基于三维设计的变电站高压电气距离动态校验方法

熊静， 李思浩

(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

电气设备距离是变电站电源两节点之间电气关系的物理量，其主要功能是防止人体、车辆等带电体接近电气设备，造成短路、火灾、爆炸事故[1-3]。在大体上，可以将电气距离检测方法分为灵敏度法和阻抗法两类，且这两类电气距离计算方法，都需要分析变电站状态变量之间的关系，通过状态变量确定电气距离[4-6]。但是，上述方法计算出电气距离后并未进行过电气距离校验，为了保证根据电气距离计算方法，所设置的电气距离，一定是最适合变电站高压电气距离，不会存在偏差，为此提出基于三维设计的变电站高压电气距离动态校验方法，进一步验证电气距离。

1 研究基于三维设计的变电站高压电气距离动态校验方法

1.1 基于三维设计建立变电站高压电气模型

考虑到三维设计平台的灵活性、计算性、辅助性和图像的综合性，本文选取Bentley平台，建立变电站高压电气设备的三维模型，进行高压电气设备的二维图纸设计。

为了验证电气设备设计中使用的二维图纸的合理性和实用性，验证设计的合理性和实用性，避免电气设备确定后在实际施工过程中出现返工现象，根据设计单位设计的变电站高压电气设备二维图，采用三维设计技术。根据二维图确定的变电站高压电气设备信息，在Bentley平台上建立变电站高压电气设备模板文件。在文件中，应包括电气设备标准结构的基本三维建模，并增加所需的元件、属性、样式、二维符号、尺寸、绘图单位、图层、图标框、颜色、材料库等基本三维建模；并根据上述信息，建立统一的变电所高压电气设备数据库，规范变电所电气设备的相应属性。在三维设计和建模过程中，需要自动统计变电站高压电气设备、所需材料信息及其数量，生成材料报告，Bentley平台生成的报告必须清晰。

根据上述内容，确定建模流程和建模规则，将二维图纸转换成三维设计图。则此次建立的变电站高压电气设备三维模型，如图1所示。

图1 变电站高压电气设备三维模型

此时，根据图1所示变电站高压电气设备的三维模型，可以进行电气设备距离的动态校准，即安全网距离校准和动态碰撞检查。由于在三维设计的过程中，可能存在综合使用三维设计平台的现象，因此将二维图纸转换成三维模型时，需要统一文件命名方式、目录结构、模型命名规则、色表文件、坐标系和坐标原点。其中，色表文件统一是为了避免不同平台设计三维模型在合成的过程中存在色差；坐标系和坐标原点建立统一是为了方便三维设计模型的合成，降低电气设备动态距离检查难度，因为坐标系和坐标原点一经确定，产生的轴网不能随意旋转、移动和缩放。

此外，在设计电气设备三维模型时，还需要建立三维设计的编码规则，即工艺相关标识、安装点标识、位置标识。降低模型合成难度，也可以提高电气设备校验结果的输出速度。由于电气设备还分为一次设备和二次设备。因此，在建立电气设备三维模型时，需要协同设计电气设备的三维模型，按照转换二维图纸—数字化设计—虚拟电子端—三维设计的步骤，完成变电站高压电气设备的建模。

1.2 动态校验变电站高压电气距离

基于1.1，将电气设备二维图纸，转换成三维模型的转换步骤，采用Bentley平台，生成电气设备距离校验球，通过碰撞检查的方式，动态校验电气设备安全净距离校验。

本次设计的变电站高压电气设备远程动态校准方法，将采用智能化程序，嵌入Bentley平台的三维校验规则和校验过程，在变电站高压电气设备校验中，生成智能校验球，在设计过程中，可以自动检查电气设备之间的距离，减少设计师修改图纸的次数，提高绘图效率。因此，在Bentley平台中设定的电气设备动态校验流程，如图2所示。

图2 电气设备动态校验流程

从图2中可以看出，在校验电气设备距离时，此次设计的电气设备动态校验流程所用的校验球一经发现电气设备距离，不符合电气设备安全净距离要求时，可以自动发出警报，提示三维设计人员，电气设备距离不合格，要求设计人员更改电气设备，否则Bentley平台，将不再响应设计人员的操作，直至电气设备所有校验都通过。但是，此时的校验过程未曾实现全自动校验，因此需要在Bentley平台运行后台设置相应的电气设备距离校验判断流程，如图3所示。

图3 Bentley平台运行后台电气设备距离校验判断流程

根据图2动态校验流程，在平台运行的背景下，完成电气设备的动态校准流程和电气设备的距离校准和判断过程，使用Bentley平台生成的校验球，根据图2、图3设置的2个流程，动态校验电气设备距离。

