基于三维设计的户外配电装置优化应用

摘要：三维设计技术因其优越的多专业协同能力和空间可视性，已经在变电工程设计中广泛应用。结合三维设计技术特点提出一套户外配电装置三维设计优化流程，详细阐述户外配电装置优化过程中关键控制点和三维校验半径的选取原则。以某沿海地区 500 kV 变电站工程为应用案例，介绍利用三维设计进行 500 kV 户外复合式组合开关设备 (hybrid gas insulated switchgear，HGIS) 配电装置设备布置、间隔宽度、纵向尺寸和吊装模拟校验的优化过程，优化方案较原有方案节约占地近 30%，充分体现三维设计在变电工程中良好的应用前景。

关键词:三维设计；户外配电装置；专业协同；空间可视性

0 引言

目前变电工程设计主要采用二维设计软件辅助设计，设计人员需要依靠空间想象能力和多角度断面图完成三维空间的校验工作，绘图工作量大，重复劳动多，设计精细度和质量无法有效管控。随着技术不断进步，三维设计软件平台越来越多地应用到变电工程设计中，三维设计可实现多专业协同工作，提供直观的空间设计环境，将设计人员从重复劳动中解放出来，集中更多的精力投入到方案优化和设计创新上 [1-4]。

变电站户外配电装置因配电装置型式、设备选型和布置方案的多样性，根据不同工程特点具有多样的方案组合，目前工程应用中主要采用国家电网公司通用设计方案进行方案设计 [5]。随着“两型一化”理念的推广，基于通用设计方案的优化工作已经成为行业内研究的重点，三维设计技术因其优越的多专业协同能力和空间可视性可在户外配电装置优化中发挥重要的作用。

1 户外配电装置三维设计优化流程

1.1 优化流程

本文提出一套户外配电装置三维设计优化流程，见图 1，主要内容如下 ：

1) 确定配电装置型式和设备布置方案

根据工程特点和场地条件确定配电装置型式和主要设备布置方案。常见户外配电装置型式主要有三种：气体绝缘金属封闭开关设备(gas insulated switchgear，GIS)、HGIS、空气绝缘开关设备(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) 建立初步的三维模型，确定优化方向

利用已有的原始数据建立初步的三维模型，主要有两种方式：一是可以根据工程特点选取通用设计方案进行建模；二是直接选取类似工程的三维模型作为基础模型。

配电装置的优化主要针对间隔宽度、设备间距、纵向横向尺寸、构架高度等方面。

3) 选取关键控制点，确定三维校验半径

关键控制点选取以满足配电装置正常运行为前提，考虑场地条件、不同工况下的电气距离要求，选取设备边缘、导线边缘带电部分作为三维校验点并根据规程规范要求的最小安全净距确定校验半径。

4) 三维碰撞校验，调整优化方案

根据关键控制点三维校验结果调整安全净距校验裕度，提出优化方案并反复校验，多专业协同工作优化调整直至方案满足要求。

5) 设备吊装模拟校验，修正优化方案

针对优化后的方案进行三维吊装模拟校验并修正方案。

6) 确定布置方案，输出优化结果

图1 户外配电装置三维设计优化流程示意图

1.2 关键要点

1.2.1 关键控制点的选取原则

1) 电气设备相间带电距离校验选取指向相邻相设备方向的设备边缘带电部分；相地带电距离校验选取指向最近接地部分的设备边缘带电部分。

2) 跨线、跳线的相间带电距离校验选取指向相邻相导线的导线(或均压环)边缘带电部分；相地带电距离校验，选取指向最近接地部分的导线(或均压环)边缘带电部分。

3) 设备吊装模拟时带电距离校验，选取相邻间隔内最接近设备边缘、顶部跳线、相邻悬垂串均压环边缘带电部分。

1.2.2 校验半径的选取原则

1) 根据 DL/T 5352《高压配电装置设计技术规程》《电力工程电气设计手册》等规程规范确定屋外配电装置和屋外软导线在不同条件下带电部分至接地部分及不同相带电部分的最小安全净距 [6-7]。

2) 根据站址海拔、风速条件等因素修正相关设备和导线电气距离校验半径。

2 实施方案

本文以某沿海地区 500 kV 变电站工程初步设计阶段户外配电装置优化过程为例详细阐述基于三维设计的户外配电装置优化流程，实施方案采用 Bentley 三维设计平台开展多专业协同设计，其中电气专业负责设备和导地线建模，结构及建筑专业负责构支架、场地和建筑物建模。

2.1 工程概况

站址位于沿海地区，海拔小于 1 000 m，离地 10 m 高，50 a 一遇 10 min 平均最大风速取 37.0 m/s，户外电气设备电瓷外绝缘爬电距离按照国际 d 级污区设计。

