基于三維設計的變電站高壓電氣距離動態校驗方法

熊靜， 李思浩

(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

電氣設備距離是變電站電源兩節點之間電氣關系的物理量，其主要功能是防止人體、車輛等帶電體接近電氣設備，造成短路、火災、爆炸事故[1-3]。在大體上，可以將電氣距離檢測方法分為靈敏度法和阻抗法兩類，且這兩類電氣距離計算方法，都需要分析變電站狀態變量之間的關系，通過狀態變量確定電氣距離[4-6]。但是，上述方法計算出電氣距離后并未進行過電氣距離校驗，為了保證根據電氣距離計算方法，所設置的電氣距離，一定是最適合變電站高壓電氣距離，不會存在偏差，為此提出基于三維設計的變電站高壓電氣距離動態校驗方法，進一步驗證電氣距離。

1 研究基于三維設計的變電站高壓電氣距離動態校驗方法

1.1 基于三維設計建立變電站高壓電氣模型

考慮到三維設計平臺的靈活性、計算性、輔助性和圖像的綜合性，本文選取Bentley平臺，建立變電站高壓電氣設備的三維模型，進行高壓電氣設備的二維圖紙設計。

為了驗證電氣設備設計中使用的二維圖紙的合理性和實用性，驗證設計的合理性和實用性，避免電氣設備確定后在實際施工過程中出現返工現象，根據設計單位設計的變電站高壓電氣設備二維圖，采用三維設計技術。根據二維圖確定的變電站高壓電氣設備信息，在Bentley平臺上建立變電站高壓電氣設備模板文件。在文件中，應包括電氣設備標準結構的基本三維建模，并增加所需的元件、屬性、樣式、二維符號、尺寸、繪圖單位、圖層、圖標框、顏色、材料庫等基本三維建模；并根據上述信息，建立統一的變電所高壓電氣設備數據庫，規范變電所電氣設備的相應屬性。在三維設計和建模過程中，需要自動統計變電站高壓電氣設備、所需材料信息及其數量，生成材料報告，Bentley平臺生成的報告必須清晰。

根據上述內容，確定建模流程和建模規則，將二維圖紙轉換成三維設計圖。則此次建立的變電站高壓電氣設備三維模型，如圖1所示。

圖1 變電站高壓電氣設備三維模型

此時，根據圖1所示變電站高壓電氣設備的三維模型，可以進行電氣設備距離的動態校準，即安全網距離校準和動態碰撞檢查。由于在三維設計的過程中，可能存在綜合使用三維設計平臺的現象，因此將二維圖紙轉換成三維模型時，需要統一文件命名方式、目錄結構、模型命名規則、色表文件、坐標系和坐標原點。其中，色表文件統一是為了避免不同平臺設計三維模型在合成的過程中存在色差；坐標系和坐標原點建立統一是為了方便三維設計模型的合成，降低電氣設備動態距離檢查難度，因為坐標系和坐標原點一經確定，產生的軸網不能隨意旋轉、移動和縮放。

此外，在設計電氣設備三維模型時，還需要建立三維設計的編碼規則，即工藝相關標識、安裝點標識、位置標識。降低模型合成難度，也可以提高電氣設備校驗結果的輸出速度。由于電氣設備還分為一次設備和二次設備。因此，在建立電氣設備三維模型時，需要協同設計電氣設備的三維模型，按照轉換二維圖紙—數字化設計—虛擬電子端—三維設計的步驟，完成變電站高壓電氣設備的建模。

1.2 動態校驗變電站高壓電氣距離

基于1.1，將電氣設備二維圖紙，轉換成三維模型的轉換步驟，采用Bentley平臺，生成電氣設備距離校驗球，通過碰撞檢查的方式，動態校驗電氣設備安全凈距離校驗。

本次設計的變電站高壓電氣設備遠程動態校準方法，將采用智能化程序，嵌入Bentley平臺的三維校驗規則和校驗過程，在變電站高壓電氣設備校驗中，生成智能校驗球，在設計過程中，可以自動檢查電氣設備之間的距離，減少設計師修改圖紙的次數，提高繪圖效率。因此，在Bentley平臺中設定的電氣設備動態校驗流程，如圖2所示。

圖2 電氣設備動態校驗流程

從圖2中可以看出，在校驗電氣設備距離時，此次設計的電氣設備動態校驗流程所用的校驗球一經發現電氣設備距離，不符合電氣設備安全凈距離要求時，可以自動發出警報，提示三維設計人員，電氣設備距離不合格，要求設計人員更改電氣設備，否則Bentley平臺，將不再響應設計人員的操作，直至電氣設備所有校驗都通過。但是，此時的校驗過程未曾實現全自動校驗，因此需要在Bentley平臺運行后臺設置相應的電氣設備距離校驗判斷流程，如圖3所示。

圖3 Bentley平臺運行后臺電氣設備距離校驗判斷流程

根據圖2動態校驗流程，在平臺運行的背景下，完成電氣設備的動態校準流程和電氣設備的距離校準和判斷過程，使用Bentley平臺生成的校驗球，根據圖2、圖3設置的2個流程，動態校驗電氣設備距離。

