输电线路数字化三维设计的研究

输电线路数字化三维设计的研究

郭明明1彭正伟2

（宁夏宁电电力设计有限公司宁夏银川750011）

摘要：当前，二维计算机辅助设计和辅助制图技术已经得到了广泛普及，在电厂、变电站等设计领域，三维数字化辅助设计作为一种新型的设计手段，也处于蓬勃发展的阶段，其直观、便捷和协同工作的能力，越来越多的受到关注。但是，在输电线路设计领域内，目前国内外尚未采用真正意义上的三维数字化辅助设计手段。因此，在输电线路设计领域内引进数字化三维设计理念，搭建一个三维数字化线路统一设计平台，本文针对输电线路数字化三维设计进行了研究分析。

关键词：输电线路；数字化；三维设计

1.三维数字化设计的应用

1.1建模工作

1.1.1导地线建模

导、地线（含OPGW）建模采用参数化描述。导、地线三维模型位置及弧垂姿态根据不同工况在三维场景中自动生成。

1.1.2绝缘子串建模

利用金具三维组装系统实现对金具串的组装、拆分等逼真模拟，自动判断能否连接，可进行强度校核。形象直观、不易出错。

提供金具材料的耗量统计及金具部件的部分信息编辑等工作，可以根据工程实际情况创建和改进金具库，完成各种电压等级架空送电线路导地线金具组装形式的设计和制图。

金具组装完成后自动生成二维图纸，完成材料统计、重量计算、尺寸计算、安全系数最小的受力部件查找及承受最大外荷载计算、联结方式检查、联结配合检查、组装自由度检查、联合碰撞检查、制图数据处理、图形布置和图形生成等项工作。

1.1.3杆塔建模

利用三维技术，依《架空输电线路三维设计建模规范》标准，结合电气间隙等提资，快速建立铁塔通用模型，用于三维场景杆塔排位。

三维场景下，初设阶段根据电气排位成果，可批量计算铁塔，并生成《输变电工程三维设计成果数字化移交技术导则+第2部分：架空线路部分》规范要求深度的初设工程量。

1.1.4基础建模

利用三维基础技术，依《架空输电线路三维设计建模规范》标准，结合水文地质等提资，快速建立基础通用。

1.1.5交叉跨越物建模

交叉跨越物模型包括线路通道范围内的铁路、等级公路、房屋、林木、河流、架空线路、地下管线等。交叉跨越物主要通过参数化建模，反映被跨越物的关键位置、尺寸。

1.2三维设计的应用

（1）建立精确的通道三维场景

通过现场踏勘，完成地面附着物统计工作，修正初设阶段三维场景坐标及高程，建立精确的通道三维场景。

收集的数字高程数据只能满足可研和初步设计的精度要求。施工图阶段需要利用现场勘测数据对三维地形进行拟合，保证线路通道三维模型的精度满足施工图深度要求。

（2）基于精确的线路通道三维模型开展设计工作

1）直观精确排位

2）空间距离校验

3）浏览电气校验成果

相关电气校核及计算通过三维场景中获取数据完成。

（4）金具绝缘子三维设计

利用金具三维组装系统实现对金具串的组装、拆分等逼真模拟，自动判断能否连接，可进行强度校核。形象直观、不易出错。

提供金具材料的耗量统计及金具部件的部分信息编辑等工作，可以根据工程实际情况创建和改进金具库，完成各种电压等级架空送电线路导地线金具组装形式的设计和制图。

金具组装完成后自动生成二维图纸，完成材料统计、重量计算、尺寸计算、安全系数最小的受力部件查找及承受最大外荷载计算、联结方式检查、联结配合检查、组装自由度检查、联合碰撞检查、制图数据处理、图形布置和图形生成等项工作。

三维金具组装系统允许对金具数据库和图形文件的内容随时进行修改和补充，以便增加在数据库和图形文件中没有包括的金具零部件产品，满足金具组装设计与制图不断改进的需要。

（5）三维可视化跳线计算

跳线计算比较复杂，工程上一般是按照经验选取的，很少进行计算，特别是复杂的多跳、硬跳手工基本上无法计算。借助三维可视化跳线计算软件，采用准确的数学、物理模型，使用有限元计算方法，准确计算各工况下各绝缘子串位置和跳线的空间轨迹，从而精确地求出跳线和铁塔各杆件之间的距离。支持验算跳线长度或自动优选跳线长度，能够批量计算多个铁塔跳线，导出工程需要的跳线长度弧垂表和AutoCAD格式的文件。

