基于三维设计的户外配电装置优化应用

(中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏 南京 211102)

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

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。

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。

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1 250 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=7 625 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=400mm。500kV跨线档距l0=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])。

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5 032 mm，相间电气校验半径选取5 215 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7 550 mm，相间电气校验半径选取8 350 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。

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4 550 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= 6 540 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。

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3 800 mm，见图9。

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11 690 m2比可研的15 998 m2节约了4 308 m2，减少约27%。

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。