郭獻俊

（福建億興電力設計院有限公司，福建泉州 362000）

0 引言

以某110 kV架空線路為例，采用北京百合公司“三維輸電線路設計系統(tǒng)”，該軟件綜合運用數字化協(xié)同技術、地理信息技術、三維建模技術，依據輸變電三維設計標準研發(fā)的設計軟件。系統(tǒng)以三維數字地球為信息交互和空間信息展示窗口，集三維測量數據處理、三維桿塔建模、三維金具組裝、三維電氣設計和三維基礎設計于一體。設計完成后，自動輸出標準GIM 文件，實現(xiàn)了設計過程可視化、設計成果數字化、設計信息一體化。

1 金具串、導地線、桿塔等建模

1.1 金具串建模

應用軟件自帶數據庫，金具串圖形化三維金具組裝，可快速組裝I 串、V 串，鼠籠跳線串等。組裝過程中支持金具連接檢查、金具配合尺寸檢查、金具碰撞檢查和金具荷載匹配，組裝后自動計算金具串長度、重量和受風面積。

1.2 桿塔建模

桿塔三維模型準確反映桿塔型式和外形尺寸，包含使用條件、材料、重量、基礎作用力、地腳螺栓等信息。

2 傾斜攝影建立三維地理信息模型

方案比選流程：明確線路起止點、周邊電網規(guī)劃→網絡下載影像→據村莊分布初選多個路徑方案→至市鎮(zhèn)部門搜集路網、基本農田、易燃易爆物分布及規(guī)劃→修改路徑方案→確定航拍范圍→多方案比選→確定最優(yōu)方案。近一年多三維設計，獲取傾斜攝影航拍細化地理信息數據，各種影像數據對比見表1。

表1 影像數據對比

綜合以上對比，本工程采用大疆精靈4 RTK 無人機，以傾斜攝影的形式進行信息采集。并將含有POS 數據的圖片進行三維建模。解決了正攝影像存在需要手工建立地物模型、地物高程不準確的難題。為控制成本及建模文件便于處理，本次傾斜攝影模型GSD精度3.29～4.30，建模后可看出所有建筑物外觀及三維尺寸。

3 電氣設計

3.1 三維選線

根據前述路徑方案，按桿塔規(guī)劃使用條件，首先確定轉角桿塔位置，再“提取高程”生成路徑中心線、邊導線地形曲線。選線時首先從3D 界面確定轉角塔位，因肉眼判斷出線口的最佳塔位會存在偏差，建議結合2D 斷面修改塔位，圖1 是線路通道清理控制面。

圖1 線路通道清理控制面

3.2 立塔架線

立塔架線有“單個立塔”“樁位立塔”“批量立塔”3 種形式，建議先“樁位立塔”確定轉角塔塔型，再“單個立塔”調整轉角塔呼高、立直線塔及配置導地線及金具。

立塔架線也可采用二、三維聯(lián)動方式，該方式可以在所制定路徑方案的基礎上生成二維平斷面圖，進行二、三維聯(lián)動排塔。通過二維平斷面可以準確控制桿塔使用條件，通過三維場景可以形象地判斷桿塔所處的環(huán)境情況。二、三維聯(lián)動排位，可在二維平斷面和三維場景進行隨意切換，準確掌握線路交跨距離。聯(lián)動排位可以提高整體桿塔排位質量。

3.3 電氣校驗

電氣校驗包括交叉跨越距離、導線對地距離、導地線配合、線間距離、絕緣子串強度、風偏、塔串碰撞、平行線路間距校驗，風偏搖擺角校驗，塔串碰撞校驗。

設計一般考慮耐張段兩側導、地線張力相同，以減少桿塔不平衡張力，架線時選擇固定的導地線安全系數及年平系數。但若檔距較大、地線弧垂特性不佳時，導地線配合可能存在不滿足“0.012 L+1”，則需調整地線安全系數或年平系數。

“通用設計數據庫系統(tǒng)”中直線塔提供Kv 值，本工程按國網深化原則重新規(guī)劃、深化的桿塔也有Kv 值，但是該Kv 值基于特定的金具串長，而桿塔允許搖擺角隨著串長變化而變化，因此桿塔允許搖擺角需根據實際懸垂串串長、均壓環(huán)位置、均壓環(huán)大小進行修正。一個工程中同個塔型可能使用不同的懸垂串型，故在二維軟件中直線塔搖擺角校驗需很多時間。

而三維軟件中有桿塔、金具串完整的數據庫，風偏搖擺角校驗直接以應用串型風偏后對塔構件距離是否滿足過電壓距離要求來驗算，不需要再人為輸入桿塔各工況搖擺角，可提高校驗準確度、提高工作效率。本三維軟件甚至考慮前后桿塔橫擔等效長度，計算各相導線實際轉角，根據各相掛點實際高度，計算各相導線風壓再據實算風速計算導線風偏搖擺角，該軟件顯著提高計算精度。

塔串碰撞校驗中，在三維環(huán)境下對鐵塔復雜節(jié)點、鐵塔、鋼管桿重要連接部位等進行碰撞和連接校驗，實現(xiàn)三維可視化校驗，提高設計精細化程度和工作效率。

4 結構設計

4.1 基礎設計

圖2 是基礎設計流程圖，根據路徑方案，現(xiàn)場勘查水文氣象、地勘。依據各塔型基礎受力的大小，運用“兩型三新”和有利于機械化施工的理念，優(yōu)選出了適合本工程的基礎型式：直柱全掏挖、帶擋板掏挖基礎、PPG 后注漿樁基礎等環(huán)?；A型式。

