电缆三维信息模型研究及其应用

李　艳，孟　毓，蔡龙晟，毛峻青

(上海电力设计院有限公司，上海　200025)



电缆三维信息模型研究及其应用

李艳，孟毓，蔡龙晟，毛峻青

(上海电力设计院有限公司，上海200025)

摘要：在分析电缆工程信息模型组成的基础上，结合500 kV虹杨输变电工程电缆敷设实际情况，提出了电缆三维信息模型在工程中的具体应用方案，主要从协同设计、碰撞检查及出图研究方面展开论述。电缆三维信息化模型的应用，可大大节省设计的时间成本，提高设计质量，减少设计变更带来的损失。

关键词：电缆；信息模型；三维；协同设计；碰撞检查；出图

对于电缆线路工程，由于其隐蔽工程的特性，对于地下管线的布置以及定位有着很高的要求，传统的二维设计，只能处理平面上的信息，无法直观展现地下管线的空间布置，在具体工程中往往具有较大的局限性，容易造成工程成本的极大浪费[1]。

近年来，伴随着数字化设计技术的研究与应用，三维设计技术开始应用于工程设计。采用信息模型的电缆三维设计，最大的优势在于能将设备的尺寸、布置、位置等信息都存放在数据库中，并在三维平台中得到直观、准确的表现[1]。此外，各专业设计均处于同一个设计平台，每次本专业设计成果有新的进展时，都能在三维环境中与其他专业进行碰撞校验，可极大地提高设计精度和效率。

目前电力系统内对架空线路的三维设计已经有应用，尤其是特高压工程，均达到了三维设计和数字化移交的要求[2]，但对于地下电缆线路工程，如何实现信息模型的三维设计，保证数字化设计成果在后续运维管理中的进一步应用，国内外目前的相关研究成果较少。本文基于工程实例，对电缆工程信息模型的组成进行分析，并开展电缆工程信息模型应用研究，从协同设计、碰撞检查及出图研究等方面展开论述。

1电缆工程信息模型组成

1.1电缆工程属性信息模型

对于电缆线路工程，要实现三维数字化建模，首先需明确地理信息、电系参数、建筑信息模型(BIM)三个要素，将这些要素联系起来就形成了较为完善的三维数字化输电线路的概念。

(1)地理信息系统(GIS)模型数据量。GIS的部分信息可纳入测绘信息，包含明确的路名、围墙、周边建筑情况、进出线等息。

(2)电网地理接线数字化模型。为保证现有计算机技术能顺利开启对大面积地区的大量模型，应尽可能缩减模型本身几何参数，对于线路中的设备、构件(几何块表现)等设施则采用适量数据进行描述。模型本身包含GIS三维数字化地图，线路中各种设备均包含详细的地理坐标。

(3)线路数字化设备模型。根据线路设计参数，通过整理完整录入数字化模型，使信息量更完整。

数字化参数模型包含项目的不同建设阶段所产生的数据类型，设备可根据项目进度及移交方等进行分时分地管理，同时对数据后处理产生多元化应用，如：全寿命周期管理、物资采购、数据调阅等。

1.2电缆工程的专业分类

电缆线路工程的专业分类如表1所示。

表1　电缆线路工程专业分类表

1.3主要电气设备信息模型

电缆工程的设备信息模型大致分为电气部分、土建部分。其中，电气部分包括电力电缆、电缆终端、电缆中间接头、夹具等；土建部分包括隧道、隧道井、电力排管顶管、工井、电缆沟、电缆支架、埋件等。本文以电力电缆及其附件为例，讨论电缆工程中主要电气设备的信息模型组成。

