基于数字化的电缆敷设及优化设计

郭莹清

(元工电力技术有限公司,山西 太原 030000)

0 引言

现如今信息化、网络化、数字化成为社会发展的大趋势,迅猛的数字化发展浪潮冲击着各行各业,输变电设计行业也不例外。将领先的三维数字化技术应用于输变电设计中,不仅可以顺应时代的发展,同时可以提高企业的核心竞争力。本文梳理了传统变电站二维电缆敷设技术,分析比较了几种典型敷设方式的优缺点,研究了三维数字化电缆敷设优化措施。

1 传统变电站二维电缆敷设现状

传统变电站二维电缆敷设设计中,首先设计图纸及电缆清册全部需要手动输入,自动化程度较低,同样数据需要多次在不同文档内输入,导致设计人员重复工作量大,出错率高;其次工程设计中绘制大量施工图纸,电缆敷设较多并且结构错综复杂,各专业文档资料除专业提资内容外几乎相互独立,无法协同设计且专业信息无法做到实时共享,造成设计出错率高,施工过程造成很大困扰;最后由于电缆材料完全由人工统计,标准路径不统一,容易造成设计误差以及“三材”浪费。

2 数字化电缆敷设优化的必要性

基于数字化的电缆敷设是顺应社会数据化时代的发展趋势,同时对于电力行业而言,广泛应用先进的数字化技术来提高设计的技术含量、节省项目投资、统一标准化设计势在必行。在变电站的维护管理中,电缆敷设三维信息化模型可以模拟现场,使运行人员可以及时查看虚拟现场,及时确定维护和改造方案,成为变电站精细化施工和科学化运营的重要技术手段;通过三维建模,对电缆敷设路径进行优化,可以减少电缆敷设长度,不仅可以降低电能损耗,还可以减少因电缆长度长导致的故障,节约材料,进而减少工程总投资。

3 变电站电缆敷设三维设计

3.1 三维设计应用传统设计原则

3.1.1 电缆敷设原则

电缆敷设主要根据工程条件、环境特点、变电站布置特点、出线方式和电缆类型、数量、满足运行可靠、便于维护和技术经济合理的要求选择[1-2]。以下为几种传统变电站典型二维敷设方式的论述。

3.1.2 电缆直埋与穿管敷设

对于同一通道敷设少于6根的35 kV及以下电力电缆,在厂区通往远距离辅助设施或城郊等不宜经常性开挖的地段,宜采用直埋敷设。对于变电站内电缆相对比较重要,为避免电缆受到各种损害和环境腐蚀,一般很少采用直埋敷设,站内电缆较少时,推荐采用穿管敷设,并且电缆管过路地段需要采用热镀锌钢管,交流单芯电缆以单根穿管时不得采用未分割磁路的钢管。

3.1.3 电缆沟敷设

电缆沟道敷设适用于地面载重负荷较轻的电缆线路路径,如人行道、工厂内的场地等,许多厂站通常将电缆沟盖板兼作部分巡视及操作小道。电缆沟一般采用混凝土或砖砌结构,其顶部用盖板覆盖。盖板面可以和地面齐平,便于开启,也有的稍低于地面而在盖板上粉刷一层水泥,以防止盖板与地面高低不平和雨水进入电缆沟。

电缆沟敷设的优点不需做电缆井,土建施工简单、造价低,常在变电站和中小型电厂中采用;缺点是敷设和维修电缆时必须揭开盖板,且沟内容易淤积脏物、积水,盖板承压强度较差,不能使用在车行道上,且电缆沟离地面太近,降低了电缆的载流量。

3.1.4 电缆隧道敷设

同一通道中的地下电缆较多,电缆沟不足以容纳时,应采取电缆隧道敷设。

电缆隧道敷设的优点是空间比较大,隧道内人行通道便于电缆运行巡视和检修,电缆敷设便利,通风、消防、排水设施配置齐全,电缆散热效果好;但因配备照明、排水、通风、消防等附属设施较多而且开挖深度较深整体造价较高,投资大且与地下建筑物交叉时不宜避让。

3.1.5 电缆桥架敷设

明敷的全塑电缆数量较多或电缆跨距较大时,宜选用电缆桥架敷设。电缆桥架分为槽式、托盘式和梯架式:槽式电缆桥架对屏蔽干扰和重腐蚀环境中电缆的防护都有较好的效果;托盘式电缆桥架具有重量轻、载荷大、造型美观、结构简单、安装方便等优点;梯架式电缆桥架具有重量轻、成本低、造型别具、安装方便、散热、透气好等优点,它适用于一般直径较大电缆的敷设。

3.1.6 电缆夹层敷设

对于配电装置室馈线电缆较多、馈线电缆走向复杂的情况宜选用增设电缆结构层。在电缆夹层内,按照电缆实际走向设置电缆支架。敷设过程中充分利用夹层密集空间,选择最短路径并减少电缆的交叉碰撞,减少电能损耗,后期运行维护方便。

以上是变电站内电缆敷设的常用方式,各有优缺点,具体实施情况根据变电站规模、进出线情况,合理选择电缆敷设方式[3]。

3.2 变电站电缆敷设三维设计目标

1)实现电缆敷设三维可视化:利用三维建模技术和数据库存储技术,实现包含设计、建设、调试、运行维护等一系列信息的三维数字化设计内容,三维可视化提高了设备数据信息的形象准确性,数据信息显示更直观,信息分析更容易[4]。