本实施方案中 500 kV 远景出线 8 回，其中 2 回出线装设高压并联电抗器，采用户外 HGIS 设备，可研方案按照国家电网公司 500 kV 智能变电站通用设计 500-B-5 方案 [5]，间隔宽度 27 m/28 m ( 带消防环路 )，场地横向尺寸 184 m，纵向尺寸 102.5 m，500 kV 配电装置平面布置图见图 2。

图2 500 kV 配电装置平面布置图 ( 可研方案 )

2.2 设备布置优化

可研方案采用户外 HGIS 配电装置，3 台断路器一字型排列，典型间隔断面图见图 3(a)，配电装置母线构架纵向尺寸 30.5 m。考虑到 HGIS 布置较为灵活，3 台断路器的相对位置可调整，结合运检维护便利性和侧向出线的需求，本文提出户外 HGIS 半 C 型布置方案，见图 3(b)。该方案中两个出线套管一个布置于中间位置与常规一样通过上层跨线出线，另外一个布置于母线外侧直接向外出线，避雷器之间通过 GIL 分支母线连接完成一个半断路器接线，母线构架纵向尺寸仅由侧向出线间隔宽度决定，由 30.5 m 优化至 24.5 m，优化过程见下文。

(a) 常规一字型布置

(b) 半C型布置

图3 500 kV典型间隔断面图

2.3 配电装置间隔宽度优化

2.3.1 基于设备均压环相间及相地距离校验

1) 均压环尺寸调研及三维建模

经与厂家调研，500 kV 避雷器、电压互感器、HGIS 设备套管均压环建模直径分别为 2 m、1 m、1.6 m。根据可研方案，500 kV 户外 HGIS 配电装置间隔宽度为 27 m，出线相地距离 6 m，相间距离 7.5 m，以避雷器均压环外侧带电部分为控制点，电气距离校验见图 4(a)，图中避雷器相地距离校验裕度约 457 mm，避雷器相间距离校验裕度约 1250 mm。

2) 基于电气距离校验裕度控制的间隔宽度优化

以 500 kV 避雷器为例，考虑一定的施工误差和不确定因素，电气距离校验裕度控制在 200 mm 左右，进而将 500 kV 出线间隔相间距离优化为 6.5 m、相地距离优化为 5.75 m，出线间隔宽度优化至 24.5 m，电气距离校验结果见图 4(b)，图中避雷器相地距离校验裕度约 176 mm，避雷器相间距离校验裕度约 251 mm。

2.3.2 500 kV 跨线、跳线电气距离检验

1) 基本输入条件

绝缘子串：根据站区污秽条件，选用 40 片 XWP 双伞型耐张绝缘子，绝缘子串长度为 λ=7625 mm。

导线：跨线、跳线选择双分裂耐热铝合金导线 (2×NAHLGJQ-1440)，直径 r=52 mm，分裂间距 d=400 mm。500 kV跨线档距l 0=24.5 m，弧垂 f=1.8 m，构架柱直径 b=650 mm。

设计风速：站址离地 10 m 高，50 a 一遇的 10 min 平均最大风速为 37 m/s，上跨线高度 33 m，经过换算该高度下 10 min 平均最大风速为 45 m/s。

2) 风偏摇摆电气距离计算

根据上述基本输入条件进行跨线、跳线风偏摇摆条件下电气校验距离计算，结果见表 1 (计算方法参照《电力工程电气设计手册 第一册：电气一次部分》公式附 10-5～44 [7])。

表 1 跨线、跳线风偏摇摆电气校验距离计算表

3) 风偏条件下电气距离校验

根据表 1 中数据，考虑风偏工况，跨线相地电气校验半径选取 5032 mm，相间电气校验半径选取 5215 mm，见图 5(a)，跨线相关电气距离满足要求。跳线电气距离校验时选取在最大工作电压计算风速 45 m/s 工况，相地电气校验半径选取 7550 mm，相间电气校验半径选取 8350 mm，结果见图 5(b)，校验球发生碰撞，不满足校验要求。针对此情况，本文提出采用 V 型悬垂绝缘子串控制出线跳线风偏 (V 型悬垂绝缘子的嵌位功能可基本消除跳线横向风偏 )，以 V 型串底部均压环为控制点进行校验，三维校验结果见图 5(c)，校验结果满足安全净距要求。

图5 跨线和跳线电气距离校验图

2.3.3 间隔宽度优化结果

综合设备相间及相地距离校验、导线风偏摇摆控制等校验并对跳线风偏采用 V 串控制的结论，500 kV 配电装置间隔宽度可优化至 24.5 m，相间距离取 6.5 m ( 可研方案 7.5 m)， 相地距离取 5.75 m ( 可研方案 6 m)。

2.4 配电装置纵向尺寸优化

500 kV 配电装置纵向尺寸影响因素主要有：管母线相间电气距离和相地电气距离；跳线、引下线等电气距离；高压并联电抗器场地 ( 以下简称“高抗场地”) 的尺寸控制；设备间运检吊装距离的控制。