1.3.1电力电缆信息模型组成

电力电缆的信息模型主要考虑以下几方面电缆参数：电压等级、结构技术参数、电气技术参数、非电气技术参数，如表2所示。

表2　电力电缆信息模型参数

1.3.2电缆附件信息模型组成

(1)电缆终端。电缆终端是安装在电缆未端用以保证电缆线路与电力系统其他部分连接，并保持绝缘至连接点的装置。电缆终端信息模型的搭建，应综合考虑该电缆终端所处的位置以及对于将来施工以及检修人员运行维护的便利性，有选择性地挑选模型储存的各项参数。模型记录参数的选择应按照电缆终端的详细分类进行，尽可能多地区分不同形式的电缆终端类型。电缆终端按照使用场所、所用材料或连接的设备不同，可分为户内终端、户外终端、环氧电缆终端、热缩电缆终端、冷缩电缆终端、预制电缆终端、象鼻电缆终端以及气体绝缘金属封闭电器(GIS)电缆终端等。另外需注意，虽然GIS电缆终端在实际的变电站中是隐藏在GIS本体的内部，在外部不可见的，但是在进行信息模型的建立时，依然应该建立完整的电缆终端的形状模型，标注准确的尺寸，以便于施工时的安装和今后的运维检修，其对于模型的后续使用者全面了解该电气设备的结构是十分必要的。

(2)电缆接头。电缆接头是安装在电缆与电缆之间，使之形成连续电路的装置，有些电缆接头还同时具有其他功能。电缆接头按使用功能可分为电缆直线接头、电缆绝缘接头、电缆塞止接头、电缆过渡接头、电缆分支接头、电缆软接头等。电缆接头的绝缘设计按电缆的结构不同可分为油浸纸绝缘电缆接头和挤包绝缘电缆接头的绝缘设计。在电缆中间接头的建模过程中，应充分考虑电缆接头的属性信息与其所连两段电缆属性的协调和配合，例如连接两段电缆的截面等。

(3)电缆夹具。电缆夹具是用来固定电缆的一种装置，安装在电缆支架上，通过将电缆套在环内进行固定，一般由金属制成。电缆夹具的信息模型一般需要记录电缆夹具的尺寸、材质以及生产厂家等。由于电缆夹具属于电缆的附件，且不涉及电气一次部分，对其模型的细致程度要求不高。在尽量节省计算机内存、加快显示效率的情况下，在形状建模时，对其圆弧状的外表面进行折线化处理，并将螺栓等细小部件一并融入同一个实体中。这样，既不影响电缆工程整体建模准确度，又可以大大提高计算机运算和显示的速度。这种差异化的建模方式，可以提高模型的利用率，其他类似的电气设备在建模时，也可以参考这种思路。

2电缆三维信息模型应用

2.1电缆三维信息模型应用背景

500 kV虹杨输变电工程电缆部分包括500 kV杨行变电站-500 kV虹杨变电站两回500 kV进线，全线采用隧道电缆敷设，同时预留第三回500 kV电缆进线。本期220 kV出线6回，远期220 kV出线21回。本工程涉及的隧道内敷设电缆数量众多，且均为220 kV及500 kV等级电缆，此外考虑到隧道内需要设置高压电缆接头[3-5]，有必要依据隧道实际情况对电缆进行信息模型的建模。

传统的二维电缆工程设计在电缆密布的虹杨变电站内显现出了显著的缺陷，主要体现在电缆工程的设计阶段、施工阶段以及运行维护的管理阶段等方面。

(1)对于虹杨工程的设计而言，由于电缆层内电缆数量众多，特别是在虹杨站北侧与隧道接通的工井部分，包括500 kV及220 kV在内所有进出线电缆均需要通过虹杨站北侧工井进而敷设至相应电缆隧道或排管内，设计工作对细节要求高，有必要将所有进出线规模进行统筹规划与设计，避免电缆与电缆之间、电缆与建筑设备之间的碰撞，同时需要兼顾电缆在站内的敷设满足电缆弯曲半径等要求。若采用传统二维设计方法，由于电缆数量多，站内情况复杂，设计过程中会产生很大工作量，拖延设计周期。三维信息化模型的设计方法则能够将设备的型号、尺寸以及布置均存放在数据库中。并在三维平台得到直观、准确的表现。在以虹杨工程为代表的电缆工程中使用信息模型对于设计过程中的精细化、准确化要求有着重要的意义。

(2)在施工阶段，虹杨变电站为地下变电站，涉及专业多，专业间接口复杂，为了便于施工管理，采用三维信息化模型设计可以直接进行数字化移交，使管理者和其他相关工作人员能够真实、直观、全面地了解工程建设情况，综合管理各单位的信息，提高管理水平。

