基于BIM技术的35kV降压变电站接地系统设计

2017-11-08河南省水利勘测设计研究有限公司数字工程中心

河南水利与南水北调 2017年10期

□谢冰（河南省水利勘测设计研究有限公司数字工程中心）

□谢冰（河南省水利勘测设计研究有限公司数字工程中心）

基于南水北调中线工程某35kV降压变电站工程，考虑到征地有限，无法布设大面积的地下接地网，并且站中除供配电设施外布设有通讯和监控设施，对阻值的要求非常严格，因此结合地形、土壤条件，构建基于BIM技术构建三维多层接地网模型，通过三维模型的建设和布局形成合理设计方案，并通过接地电阻计算验证设计方案，在设计阶段形成科学、合理、高质量的设计方案，避免接地方案与其他专业的冲突，减少施工过程中修改和变更。

降压站；BIM；三维多层接地网；接地模块

0 引言

南水北调中线工程采用35kV专线供电，沿线的河渠交叉建筑物、分水口门处设35kV降压变电站进行供电。为保障闸门的正常启闭，电气设备的正常运行、总干渠的安全运管和驻站值班操作人员的人身安全，需要为降压站设计科学、合理、高效的接地系统。

降压站由于征地有限，无法布设大面积的地下接地网，并且站中除供配电设施外布设有通讯和监控设施，考虑到南水北调工程的重要性和自动化监控系统对阻值的要求非常严格，因此结合地形、土壤条件，在有限的工程空间内建设高效、可靠的接地系统是设计的难点。

传统的接地设计，只是在平面上规划接地网和接地极，通过大量的文字描述和要求作为补充，缺乏空间中的考量，施工单位获得的信息非常不直观，因此在实施中会产生困难和误解，甚至为了通过接地验收采用如浇水、撒盐、临时增加会对生态环境造成破坏的降阻剂等非常措施。

基于BIM（Building information model）技术构建的降压站建筑、结构、电气设备模型，建立空间三维多层接地网模型，并结合场地条件、土壤电阻率进行三维设计仿真，计算接地电阻，通过精确的三维模型在设计阶段根据接地阻值要求设计详细的接地方案，便于实施，保证项目质量。

1 基于BIM技术的三维多层接地网构建

1.1 概述

降压站为2层框架式结构，阀板基础，降压站周边建筑物为倒虹吸，设计中已考虑将倒虹吸和闸室混凝土结构内的钢筋焊接成网作为联合接地网的一部分与降压站接地网相连，但考虑到混凝土构筑物的电阻率极高，即使大规模的焊接钢筋网降阻效果也十分有限，不能为降压站提供有效的泄流通道，因此本次接地设计仍需终点考虑降压站的独立接地网。

由于降压站结构采用阀板基础，所以降压站下部敷设人工接地网的空间有限，阀板和站内电缆沟底部的间距约为1.40 m，如采用垂直接地极，如镀铜钢棒，铜包钢棒，如果长度控制在1.40 m以内，接地效果难以保证，如采用正常长度则需穿越阀板基础，对结构稳定造成影响。接地极选用纵向深度较小的石墨接地模块，形态稳定，与土壤亲和力强，使用时间越长接触电阻就越小，采用高纯度的鳞片石墨与金属电极芯高温锻压而成，具有发达的网孔结构，表面为波浪形，可有效增大散流面积和增加导电通道，增大了散流面积，从而加大了泄流速度。

三维接地系统的设计需要建筑模型、结构模型、电气设备模型的支持，上述三类模型及其他需要的专业模型经过三维空间叠加构建三维接地参考模型为接地设计的基础。构建完参考模型后，在空间中绘制多层接地网、接地体、接地扁钢、引下线、避雷带等设施的三维模型，组成三维多层接地网模型。最后根据三维模型提供的属性信息进行三维设计仿真，计算接地电阻并根据计算结果优化设计方案。

1.2 三维接地参考模型构建

结合建筑、结构专业提供的降压站BIM模型，根据设计需要对模型进行简化，去除建筑物外部装饰、墙面、门窗，只保留建筑物基础、结构框架、楼板、顶板等防雷接地涉及到的BIM模型，简化后的降压站BIM模型如图1所示。

图1 降压站BIM模型图

降压站接地系统的主要保护对象为35 kV铠装柜、低压柜、直流屏、无功补偿系统、变压器、柴油发电机组、动力配电箱等电气设备，电气设备的接地主要通过与安装基础槽钢可靠焊接，通过基础槽钢与接地扁钢焊接接入接地网，站内的电缆沟内各金属支架仪需通过与接地扁钢焊接接入接地网。建立上述主要电气设备及安装基础槽钢三维模型和站内电缆沟模型，并将这些模型叠加到降压站BIM模型，形成完整的三维接地系统参考模型，如图2所示。

图2 降压站三维接地系统参考模型图

1.3 三维多层接地网模型构建

根据降压站的结构，本次建立的三维空间多层接地网由四层水平不等距接地网和8根贯通四层水平接地网和屋顶避雷带的引下线组成。四层水平接地网（顺序自下而上）分别为阀板基础钢筋接地网、人工基础接地网、系梁基础钢筋接地网、降压站室内人工接地网。其中阀板基础钢筋接地网和系梁基础钢筋接地网是利用建筑物≥ø16的结构主筋焊接成约5 m×5 m的网格，人工基础接地网是利用阀板和建筑物底板的空隙将接地模块用镀锌扁钢焊接成约5 m×5 m的网格，降压站室内人工接地网是在降压站墙面距地200 mm处明敷镀锌扁钢成环并利用镀锌扁钢将各需要接地的电气设备基础、外壳与其可靠焊接。镀锌扁钢尺寸初选50 mm×5 mm，接地模块尺寸初选500 mm×400 mm ×50 mm。

