基于BIM技術(shù)的35kV降壓變電站接地系統(tǒng)設(shè)計

□謝 冰（河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司數(shù)字工程中心）

基于BIM技術(shù)的35kV降壓變電站接地系統(tǒng)設(shè)計

□謝 冰（河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司數(shù)字工程中心）

基于南水北調(diào)中線工程某35kV降壓變電站工程，考慮到征地有限，無法布設(shè)大面積的地下接地網(wǎng)，并且站中除供配電設(shè)施外布設(shè)有通訊和監(jiān)控設(shè)施，對阻值的要求非常嚴(yán)格，因此結(jié)合地形、土壤條件，構(gòu)建基于BIM技術(shù)構(gòu)建三維多層接地網(wǎng)模型，通過三維模型的建設(shè)和布局形成合理設(shè)計方案，并通過接地電阻計算驗(yàn)證設(shè)計方案，在設(shè)計階段形成科學(xué)、合理、高質(zhì)量的設(shè)計方案，避免接地方案與其他專業(yè)的沖突，減少施工過程中修改和變更。

降壓站；BIM；三維多層接地網(wǎng)；接地模塊

0 引言

南水北調(diào)中線工程采用35kV專線供電，沿線的河渠交叉建筑物、分水口門處設(shè)35kV降壓變電站進(jìn)行供電。為保障閘門的正常啟閉，電氣設(shè)備的正常運(yùn)行、總干渠的安全運(yùn)管和駐站值班操作人員的人身安全，需要為降壓站設(shè)計科學(xué)、合理、高效的接地系統(tǒng)。

降壓站由于征地有限，無法布設(shè)大面積的地下接地網(wǎng)，并且站中除供配電設(shè)施外布設(shè)有通訊和監(jiān)控設(shè)施，考慮到南水北調(diào)工程的重要性和自動化監(jiān)控系統(tǒng)對阻值的要求非常嚴(yán)格，因此結(jié)合地形、土壤條件，在有限的工程空間內(nèi)建設(shè)高效、可靠的接地系統(tǒng)是設(shè)計的難點(diǎn)。

傳統(tǒng)的接地設(shè)計，只是在平面上規(guī)劃接地網(wǎng)和接地極，通過大量的文字描述和要求作為補(bǔ)充，缺乏空間中的考量，施工單位獲得的信息非常不直觀，因此在實(shí)施中會產(chǎn)生困難和誤解，甚至為了通過接地驗(yàn)收采用如澆水、撒鹽、臨時增加會對生態(tài)環(huán)境造成破壞的降阻劑等非常措施。

基于BIM（Building information model）技術(shù)構(gòu)建的降壓站建筑、結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備模型，建立空間三維多層接地網(wǎng)模型，并結(jié)合場地條件、土壤電阻率進(jìn)行三維設(shè)計仿真，計算接地電阻，通過精確的三維模型在設(shè)計階段根據(jù)接地阻值要求設(shè)計詳細(xì)的接地方案，便于實(shí)施，保證項(xiàng)目質(zhì)量。

1 基于BIM技術(shù)的三維多層接地網(wǎng)構(gòu)建

1.1 概述

降壓站為2層框架式結(jié)構(gòu)，閥板基礎(chǔ)，降壓站周邊建筑物為倒虹吸，設(shè)計中已考慮將倒虹吸和閘室混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的鋼筋焊接成網(wǎng)作為聯(lián)合接地網(wǎng)的一部分與降壓站接地網(wǎng)相連，但考慮到混凝土構(gòu)筑物的電阻率極高，即使大規(guī)模的焊接鋼筋網(wǎng)降阻效果也十分有限，不能為降壓站提供有效的泄流通道，因此本次接地設(shè)計仍需終點(diǎn)考慮降壓站的獨(dú)立接地網(wǎng)。

由于降壓站結(jié)構(gòu)采用閥板基礎(chǔ)，所以降壓站下部敷設(shè)人工接地網(wǎng)的空間有限，閥板和站內(nèi)電纜溝底部的間距約為1.40 m，如采用垂直接地極，如鍍銅鋼棒，銅包鋼棒，如果長度控制在1.40 m以內(nèi)，接地效果難以保證，如采用正常長度則需穿越閥板基礎(chǔ)，對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定造成影響。接地極選用縱向深度較小的石墨接地模塊，形態(tài)穩(wěn)定，與土壤親和力強(qiáng)，使用時間越長接觸電阻就越小，采用高純度的鱗片石墨與金屬電極芯高溫鍛壓而成，具有發(fā)達(dá)的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，表面為波浪形，可有效增大散流面積和增加導(dǎo)電通道，增大了散流面積，從而加大了泄流速度。