2)提高设计质量和设计效率:以三维模型技术为依托,通过模型与数据联动,跨专业精细化配合,材料自动统计,减少人工输入,提高生产效率[5]。

3)控制成本:通过三维模型及碰撞检查结果优化电缆敷设路径以及电缆沟道、电缆隧道内电缆支架等的设计,优化减少“三材”耗量,有效控制成本。

3.3 三维数字化设计软件

采用博超STD-R 5.0数字化变电站设计平台,结合工程特点、规模和发展规划,通过三维设计手段对变电站电缆敷设设计进行分析和校验,力求变电站电缆走向经济合理,达到节约电缆、减少“三材”耗量的目的。

3.4 电缆沟(隧道)三维模型绘制

采用博超STD-R 5.0数字化变电站设计平台,按照电缆沟实际进行电缆沟模型参数化绘制,通过以输入电缆沟、电缆隧道的实际尺寸完成电缆构筑物的模型设置沟道转弯处可添加转弯、三通、四通并自动生成电缆支架,自动生成电缆沟剖面图(见图1),剖面图中可查看电缆在各层的实际布置效果。最终通过全站电缆走向形成完整电缆走道模型。

3.5 电缆信息管理

在三维设计环境中完成电缆设计后,可以手动逐步输入全站电缆或者直接导入符合博超软件的详细电缆清册,电缆清册需注明:电缆起点名称、电缆终点名称、电缆规格等,最终根据电压等级进行划分导入系统中供数据库读取,软件自动对输入设备进行编号(见图2,图3);软件自带查找和检索功能,查询功能可以避免设备重复编号,检索功能可以快速定位到指定设备,有效提高了设计生产效率。

3.6 碰撞检查

碰撞检查功能是三维建模平台的一大特色,可高效便捷地校核图纸中通道三维模型与其他专业三维模型的碰撞情况,同时可导出检查报告,对于发生冲突的模型提供点亮定位功能。本工程利用三维软件建立了包含电缆沟道、电缆支架、电缆等的三维数字化模型,在此基础上通过碰撞检查功能检索工程中的碰撞问题,根据碰撞检查结果进行设计修改优化,减少电缆管线、电气设备间的碰撞问题。三维建模平台的碰撞检查功能可将管线冲突等碰撞问题消除在施工之前,最大限度地降低施工阶段可能遇到的设计错误,减少因碰撞问题引起的工期延误和资金浪费。

3.7 电缆敷设设计优化

电缆敷设三维设计的优化主要体现在电缆构筑物的优化和电缆敷设路径的优化两个方面,通过对电缆沟、电缆隧道等的实体建模,在三维场景中可以实现场景缩放、视角旋转、快速定位等操作,通过浏览场景中模型开展电缆敷设的精细化设计。

1)形成电缆沟道三维数字化模型后可以通过自动识别电缆清册中电缆的走向,精确推算出电缆敷设的路径,计算出每个电缆构筑物可以敷设哪些电缆,快速有效地进行电缆的自动敷设,优化设置的电缆沟道、电缆隧道内电缆支架大小及层数,还可以模拟电缆敷设方式,通过三维模型直观查询电缆支架的实际占用情况,优化支架设计,减少施工过程中的浪费,节省投资。

2)三维数字化电缆敷设建模得出准确的电缆敷设路径后,可以进行电缆在三维空间上的校验,查看每段路径的敷设信息,有效避免电缆之间、电缆与支架以及其他构筑物之间的碰撞,便于在三维空间中规划电缆沟道、隧道的走向,设计更合理的布置方案。

3)在变电站的维护管理中,电缆敷设三维信息化模型可以模拟现场,使运行人员可以及时查看虚拟现场,及时确定维护和改造方案,成为变电站精细化施工和科学化运营的重要技术手段。

3.8 电缆敷设数字化移交

初步设计阶段可利用博超STD-R 5.0软件将电缆沟道、电缆隧道模型以及电缆导入数据库形成完整的电缆敷设三维模型,施工图和竣工图阶段可以根据订货电缆厂家信息将实际电缆输入数据库,并储存在数据库中。通过自动化校核完成数字化成品最终导出完成数字化移交[6]。

三维数字化移交是工程全生命周期中工程数字化设计成果由设计阶段转向施工和运维阶段的关键环节,是保证设计信息向施工和运维单位有效和准确传递的方法,决定了三维设计成果是否有效服务于施工和运维的基础;而且能够以工程对象为核心、数据为基础、编码为纽带,实现工程数据、三维模型、图纸等信息的有机关联,从而使工程相关方面通过该系统浏览可视化、多维度的工程信息,实现基建数据与生产运维数据的无缝链接,为实现变电站数字化运维管理奠定基础。

4 结语

三维数字化设计的应用打破了传统二维图设计模式,使原来的设计思想、设计方法、设计流程、质量管理更加先进。

通过对变电站内的电力电缆、控制电缆以及通讯光缆的敷设的三维数字化模型的建立,并能够通过电脑端对电缆沟道与电缆进行读取,让电缆敷设规划设计人员在现场敷设电缆之前就完成了电缆的虚拟敷设,并可根据敷设路径的三维模拟直观的展示,及时地调整电缆的排布位置,达到了可以在设计过程中进行电缆敷设的优化,并实现远程指导施工电缆敷设实施工作。施工过程中可记录电缆的实际敷设结果,确立电缆敷设状态,对施工过程有效管理,解决了施工过程中出现电缆编码不明确、电缆敷设路径不合理等问题,同时有效控制施工成本,在变电站的维护管理中,电缆敷设三维信息化模型可以模拟现场,使运行人员可以及时查看虚拟现场,及时确定维护和改造方案,成为变电站精细化施工和科学化运营的重要技术手段。

最后对于发展型企业而言,三维数字化设计的应用能够促进不同专业之间的协作、提高生产效率、推动企业在前沿技术中保持领先地位,在提高企业核心竞争力方面起到决定性作用,是当今以数字化为核心的社会发展中不可或缺的一项新技术。