根据上述设计原则和设计方案进行空间建模，构建三维多层空间接地网BIM模型，所有接地扁钢焊接处采用搭接焊接。经过初步建模和空间定位确定模型的基本框架，根据碰撞检测的结构查找接地模型与建筑、结构、电气模型的冲突、碰撞、重叠等，对冲突部位的形状、尺寸、空间位置逐条进行调整，再次通过碰撞检测确定模型间不存在冲突，则形成最终的三维多层空间接地网BIM模型，可向施工单位提供BIM模型指导施工并通过剖切组成二维施工图作为正式成果提交。

三维多层空间接地网BIM模型如图3所示。

图3 三维多层空间接地网BIM模型图

2 基于BIM模型的接地电阻计算

35 kV降压变电站包含通讯、监控设施，因此要求接地电阻阻值≤1Ω。降压站下部土壤为含砂粘土，电阻率近似值为300Ω.m。由于建筑物规模较小，计算接地电阻包含3个部分：建筑物基础钢筋（自然接地体）、人工接地网镀锌扁钢（人工水平接地体）、人工接地网接地模块（人工垂直接地体）。

2.1 建筑物基础钢筋（自然接地体）电阻计算

利用BIM模型测量出阀板基础钢筋接地网和系梁基础钢筋接地网的轮廓面积均为22.50 m×12 m。

采用等效平板法进行计算，土壤为均质。

土壤电阻率ρ=300 Ω.m，钢筋体长边边长a=22.50 m，短边边长b=12 m，a/b=1.88 ，形状系数K=0.47，经计算Rn=8.49 Ω。

2.2 人工接地网镀锌扁钢（人工水平接地体）电阻计算

利用BIM模型测量出人工基础接地网水平接地体的总长度为249 m，埋设深度2.80 m；降压站室内人工接地网水平接地体的总长度为198 m，埋设深度0.10 m。

人工接地网水平接地体电阻公式：

土壤电阻率ρ=300Ω.m，水平接地体的总长度L=249 m，水平接地体的埋设深度h=2.80 m，水平接地体的等效直径d=0.0 5 m/2=0.03 m，水平接地体的形状系数A=0，经计算人工基础接地网水平接地体电阻Rp1=2.63Ω。

降压站室内人工接地网的主要功能是连接主要电气设备的金属外壳或安装基础、金属支架、金属管道、导体和导线的金属裸露部分等需要进行接地的设施。该部分水平接地体部分裸露在空气中，部分与混凝土接触，因此电阻率较高，本次计算不考虑该部分水平接地网带来的降阻效果。

2.3 人工接地网接地模块（人工垂直接地体）电阻计算

BIM模型中接地模块的数量为24块。

土壤电阻率ρ=300Ω.m，接地模块降阻系数K=0.16，调整系数h=0.82。

单个接地模块接地电阻：Rc=K×ρ=48Ω，

并联后总接地电阻：Rm=Rc/（n×h）=2.44Ω。

2.4 计算结果

阀板基础钢筋接地网电阻为8.49Ω，系梁基础钢筋接地网电阻为8.49Ω，人工基础接地网水平接地体电阻Rp1=2.63Ω、垂直接地体电阻为2.44Ω，各层接地网并联后总接地电阻R=0.98Ω＜1Ω，因此该接地方案满足设计要求。

2.5 结果分析

本次设计构建的三维多层空间接地网BIM模型基本合理，计算电阻值基本满足要求。需要注意的是，计算所取土壤电阻率为标准值，若遇到气候长期干旱，土壤含水率长期偏低，会造成土壤电阻率明显升高，接地网的阻值将无法满足要求，会对安全生产造成隐患。因此，可考虑采用下列方法改善接地阻值：换填电阻率较低的土壤，选用更大接触面积的接地模块，增加接地网的层数等。

以换填电阻率较低的土壤为例，为便于施工，仅考虑对接地模块周边土壤进行局部换填，换填土壤为砂质粘土，土壤电阻率ρ=100 Ω.m，经计算，总接地电阻R=0.54 Ω，改善效果明显。

3 结语

文章以南水北调中线一期工程某35kV降压变电站为基础，基于BIM技术构建空间三维多层接地网模型。接地网采用4层水平不等间距接地网，配合采用石墨接地模块作为垂直接地体，通过三维模型的建设和布局形成合理设计方案，并通过接地电阻计算验证设计方案，在设计阶段形成科学、合理、高质量的设计方案，避免接地方案与其他专业的冲突，减少施工过程中修改和变更。

BIM技术是一门新兴的技术，如何与实际工程的有效结合，提高设计效率，提高设计产品成果是BIM设计的难点，本文以点带面，通过阐述BIM技术与接地方案设计的结合，对BIM技术与电气专业设计的有效结合进行了一定的探索和研究，新技术的应用已经初步达到了提高设计产品质量的目的。

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谢冰（1985－），男，工程师，主要从事电气、水利信息化设计工作。