校验变电站电气设备三维模型时，校验球会在电气设备三维模型中不断滚动，通过碰撞的方式检验电气设备之间的距离是否为安全净距离。在校验的过程中，一旦弹出警示对话框，则表明该校验点的电气设备距离不属于安全净距离，并显示出此时校验球所在位置的电气设备之间的距离，从而确定电气设备设计的最优方案，将所有疏漏，都排除在图纸成品之前，进而将电气设备安全距离问题彻底消灭。

2 实验论证分析

验证此次研究的变电站高压电气距离动态校验方法，选择某区域的变电站高压电气设备，作为此次实验的研究对象。并将此次研究的变电站高压电气距离动态校验方法，记为实验A组，文献[1]和文献[2]提到的2组电气距离校验方法，分别记为实验B组和实验C组。建立变电站高压电气三维模型，确定变电站高压电气距离不合格区域，导线间的最短距离，对比3组方法，电气距离校验精度，导线最短距离检测结果，距离相位误差。

2.1 实验准备

此次选择的变电站高压电气设备为220 kV变电站，其终期安装了4个主变压器，每个变压器的功率为240 MVA，并选择35 kV出线24回，110 kV出线16回，220 kV进出线10回；本期安装主变压器2个，每个变压器的功率为180 MVA，并选择35 kV出线12回，110 kV出线8回，220 kV进出线10回。此次选择的变电站高压电气设备，涉及到电气一、二次部分，还存在一定的土建筑物。此外，该变电站电气设备，还包含了35 kV电容器组和消弧线圈，110 kV和220 kV的GIS设备，确定的变电站高压电气设备参数，建立三维模型。

目前变电站三维设计平台，主要包括Bentley、博超STD和AutoCAD 3个三维设计平台，由于Bentley平台三维建模灵活，自由度高，可以高度模拟设备外形，且其绘图工具齐全，具有较高的计算能力、辅助设计能力和系统设计能力；而博超STD系统设计能力不灵活，AutoCAD平台不具有计算能力、辅助设计能力和系统设计能力。所以此次设计变电站三维设计平台，选择Bentley平台。该平台建立的高压电气设备三维模型，如图4所示。

基于此次选择的Bentley平台，建立的高压电气设备三维模型，作为此次实验对象，采用3组电气距离校验方法，分别校验如图5所示的变电站高压电气设备三维模型。

2.2 电气设备动态距离校验精度对比

基于此次实验设计的实验参数，结合Bentley平台建立的电气设备三维模型，在三维模型中，更改变电站高压电气设备之间的距离，更改后，此次选择的变电站高压电气设备，存在5处距离不合格区域。此时，使用3组电气距离校验方法，分别校验此次实验选择的变电站高压电气设备安全距离。其校验结果如图5所示。

图5 电气安全距离校验结果图

从图5中可以看出，实验B组仅识别出3处电气设备安全距离不合格区域，且只有1处识别结果正确，对电气设备距离识别率低下；实验C组虽然识别出5处电气设备安全距离不合格区域，但是也仅有2处识别结果正确；而实验A组虽然没有识别出安全距离，存在问题的所有位置，但是，却识别出5处电气设备安全隐患区域，且5处识别结果全部正确。由此可见，此次研究的电气距离动态校验方法，已经达到了较高的校验精度。

2.3 电气设备距离相位对比

在上述两组实验的基础上，统计3组方法，校验电气距离时，产生的距离相位差，对比3组方法，测得的距离相位差与实际距离相位差存在的误差，每种方法测量30次，每隔5次，取一次数据，且不取最后一次数据，作为此次实验的对比数据。此次实验测得的距离相位差实际数据为0°、45°、90°和135°，3组方法的测量结果，如表1所示。

表1 距离相位差对比数据

从表1中可以看出，实验B组测得的距离相位差，与实际测得的相位差虽然存在一定的差距，但是测得结果十分稳定，可以计算与实际值的平均误差，估算电气设备实际距离；实验C组虽然存在较小的距离相位差，但是测得的距离相位差存在较大的波动，测量结果不准确，难以根据平均误差进行估算；实验A组相较实验B组和实验C组，不仅与实际距离相位差相差较小，且波动十分平稳。由此可见，此次研究的电气距离动态校验方法，动态校验电气距离，产生的距离相位误差较小，校验电气距离结果更准确。

3 总结

此次研究变电站高压电气距离动态校验方法，充分利用三维设计技术构建三维模型，提高电气距离校验速度，增加变电站高压电气设备路径校验功能。但是，此次研究的变电站高压电气距离动态校验方法，未曾考虑校验过程中发现不安全问题的自动提醒功能。因此，在今后的研究中，还需要深入研究动态校验过程中发现电气距离问题的提醒方式，进一步提高动态校验的便携性。