三维数字化设计技术在换流站直流场设计中的应用

1 中国电力工程顾问集团西北电力设计院，西安710075

2 浙江大学电气工

程学院，杭州310027

概要描述了直流输电技术的发展，提出了换流站直流场设计所面对的需求和挑战。在比较了三维设计和二维设计的基础上，详细介绍了某换流站直流场设计中电气和土建专业采用三维数字化设计技术的应用情况，尤其是在设计方案优化、专业资料共享、软硬碰撞检查和抽取平断面图等方面的应用，最后总结了三维数字化设计技术在换流站直流场设计中的体会。

关键词：三维数字化；换流站；直流场；设计

应用背景

直流输电技术从20世纪50年代在电力系统中得到应用以来，由于其输送

容量大，输送距离远等优势，已经迅速发展起来，尤其将电能从能源基地直接送到负荷中心的状态下，直流输电技术的优势非常明显[1]。

直流场作为换流站中的重要配电装置区域，具有设备种类多和设备布置复杂等特点。而直流场电压等级多、电极形状复杂等都对直流场的设计提出了更高的要求，尤其对空气间隙净距测量、碰撞检查和设计方案的优化都提出了新的挑战。

1 三维数字化设计技术的应用

1.1 三维数字化设计的特点

目前常规的设计手段主要是依靠工程师的空间想象力和基本二维绘图技能

完成三维空间设计，不仅带有局限性和特殊性，且在工程进度的约束下对详细布置的经济性和优化缺乏控制，效率也比较低。并且传统的设计中，各专业之间只是通过互提的数据实现资料的交换，专业设计工作是在相对独立的范围内开展，专业之间信息共享程度较低。

直流场设计是在满足直流场电气接线和不同电压等级空气净距要求等规范

的基础上，依据设备外形尺寸而作的布置设计，直流场电压等级多、电极形状复杂等特点对如何优化直流场设计方案提出了新的挑战[2]。

传统的二维设计，各个专业、各个设计人员沟通和协同工作的效率不高，难免会出现一些碰、漏问题。三维设计中，各个专业设计人员在一个协同的环境下建立一个三维模型，而这个模型又是全信息、立体、可视、多方位查看浏览的，

设计人员就容易发现问题，再通过碰撞检查，可以检查出专业之间的碰撞，将设计中差、错和碰等问题降至最低，大大提高设计质量[3]。

1.2 三维数字化设计的应用

在某换流站直流场设计中，电气专业依据电气接线图和设备外形尺寸初步布置了直流场设计方案，然后专业内部在三维布置模型的基础上对设计方案进行了评审。在优化了初步设计方案后，电气专业向结构和总图专业提交了设计资料，保证了相关设计工作的顺利开展。

结构设计将电气专业数据资料在Staad软件中建模分析计算，并将构架和避

雷线塔等的主体三维模型直接导出，节点板等细部构件在结构专业设计软件中完善，完成了构架的三维设计，并将设计成果返回给电气专业校核。在设备支架的详细设计阶段，将复杂设备支架模型采用三维数字化设计手段反映，如极线双静

触头隔离开关其动侧和静侧支架的相对关系就比较复杂，采用三维设计如图1-1所示，使设计意图更加直观和清晰。

图1-1 直流极线双静触头隔离开关支架示意图

电气专业在防雷计算的基础上，利用土建专业构架和避雷线塔模型，将直流场防雷布置采用三维数字化方式展示，如图1-2所示，使直流场比较复杂的避雷线布置更加形象和直观，使施工单位在此基础上能够充分理解设计图纸中的信息。

图1-2 直流场避雷线布置

电气专业采用三维数字化设计能够更方便的进行带电距离校验和硬碰撞检查等工作。电气关键点的带电距离校验（软碰撞）可在三维布置中直接量取，如

图1-3所示。与传统二维设计中依靠设计人员的空间想象力和复杂计算相比，提高了校验的效率。电气设备相对位置关系在满足空气净距规范要求的基础上，可进行布置的进一步优化，优化后的直流场布置如图1-4所示。

图1-3 直流场带电距离的校验

图1-4 优化后的直流场布置

对于传统的二维设计模式，各专业负责各自的设计范畴，极易发生沟通不到位，或考虑不周全而导致碰撞问题的发生。三维数字化设计中，各专业采用了协同设计，可以直观地了解其他专业的设计内容，最大限度地减少或杜绝硬碰撞，

如图1-5所示，并且在设计阶段将差错及时改正，避免了现场的返工。

图1-5 直流场硬碰撞的检查

区别于传统二维设计方式，设计时直接对三维模型进行布置，然后通过三维模型根据工程需要任意的抽取轴视图或者平断面图，如图1-6所示。通过三维设计出图从数量和信息量上都较原有二维出图方式有很大地提高，经过简单修改和标注后可用于施工图，如图1-7所示。轴视图和断面图两者结合可以更清晰、更直观、更精确地指导施工，提高施工质量和工作效率，缩短施工周期。

图1-6 直流场布置图中抽取断面图

图1-7 直流场抽取的断面图

2 应用体会及思考

采用三维数字化设计技术能够更加直观的反映工程师的设计理念，尤其是在直流场等复杂配电装置区域的设计中，能够合理优化设计方案，且设计成品能形象的指导施工，提高工程建设质量和效率。此外，设计人员之间能够实现设计资料的有效共享和利用，在此基础上减少了因配合疏忽而造成的差、碰和漏等问题，提高设计质量。

3 结语

电力工业是资金和技术密集型产业，设计作为电力工程建设中的龙头也在不断的采用新技术提高设计能力和设计质量。三维数字化设计技术在国内电力设计行业中的应用正在不断发展，虽然目前三维数字化设计技术和设计软件都还有需要改进和完善的环节，但我们期待在今后的工程设计中进一步深入开展三维数字化设计实践，为数字电网及智能电网的建设夯实基础，为我国的电力发展贡献自己的力量。

参考文献

[1] 赵畹君. 高压直流输电工程技术（第二版）[M]. 北京：中国电力出版社，2011.

[2]于明国严福章. 三维数字化设计在宁东—山东±660kV直流输电示范工程中的应用[J].电力建设,2011,(4) :37-40.

[3]朱淑悦.在三维工厂设计实践中积累行业标准元件数据库[J].工程与技

术,2009,(1):43-48.