2.4.1 母线构架宽度优化及校验

根据结构专业构架计算及三维建模结果，构架采用单柱 +A 型柱 + 单柱组合型式，结合半 C 型布置进线型式，母线相地距离按照 5.5/7 m 控制，相间距离按照 6 m 控制。

根据上述参数建模并进行电气距离校验，控制点选取跳线、母线悬垂串均压环外部带电部分，校验半径选取 4550 mm ( 根据 DL/T 5352 高压配电装置设计技术规程规定的最小安全净距 )，校验结果见图 6。图 6(a) 中可以看出母线相间电气距离、母线与构架柱电气距离满足校验要求；图 6(b) 中母线电气距离校验球与进出线跳线发生碰撞；图 6(c) 中进出线跳线校验球与母线横梁碰撞。为解决母线、进出线跳线相关电气距离不足问题，本文选用 XWP 三伞型耐张绝缘子串，在满足爬电距离条件下，耐张绝缘子串片数可减少至 34 片 ( 绝缘子串长度减小为 λ=6540 mm)。优化后母线架构电气距离校验结果见图 7，采用三伞型绝缘子后，图中相关电气距离校验均满足要求。

图6 母线构架宽度电气距离校验图(优化前)

图 7 母线构架宽度电气距离校验图 ( 优化后 )

2.4.2 高抗场地的优化

实施方案中高抗与所接线路考虑一同投退，取消高抗隔离开关，500 kV 避雷器和电压互感器采用可拆卸型支架，高抗运输通道与 500 kV HGIS 运输道路合并，在避雷器与电压互感器之间设置高抗本体上附件的吊装通道，取消可研方案中高抗场地运输外环路。高抗场地纵向尺寸由 26.5 m 优化至 17.5 m，横向尺寸由 76 m 优化至 68 m，优化前后高抗场地平面示意图见图 8。

2.4.3 设备间运输吊装校验

可研方案中 500 kV 户外 HGIS 采用常规一字型布置方案，母线构架两边下方设置两条 4 m 宽的内环道路用于 HGIS 设备运输和吊装，高抗场地设置一条 4 m 宽道路用于高抗回路设备运输和吊装，见图 2 和图 3(a)。实施方案中选用半 C 型 HGIS 设备，取消主变进线侧构架下方内环路，出线侧设置 4 m 宽内环路，线路侧边断路器利用出线侧道路吊装，主变侧边断路器、中间断路器通过大吨位吊车 ( 停留在主变侧道路上 ) 吊装，吊装时仅需断路器上方母线停电，见图 3(b)。高抗运输与 HGIS 共用出线侧构架下方的内环路，吊装通道采用避雷器与电压互感器之间道路，见图 8。在三维模型中对 500 kV 配电装置主要设备运输吊装空间进行校验，校验点选取带电母线边缘，校验半径选取 3800 mm，见图 9。

(a)可研方案

(b)优化方案

图8 高抗场地平面示意图

a）HGIS设备吊装

（b）高抗本体运输

（c）高抗附件吊装

图9 500 kV主要设备运输吊装校验图

2.4.4 纵向尺寸优化结果

500 kV 配电装置母线构架梁宽度由 30.5 m 优化为 24.5 m，高抗场地纵向尺寸由 26.5 m 优化为 17.5 m，配电装置纵向总尺寸由 102.5 m 优化至 80 m。

2.5 优化结果

实施方案中 500 kV 户外 HGIS 采用半 C 型布置方案，通过对间隔宽度、纵向尺寸及高抗场地优化并进行三维校验，结合电气设备运输吊装校验结果确定最终优化方案，电气、结构及建筑多专业协同设计实现模型的动态调整和验证，优化后 500 kV 配电装置轴测图和平面布置图见图 10。500 kV 配电装置横向尺寸由可研的 184 m 优化为 168 m，压缩 16 m；纵向尺寸由可研的 102.5 m 优化为 80 m，压缩 22.5 m；优化后的 500 kV 配电装置占地面积 11690 m 2比可研的 15998 m 2节约了 4308 m 2，减少约 27%。

(a)三维轴侧图

(b)平面布置图

图10 500 kV配电装置三维轴测图及平面图

3 结语

本文结合三维技术优越的多专业协同能力和空间可视性提出一套户外配电装置三维设计优化流程，以某沿海地区 500 kV 变电站工程为应用案例，结合三维模型详细介绍 500 kV 户外 HGIS 配电装置布置、间隔宽度、纵向尺寸及吊装模拟的优化过程，采用三维设计手段进行充分的比选验证，说明三维设计在变电工程具有良好的应用前景。与此同时，变电工程三维设计在关键点自动抓取、自动校验、数字化交付、多软件平台整合和设计效率提升等方面仍需要进一步研究。