(3)在工程建成投运以后，由于三维信息化模型的应用，管理单位可以直接依托工程信息模型对各种信息资源进行深层次、多元参数融合、协同处理，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合。

综合分析可知，在500 kV虹杨输变电工程中应用信息模型对设计、施工以及运行管理均有着重要意义。

2.2电缆工程的协同设计

虹杨站电缆层的建筑部分由变电建筑专业完成，相关设备布由变电电气专业完成，电缆层内电缆布置由送电电气专业完成。根据设计流程，首先由变电建筑向变电电气专业提资，完成电气布置后，向送电电气专业提资，最后完成电缆的敷设布置。

考虑电缆层内电缆多、敷设密集等特点，采用电缆层内走电缆沟的形式，既开辟了电缆专用通道用于高压电缆敷设，又节省了宝贵的站内空间与人行检修通道，如图1所示。

图1　虹杨站内电缆层布置

本次虹杨站内电缆布置，通过利用电缆三维信息模型设计，获得了更精准的电缆敷设设计成果，并保证电缆在满足弯曲半径要求的前提下，不与电缆层内其余结构发生冲突。借助协同设计功能，若干处电缆布置冲突点被发现，电缆层内电缆与电缆层楼面冲突示意图如图2所示。

图2　虹杨电缆层内电缆与电缆层楼面冲突示意图

根据原电缆沟与电缆层交接处变电建筑设计，电缆沟与电缆层交界处均为直角沟槽，通过电缆敷设可以发现，原方案下电缆无法保证顺利从电缆沟内敷设至电缆层，原变电建筑设计需改进优化。通过协同设计，送电电气专业与变电建筑专业及时发现了该矛盾，并通过在相关位置留有坡度和倒角，解决了该问题，避免了施工阶段的设计变更。

2.3电缆工程的碰撞检查

在虹杨站站内模型中运行管道与管道之间的碰撞冲突检查，显示出存在3处冲突，并可以生成HTML版本的报告文本指导相关的冲突修正，如图3所示。根据冲突报告完成修改后，运行碰撞检测，可以看到如图4所示的碰撞检测结果，表明三维模型中的碰撞得到有效调整。

图3　虹杨站站内碰撞检查

图4　解决冲突后运行碰撞检查结果

在虹杨站电缆层的电缆敷设设计过程中，运用三维设计方式，能有效的将站北侧工井内、隧道接口处、站内穿越电缆孔处的电缆排布直观地显示出来，方便设计及校审人员进行碰撞检验。相较于传统二维设计，在多回数电缆的敷设设计中，三维设计方法能够最大程度的避免电缆敷设过程中的碰撞，提高设计成品质量。

2.4电缆工程的出图研究

出图阶段，现阶段的出图有俯视图及断面图，针对不同专业和较复杂设计布置还应有立面图，其中还包括了变电站内支吊架和电缆竖井的示意图，这样出图较复杂，一致性不是很好，在标注方面都需要手动设置，增加了工作量。三维设计体现了立体层次的优点，能自动化、智能化出图，三维出图能更方便的从各个角度来截取模型，保持较好的一致性，并能自动在超过多少间距的时候进行距离标识。平台导出的虹杨变电站立体视图如5所示。

图5　平台导出的虹杨变电站立体视图

虹杨500 kV电缆敷设在隧道内，由于500 kV电缆接头大，重量重，同时考虑电缆以及同轴电缆的弯曲半径，需要对电缆接头区进行特殊设计。传统二维设计方式下，接头区内的电缆、接地箱、同轴电缆、接地线等布置只能依靠CAD平面图。平面图与实际三维空间的转换对设计人员提出了较高要求。利用电缆的三维信息模型设计可以对接头区进行三维设计，每个零部件均能够单独建模并组建安装。在完成设计后，可以方便的利用三维设计软件进行出图。