圖2 基礎設計流程

利用三維應用軟件完成基礎受力驗算，形成滿足工程需求的基礎三維通用模型。在三維基礎建模后，通過應用軟件進行基礎材料、工程量的統(tǒng)計，并輸出相應基礎圖紙及材料統(tǒng)計清冊。軟件具備逐塔基礎規(guī)劃、設計、比選能力，基礎設計首先要進行“高低腿”配置、桿塔荷載導入、水文地質條件輸入、基礎規(guī)劃、基礎設計，生成基礎圖。

4.2 桿塔組立及碰撞分析

三維軟件按實建模，直觀顯示各部位塔材規(guī)格及連接，可用于輔助選擇桿塔選用組立方案，指導構件拼裝，檢驗鐵構件之間、金具串與塔身是否存在碰撞。

5 存在不足

5.1 修改交跨線路舊線路弧垂設定

軟件中舊線路架線同新建線路，輸入導線型號、安全系數、年平系數，但舊線路弧垂可能與理論偏差，軟件輸入的安全系數、年平系數與實際線路不符，無法準確模擬實際弧垂。建議已建線路輸入觀測工況的氣溫、線路、掛點及導線、氣象條件等參數后，按圖3 流程反算出計算工況弧垂。

圖3 舊線路弧垂處理流程

5.2 桿塔使用條件按導地線分別換算

桿塔建模數據包含氣象條件、導地線型號，而工程實際設計條件可能略低于桿塔庫，特別是覆冰厚度，山區(qū)容易出現(xiàn)垂直檔距超設計使用條件，而利用覆冰厚度裕度換算后仍是安全的；其次，導、地線弧垂差異大，建議使用條件按導、地線分開換算。

5.3 增加轉角塔轉角裕度折算水平檔距換算

轉角塔設計水平檔距較小，一般只有400 m，應用中很容易就超過該值，但塔的轉角基本都有裕度，而轉角裕度可換算水平檔距，按此方法計算可大幅增加轉角塔使用水平檔距，建議軟件增加此換算功能，避免三維評審出現(xiàn)校驗不通過情況。

5.4 針對傾斜攝影需改進之處

5.4.1 AI 識別地物類型并校驗及統(tǒng)計

使用傾斜攝影技術全方位獲取地物三維數據及影像，減少現(xiàn)場人工測量交跨物高度及手工建模，大幅提高設計精度及效率。但現(xiàn)軟件把所有影像數據均視為地面數據，按對地距離進行校驗，要求軟件增加AI 技術，智能識別地物類型，針對不同地物執(zhí)行不同電氣校驗標準，并進行通道數據統(tǒng)計。

5.4.2 優(yōu)化規(guī)劃路網、專題數據顯示模式

線路設計時需參照規(guī)劃路網設計、基本農田等數據，雖然軟件具備加載規(guī)劃數據功能，但是市政部門搜集的規(guī)劃資料為二維樣式，非三維結構，加載后規(guī)劃路網能貼合DEM 文件，但不能貼合傾斜攝影，使用傾斜攝影進行三維設計時路網顯示困難，后期軟件需解決該貼合問題。

5.5 匯總不滿足要求結果

“電氣成果”包含“桿塔使用條件”“交叉跨越校核”“搖擺角計算”“懸掛點應力”“導地線絕緣配合”“絕緣子串校核”等11 項內容，計算書數據量大，但沒有突出顯示校核不通過地方，也沒匯總不滿足要求結果，設計排查不便。

6 總結

總體來講，三維設計以數據建模為核心，替代了以圖紙設計為核心的工作模式，實現(xiàn)了二維平面設計向三維設計的轉變，其優(yōu)勢主要有下述5 個。

（1）視覺直觀。三維軟件基于航拍影像，如實體現(xiàn)線路周邊地形、地物，線路路徑選擇可完美避讓民房、敏感點，新建線路與敏感地物水平、垂直距離一目了然，設計人員排塔定位可全方位檢查，甚至業(yè)余人員也能一眼看懂擬建線路。

（2）路徑選線方便。三維選線功能，從3D 影像圖上選擇路徑走向，點擊“高程提取”可瞬間提取選定的路徑走向中心及邊導線斷面，直觀顯示有無大檔差、地形突出點，設計人員可據此優(yōu)化路徑方案，現(xiàn)場測量前根據生成的斷面確定塔位，避免危險點遺漏而造成對地距離不足。

（3）排塔定位快捷。二、三維聯(lián)動排塔，立塔、架線時即進行電氣校驗，提高設計效率。

（4）精確計算風偏搖擺角。二維軟件校驗直線塔風偏臨界是個繁瑣的過程，需逐塔型、串型放樣桿塔結構尺寸、金具串，再計算出桿塔允許搖擺角，計算量大，且人工容易出錯。而三維軟件有桿塔、金具串三維模型，可準確計算出風偏是否滿足要求，大幅提高設計準確率及效率。

（5）構建數定化管理平臺。現(xiàn)運維PMS 為二維平臺，包含線路路徑走向、塔位、塔型、導地線型號、基礎、金具、材料供貨商，受制于平臺為二維構架，只能平面顯示。而引進三維設計，建設、運維部門可在此基礎上構建數字化管理平臺，全方位任意角度查看電網，直觀體現(xiàn)電網與周邊地物關系，為規(guī)劃、建設、運維、搶險提供有力支撐。