校驗變電站電氣設備三維模型時，校驗球會在電氣設備三維模型中不斷滾動，通過碰撞的方式檢驗電氣設備之間的距離是否為安全凈距離。在校驗的過程中，一旦彈出警示對話框，則表明該校驗點的電氣設備距離不屬于安全凈距離，并顯示出此時校驗球所在位置的電氣設備之間的距離，從而確定電氣設備設計的最優方案，將所有疏漏，都排除在圖紙成品之前，進而將電氣設備安全距離問題徹底消滅。

2 實驗論證分析

驗證此次研究的變電站高壓電氣距離動態校驗方法，選擇某區域的變電站高壓電氣設備，作為此次實驗的研究對象。并將此次研究的變電站高壓電氣距離動態校驗方法，記為實驗A組，文獻[1]和文獻[2]提到的2組電氣距離校驗方法，分別記為實驗B組和實驗C組。建立變電站高壓電氣三維模型，確定變電站高壓電氣距離不合格區域，導線間的最短距離，對比3組方法，電氣距離校驗精度，導線最短距離檢測結果，距離相位誤差。

2.1 實驗準備

此次選擇的變電站高壓電氣設備為220 kV變電站，其終期安裝了4個主變壓器，每個變壓器的功率為240 MVA，并選擇35 kV出線24回，110 kV出線16回，220 kV進出線10回；本期安裝主變壓器2個，每個變壓器的功率為180 MVA，并選擇35 kV出線12回，110 kV出線8回，220 kV進出線10回。此次選擇的變電站高壓電氣設備，涉及到電氣一、二次部分，還存在一定的土建筑物。此外，該變電站電氣設備，還包含了35 kV電容器組和消弧線圈，110 kV和220 kV的GIS設備，確定的變電站高壓電氣設備參數，建立三維模型。

目前變電站三維設計平臺，主要包括Bentley、博超STD和AutoCAD 3個三維設計平臺，由于Bentley平臺三維建模靈活，自由度高，可以高度模擬設備外形，且其繪圖工具齊全，具有較高的計算能力、輔助設計能力和系統設計能力；而博超STD系統設計能力不靈活，AutoCAD平臺不具有計算能力、輔助設計能力和系統設計能力。所以此次設計變電站三維設計平臺，選擇Bentley平臺。該平臺建立的高壓電氣設備三維模型，如圖4所示。

基于此次選擇的Bentley平臺，建立的高壓電氣設備三維模型，作為此次實驗對象，采用3組電氣距離校驗方法，分別校驗如圖5所示的變電站高壓電氣設備三維模型。

2.2 電氣設備動態距離校驗精度對比

基于此次實驗設計的實驗參數，結合Bentley平臺建立的電氣設備三維模型，在三維模型中，更改變電站高壓電氣設備之間的距離，更改后，此次選擇的變電站高壓電氣設備，存在5處距離不合格區域。此時，使用3組電氣距離校驗方法，分別校驗此次實驗選擇的變電站高壓電氣設備安全距離。其校驗結果如圖5所示。

圖5 電氣安全距離校驗結果圖

從圖5中可以看出，實驗B組僅識別出3處電氣設備安全距離不合格區域，且只有1處識別結果正確，對電氣設備距離識別率低下；實驗C組雖然識別出5處電氣設備安全距離不合格區域，但是也僅有2處識別結果正確；而實驗A組雖然沒有識別出安全距離，存在問題的所有位置，但是，卻識別出5處電氣設備安全隱患區域，且5處識別結果全部正確。由此可見，此次研究的電氣距離動態校驗方法，已經達到了較高的校驗精度。

2.3 電氣設備距離相位對比

在上述兩組實驗的基礎上，統計3組方法，校驗電氣距離時，產生的距離相位差，對比3組方法，測得的距離相位差與實際距離相位差存在的誤差，每種方法測量30次，每隔5次，取一次數據，且不取最后一次數據，作為此次實驗的對比數據。此次實驗測得的距離相位差實際數據為0°、45°、90°和135°，3組方法的測量結果，如表1所示。

表1 距離相位差對比數據

從表1中可以看出，實驗B組測得的距離相位差，與實際測得的相位差雖然存在一定的差距，但是測得結果十分穩定，可以計算與實際值的平均誤差，估算電氣設備實際距離；實驗C組雖然存在較小的距離相位差，但是測得的距離相位差存在較大的波動，測量結果不準確，難以根據平均誤差進行估算；實驗A組相較實驗B組和實驗C組，不僅與實際距離相位差相差較小，且波動十分平穩。由此可見，此次研究的電氣距離動態校驗方法，動態校驗電氣距離，產生的距離相位誤差較小，校驗電氣距離結果更準確。

3 總結

此次研究變電站高壓電氣距離動態校驗方法，充分利用三維設計技術構建三維模型，提高電氣距離校驗速度，增加變電站高壓電氣設備路徑校驗功能。但是，此次研究的變電站高壓電氣距離動態校驗方法，未曾考慮校驗過程中發現不安全問題的自動提醒功能。因此，在今后的研究中，還需要深入研究動態校驗過程中發現電氣距離問題的提醒方式，進一步提高動態校驗的便攜性。