特别的，接头区内电缆及其附件呈三维布置，不能简单地利用平面图、立面图将设备的相对位置进行准确描述。根据接头区的不同位置，需要设置不同剖面，进行分别出图，准确描述在不同空间位置上的电缆敷设情况以及附件安装要求。针对上述要求，可以利用三维设计软件中的剖面功能，其能够按要求对不同剖面位置，不同剖面深度进行出图，保证了图纸信息的完整性与准确性，也便于施工人员按图进行施工。隧道内电缆接头区的三维、平面视图如图6所示。虹杨隧道内接头区剖面示例如图7所示。

图6　隧道内接头区的三维、平面视图

图7　虹杨隧道内接头区剖面示例

相较于传统二维CAD制图，由三维模型导出的二维图纸具有更高的准确度，也极大地节省了出图时间，同时具有更高的可读性，便于对施工人员进行施工指导。

3结语

通过在500 kV虹杨输变电工程中应用电缆三维信息模型技术和三维设计技术，较好地解决了城市电力电缆二维设计存在的弊端，提高了工程建设的质量和效率。

(1)对电缆工程中工程属性信息、电缆线路工程的专业分类、主要电气设备信息模型组成分别进行了分析研究。

(2)采用电缆三维信息模型技术和三维设计技术，利用三维设计软件的协同设计特性，以往专业间因提资交流不畅导致的设计差错能够在设计阶段及时地被发现并改正，避免了在施工过程中再发现问题而变更费用，进而提高了工程质量。

(3)碰撞检查是协同设计过程能否有效实施的关键因素，确保多专业之间协作能更有效进行。在虹杨变电站电缆层的电缆敷设设计过程中，运用三维设计方式，能有效的将电缆的排布直观地显示出来，方便设计及校审人员进行碰撞检验。相较于传统二维设计，三维设计方法能够最大程度的避免电缆敷设过程中的碰撞，提高设计成品质量。

(4)三维出图能更方便的从各个角度来截取模型，保持较好的一致性，并能自动在超过多少间距的时候进行距离标识。相较于传统二维CAD制图，由三维模型导出的二维图纸具有更高的准确度，也极大地节省了出图时间，同时具有更高的可读性，便于对施工人员进行施工指导。

(5)电缆三维信息化模型的应用，可大大节省设计的时间成本，提高设计质量，减少设计变更带来的损失。

参考文献：

[1]秦鹏,何磊,袁振邦,等. PDMS三维软件在电缆敷设中的应用[J]. 电气制造,2010(1):77-78.

[2]李炳生.三维数字化技术在直流特高压输电工程建设中的应用[C].//第八届京港澳测绘技术交流会论文集.2013.

[3]徐霞，王斌. 电力隧道内长距离500 kV电缆敷设设计[J]. 华东电力，2010，38(4)：529-532.

XU Xia, WANG Bin. Design of laying long-distance 500 kV cable in power tunnel[J]. East China Electric Power, 2010，38(4)：529-532．

[4]周辉，方浩，张永隆. 新型电缆支架在长距离500 kV电力隧道中的应用[J]. 华东电力，2010，38(4)：549-551.

ZHOU Hui, FANG Hao, ZHANG Yong-long. Application of new cable bracket in long-distance 500 kV power tunnel[J]. East China Electric Power, 2010，38(4)：549-551．

[5]中华人民共和国建设部. GB 50217—2007 电力工程电缆设计规范[S]. 北京：计划出版社, 2008.

(本文编辑：赵艳粉)

Research and Application of Cable Three-Dimensional Information Model

LI Yan, MENG Yu, CAI Long-sheng, MAO Jun-qing

(Shanghai Electric Power Design Institute Co., Ltd., Shanghai 200025, China)

Abstract:Based on the analysis of cable engineering information model, as well as the actual cable laying situation of 500 kV Hongyang power transmission and transformation project, this paper proposes the application scheme of cable 3D information model in the engineering project, mainly from the perspective of collaborative design, the collision check and layout research. The application of Cable 3D information model can greatly shorten design time, improve the design quality and reduce the cost of design change.

Key words:cable; information model; three-dimension; collaborative design; collision check; layout

DOI：10.11973/dlyny201602007

作者简介：李艳(1984)，女，工程师，主要研究方向为高压输电线路设计和技术研究。

中图分类号：TD67;TU17

文献标志码：A

文章编号：2095-1256(2016)02-0184-05

收稿日期：2015-12-07