離優化為6.5 m、相地距離優化為5.75 m，出線間隔寬度優化至24.5 m，電氣距離校驗結果見圖4(b)，圖中避雷器相地距離校驗裕度約176 mm，避雷器相間距離校驗裕度約251 mm。

2.3.2 500 kV跨線、跳線電氣距離檢驗

1)基本輸入條件

絕緣子串：根據站區污穢條件，選用40片XWP雙傘型耐張絕緣子，絕緣子串長度為λ=7 625 mm。

導線：跨線、跳線選擇雙分裂耐熱鋁合金導線 (2×NAHLGJQ-1440)，直徑r=52 mm，分裂間距d=400mm。500kV跨線檔距l0=24.5 m，弧垂f= 1.8 m，構架柱直徑b= 650 mm。

設計風速：站址離地10 m高，50 a一遇的10 min平均最大風速為37 m/s，上跨線高度33 m，經過換算該高度下10 min平均最大風速為45 m/s。

2)風偏搖擺電氣距離計算

根據上述基本輸入條件進行跨線、跳線風偏搖擺條件下電氣校驗距離計算，結果見表1(計算方法參照《電力工程電氣設計手冊 第一冊：電氣一次部分》公式附10-5～44[7])。

3)風偏條件下電氣距離校驗

根據表1中數據，考慮風偏工況，跨線相地電氣校驗半徑選取5 032 mm，相間電氣校驗半徑選取5 215 mm，見圖5(a)，跨線相關電氣距離滿足要求。跳線電氣距離校驗時選取在最大工作電壓計算風速45 m/s工況，相地電氣校驗半徑選取7 550 mm，相間電氣校驗半徑選取8 350 mm，結果見圖5(b)，校驗球發生碰撞，不滿足校驗要求。針對此情況，本文提出采用V型懸垂絕緣子串控制出線跳線風偏(V型懸垂絕緣子的嵌位功能可基本消除跳線橫向風偏)，以V型串底部均壓環為控制點進行校驗，三維校驗結果見圖5(c)，校驗結果滿足安全凈距要求。

2.3.3 間隔寬度優化結果

綜合設備相間及相地距離校驗、導線風偏搖擺控制等校驗并對跳線風偏采用V串控制的結論，500 kV配電裝置間隔寬度可優化至24.5 m，相間距離取6.5 m (可研方案7.5 m)，相地距離取5.75 m (可研方案6 m)。

2.4 配電裝置縱向尺寸優化

500 kV配電裝置縱向尺寸影響因素主要有：管母線相間電氣距離和相地電氣距離；跳線、引下線等電氣距離；高壓并聯電抗器場地(以下簡稱“高抗場地”)的尺寸控制；設備間運檢吊裝距離的控制。

2.4.1 母線構架寬度優化及校驗

根據結構專業構架計算及三維建模結果，構架采用單柱+A型柱+單柱組合型式，結合半C型布置進線型式，母線相地距離按照5.5/7 m控制，相間距離按照6 m控制。

根據上述參數建模并進行電氣距離校驗，控制點選取跳線、母線懸垂串均壓環外部帶電部分，校驗半徑選取4 550 mm (根據DL/T 5352高壓配電裝置設計技術規程規定的最小安全凈距)，校驗結果見圖6。圖6(a)中可以看出母線相間電氣距離、母線與構架柱電氣距離滿足校驗要求；圖6(b)中母線電氣距離校驗球與進出線跳線發生碰撞；圖6(c)中進出線跳線校驗球與母線橫梁碰撞。為解決母線、進出線跳線相關電氣距離不足問題，本文選用XWP三傘型耐張絕緣子串，在滿足爬電距離條件下，耐張絕緣子串片數可減少至34片(絕緣子串長度減小為λ= 6 540 mm)。優化后母線架構電氣距離校驗結果見圖7，采用三傘型絕緣子后，圖中相關電氣距離校驗均滿足要求。

2.4.2 高抗場地的優化

實施方案中高抗與所接線路考慮一同投退，取消高抗隔離開關，500 kV避雷器和電壓互感器采用可拆卸型支架，高抗運輸通道與500 kV HGIS運輸道路合并，在避雷器與電壓互感器之間設置高抗本體上附件的吊裝通道，取消可研方案中高抗場地運輸外環路。高抗場地縱向尺寸由26.5 m優化至17.5 m，橫向尺寸由76 m優化至68 m，優化前后高抗場地平面示意圖見圖8。

2.4.3 設備間運輸吊裝校驗

可研方案中500 kV戶外HGIS采用常規一字型布置方案，母線構架兩邊下方設置兩條4 m寬的內環道路用于HGIS設備運輸和吊裝，高抗場地設置一條4 m寬道路用于高抗回路設備運輸和吊裝，見圖2和圖3(a)。實施方案中選用半C型HGIS設備，取消主變進線側構架下方內環路，出線側設置4 m寬內環路，線路側邊斷路器利用出線側道路吊裝，主變側邊斷路器、中間斷路器通過大噸位吊車(停留在主變側道路上)吊裝，吊裝時僅需斷路器上方母線停電，見圖3(b)。高抗運輸與HGIS共用出線側構架下方的內環路，吊裝通道采用避雷器與電壓互感器之間道路，見圖8。在三維模型中對500 kV配電裝置主要設備運輸吊裝空間進行校驗，校驗點選取帶電母線邊緣，校驗半徑選取3 800 mm，見圖9。

2.4.4 縱向尺寸優化結果

500 kV配電裝置母線構架梁寬度由30.5 m優化為24.5 m，高抗場地縱向尺寸由26.5 m優化為17.5 m，配電裝置縱向總尺寸由102.5 m優化至80 m。

2.5 優化結果

實施方案中500 kV戶外HGIS采用半C型布置方案，通過對間隔寬度、縱向尺寸及高抗場地優化并進行三維校驗，結合電氣設備運輸吊裝校驗結果確定最終優化方案，電氣、結構及建筑多專業協同設計實現模型的動態調整和驗證，優化后500 kV配電裝置軸測圖和平面布置圖見圖10。500 kV配電裝置橫向尺寸由可研的184 m優化為168 m，壓縮16 m；縱向尺寸由可研的102.5 m優化為80 m，壓縮22.5 m；優化后的500 kV配電裝置占地面積11 690 m2比可研的15 998 m2節約了4 308 m2，減少約27%。

3 結語

本文結合三維技術優越的多專業協同能力和空間可視性提出一套戶外配電裝置三維設計優化流程，以某沿海地區500 kV變電站工程為應用案例，結合三維模型詳細介紹500 kV戶外HGIS配電裝置布置、間隔寬度、縱向尺寸及吊裝模擬的優化過程，采用三維設計手段進行充分的比選驗證，說明三維設計在變電工程具有良好的應用前景。與此同時，變電工程三維設計在關鍵點自動抓取、自動校驗、數字化交付、多軟件平臺整合和設計效率提升等方面仍需要進一步研究。