三維接地系統(tǒng)的設(shè)計需要建筑模型、結(jié)構(gòu)模型、電氣設(shè)備模型的支持，上述三類模型及其他需要的專業(yè)模型經(jīng)過三維空間疊加構(gòu)建三維接地參考模型為接地設(shè)計的基礎(chǔ)。構(gòu)建完參考模型后，在空間中繪制多層接地網(wǎng)、接地體、接地扁鋼、引下線、避雷帶等設(shè)施的三維模型，組成三維多層接地網(wǎng)模型。最后根據(jù)三維模型提供的屬性信息進(jìn)行三維設(shè)計仿真，計算接地電阻并根據(jù)計算結(jié)果優(yōu)化設(shè)計方案。

1.2 三維接地參考模型構(gòu)建

結(jié)合建筑、結(jié)構(gòu)專業(yè)提供的降壓站BIM模型，根據(jù)設(shè)計需要對模型進(jìn)行簡化，去除建筑物外部裝飾、墻面、門窗，只保留建筑物基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)框架、樓板、頂板等防雷接地涉及到的BIM模型，簡化后的降壓站BIM模型如圖1所示。

圖1 降壓站BIM模型圖

降壓站接地系統(tǒng)的主要保護(hù)對象為35 kV鎧裝柜、低壓柜、直流屏、無功補(bǔ)償系統(tǒng)、變壓器、柴油發(fā)電機(jī)組、動力配電箱等電氣設(shè)備，電氣設(shè)備的接地主要通過與安裝基礎(chǔ)槽鋼可靠焊接，通過基礎(chǔ)槽鋼與接地扁鋼焊接接入接地網(wǎng)，站內(nèi)的電纜溝內(nèi)各金屬支架儀需通過與接地扁鋼焊接接入接地網(wǎng)。建立上述主要電氣設(shè)備及安裝基礎(chǔ)槽鋼三維模型和站內(nèi)電纜溝模型，并將這些模型疊加到降壓站BIM模型，形成完整的三維接地系統(tǒng)參考模型，如圖2所示。

圖2 降壓站三維接地系統(tǒng)參考模型圖

1.3 三維多層接地網(wǎng)模型構(gòu)建

根據(jù)降壓站的結(jié)構(gòu)，本次建立的三維空間多層接地網(wǎng)由四層水平不等距接地網(wǎng)和8根貫通四層水平接地網(wǎng)和屋頂避雷帶的引下線組成。四層水平接地網(wǎng)（順序自下而上）分別為閥板基礎(chǔ)鋼筋接地網(wǎng)、人工基礎(chǔ)接地網(wǎng)、系梁基礎(chǔ)鋼筋接地網(wǎng)、降壓站室內(nèi)人工接地網(wǎng)。其中閥板基礎(chǔ)鋼筋接地網(wǎng)和系梁基礎(chǔ)鋼筋接地網(wǎng)是利用建筑物≥?16的結(jié)構(gòu)主筋焊接成約5 m×5 m的網(wǎng)格，人工基礎(chǔ)接地網(wǎng)是利用閥板和建筑物底板的空隙將接地模塊用鍍鋅扁鋼焊接成約5 m×5 m的網(wǎng)格，降壓站室內(nèi)人工接地網(wǎng)是在降壓站墻面距地200 mm處明敷鍍鋅扁鋼成環(huán)并利用鍍鋅扁鋼將各需要接地的電氣設(shè)備基礎(chǔ)、外殼與其可靠焊接。鍍鋅扁鋼尺寸初選50 mm×5 mm，接地模塊尺寸初選500 mm×400 mm ×50 mm。

根據(jù)上述設(shè)計原則和設(shè)計方案進(jìn)行空間建模，構(gòu)建三維多層空間接地網(wǎng)BIM模型，所有接地扁鋼焊接處采用搭接焊接。經(jīng)過初步建模和空間定位確定模型的基本框架，根據(jù)碰撞檢測的結(jié)構(gòu)查找接地模型與建筑、結(jié)構(gòu)、電氣模型的沖突、碰撞、重疊等，對沖突部位的形狀、尺寸、空間位置逐條進(jìn)行調(diào)整，再次通過碰撞檢測確定模型間不存在沖突，則形成最終的三維多層空間接地網(wǎng)BIM模型，可向施工單位提供BIM模型指導(dǎo)施工并通過剖切組成二維施工圖作為正式成果提交。

三維多層空間接地網(wǎng)BIM模型如圖3所示。

圖3 三維多層空間接地網(wǎng)BIM模型圖

2 基于BIM模型的接地電阻計算

35 kV降壓變電站包含通訊、監(jiān)控設(shè)施，因此要求接地電阻阻值≤1Ω。降壓站下部土壤為含砂粘土，電阻率近似值為300Ω.m。由于建筑物規(guī)模較小，計算接地電阻包含3個部分：建筑物基礎(chǔ)鋼筋（自然接地體）、人工接地網(wǎng)鍍鋅扁鋼（人工水平接地體）、人工接地網(wǎng)接地模塊（人工垂直接地體）。