（6）三维数字化杆塔设计

铁塔快速建模模块，通过三维可视化平台采用“搭积木”的简化方式实现快速构建自立式铁塔单线模型。满应力分析模块，能够在单线模型的基础上根据杆塔使用条件自动计算荷载、杆件规格、基础作用力等，支持多本体、多接腿，并能自动生成铁塔司令图。设计成果自动提交到系统库归档管理；

铁塔三维放样模块，利用满应力分析成果，实现自动计算角钢肢方向、肢侧向，自动进行节点设计。放样成果（包括三维角钢塔模型，铁塔加工图等）自动提交到系统库归档管理。

（7）三维数字化基础设计与配腿一体化

山区和丘陵等地区的铁塔均设计成全方位高低腿塔型，四条塔腿均可根据实际地形进行调节组合，以适应塔位处的地形条件。接腿以长短腿为主，再配合高低基础调节基础露头，作为塔腿长度的调节补充，一般塔位均能做到“零基面开方”，对特别陡的塔位也能通过接腿加长或设计塔脚架、增加立柱露头等形式基本做到“零基面开方”，使输电线路对环境的不利影响降至最低。

（8）工程预算编制及工程量清单编制

通过设计输出接口，导入工程设计成果，自动完成工程量统计、定额套用、费用计算，以及与批准概算的对比，完成预算编制及工程量清单编制。

（9）智能集成出图

数字化设计技术，对整个设计过程及设计成果进行了统一管理。所有的设计资料最终汇集到服务器上，可以通过计算机自动成图的方式，按卷册生成各个专业的图纸，比如线路路径图、杆塔一览图、基础一览图、线路平断面图、明细表、材料表、交叉跨越表、架线施工图、金具组装图等。这减少了繁复工作产生的错误率，同时在很大程度上解放了设计人员的劳动。

2.三维数字化工作总结

三维数字化设计具有精准、直观、高效的优点，采用了先进的设计手段，能够进一步提高工程建设质量、合理缩减建设周期、节省工程造价。

（1）利用人工勘测、机载激光雷达和倾斜摄影等先进的勘测技术手段，建立三维场景，利用三维选线平台进行路径方案确定。

（2）基于线路通道精确的三维场景，采用三维排位软件实现二三维联动排位，房屋拆迁量和林木砍伐量的数字化统计工作。

（3）利用金具三维组装系统实现对金具串的组装、拆分等逼真模拟，自动判断能否连接，可进行强度校核。并且能提供精细外形尺寸模型和满足施工安装要求的施工图。

（4）利用三维杆塔设计计算及实体构造设计软件，建立真实反映杆塔外形、杆件规格的三维模型，针对金具挂点、塔腿连接部提供局部精细化三维模型，完成三维空间实体碰撞校验、空间校验。

（5）结合排位成果、塔位地形三维数据、地质资料等，利用基础设计软件开展基础和全方位接腿配置的三维设计与校验，形成塔位基础三维设计详图和接腿配置三维图。

（6）通过数字化电子交桩，有效避免线下障碍物增加，降低工程投资，也为后期运维打下基础。

（7）移交三维数字化设计成果，包括地理信息数据、线路金具绝缘子串、杆塔、基础三维模型等，既方便了施工单位基于设计成果开展三维数字化施工，也方便了运维单位直观掌握线路信息，快速应对突发状况。

参考文献：

[1]三维数字化设计制造技术内涵及关键问题[J].刘检华，孙连胜，张旭，刘少丽.计算机集成制造系统.2014（03）

[2]输电线路数字化的研究与应用[J].李雪梅.电力学报.2013（03）

[3]三维数字化设计技术在输变电工程中的应用[J].郄鑫，齐立忠，胡君慧.电网与清洁能源.2012（11）