2.1 建筑物基礎(chǔ)鋼筋（自然接地體）電阻計算

利用BIM模型測量出閥板基礎(chǔ)鋼筋接地網(wǎng)和系梁基礎(chǔ)鋼筋接地網(wǎng)的輪廓面積均為22.50 m×12 m。

采用等效平板法進(jìn)行計算，土壤為均質(zhì)。

土壤電阻率ρ=300 Ω.m，鋼筋體長邊邊長a=22.50 m，短邊邊長b=12 m，a/b=1.88 ，形狀系數(shù)K=0.47，經(jīng)計算Rn=8.49 Ω。

2.2 人工接地網(wǎng)鍍鋅扁鋼（人工水平接地體）電阻計算

利用BIM模型測量出人工基礎(chǔ)接地網(wǎng)水平接地體的總長度為249 m，埋設(shè)深度2.80 m；降壓站室內(nèi)人工接地網(wǎng)水平接地體的總長度為198 m，埋設(shè)深度0.10 m。

人工接地網(wǎng)水平接地體電阻公式：

土壤電阻率ρ=300Ω.m，水平接地體的總長度L=249 m，水平接地體的埋設(shè)深度h=2.80 m，水平接地體的等效直徑d=0.0 5 m/2=0.03 m，水平接地體的形狀系數(shù)A=0，經(jīng)計算人工基礎(chǔ)接地網(wǎng)水平接地體電阻Rp1=2.63Ω。

降壓站室內(nèi)人工接地網(wǎng)的主要功能是連接主要電氣設(shè)備的金屬外殼或安裝基礎(chǔ)、金屬支架、金屬管道、導(dǎo)體和導(dǎo)線的金屬裸露部分等需要進(jìn)行接地的設(shè)施。該部分水平接地體部分裸露在空氣中，部分與混凝土接觸，因此電阻率較高，本次計算不考慮該部分水平接地網(wǎng)帶來的降阻效果。

2.3 人工接地網(wǎng)接地模塊（人工垂直接地體）電阻計算

BIM模型中接地模塊的數(shù)量為24塊。

土壤電阻率ρ=300Ω.m，接地模塊降阻系數(shù)K=0.16，調(diào)整系數(shù)h=0.82。

單個接地模塊接地電阻：Rc=K×ρ=48Ω，

并聯(lián)后總接地電阻：Rm=Rc/（n×h）=2.44Ω。

2.4 計算結(jié)果

閥板基礎(chǔ)鋼筋接地網(wǎng)電阻為8.49Ω，系梁基礎(chǔ)鋼筋接地網(wǎng)電阻為8.49Ω，人工基礎(chǔ)接地網(wǎng)水平接地體電阻Rp1=2.63Ω、垂直接地體電阻為2.44Ω，各層接地網(wǎng)并聯(lián)后總接地電阻R=0.98Ω＜1Ω，因此該接地方案滿足設(shè)計要求。

2.5 結(jié)果分析

本次設(shè)計構(gòu)建的三維多層空間接地網(wǎng)BIM模型基本合理，計算電阻值基本滿足要求。需要注意的是，計算所取土壤電阻率為標(biāo)準(zhǔn)值，若遇到氣候長期干旱，土壤含水率長期偏低，會造成土壤電阻率明顯升高，接地網(wǎng)的阻值將無法滿足要求，會對安全生產(chǎn)造成隱患。因此，可考慮采用下列方法改善接地阻值：換填電阻率較低的土壤，選用更大接觸面積的接地模塊，增加接地網(wǎng)的層數(shù)等。

以換填電阻率較低的土壤為例，為便于施工，僅考慮對接地模塊周邊土壤進(jìn)行局部換填，換填土壤為砂質(zhì)粘土，土壤電阻率ρ=100 Ω.m，經(jīng)計算，總接地電阻R=0.54 Ω，改善效果明顯。

3 結(jié)語

文章以南水北調(diào)中線一期工程某35kV降壓變電站為基礎(chǔ)，基于BIM技術(shù)構(gòu)建空間三維多層接地網(wǎng)模型。接地網(wǎng)采用4層水平不等間距接地網(wǎng)，配合采用石墨接地模塊作為垂直接地體，通過三維模型的建設(shè)和布局形成合理設(shè)計方案，并通過接地電阻計算驗(yàn)證設(shè)計方案，在設(shè)計階段形成科學(xué)、合理、高質(zhì)量的設(shè)計方案，避免接地方案與其他專業(yè)的沖突，減少施工過程中修改和變更。

BIM技術(shù)是一門新興的技術(shù)，如何與實(shí)際工程的有效結(jié)合，提高設(shè)計效率，提高設(shè)計產(chǎn)品成果是BIM設(shè)計的難點(diǎn)，本文以點(diǎn)帶面，通過闡述BIM技術(shù)與接地方案設(shè)計的結(jié)合，對BIM技術(shù)與電氣專業(yè)設(shè)計的有效結(jié)合進(jìn)行了一定的探索和研究，新技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)初步達(dá)到了提高設(shè)計產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

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TM63

A

1673-8853（2017）10-0063-03

謝冰（1985－），男，工程師，主要從事電氣、水利信息化設(shè)計工作。

2017-9-25

編輯：左英勇