輸電線路鐵塔掛點數字化模型研究

李美峰，駱俊林，馮 勇，李會超，車 達，謝 靜

(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

輸電線路行業正在大力研究和推進三維數字化設計技術的應用[1-3]。輸電線路三維設計是以模型和數據為核心要素，通過驅動模型來提取、編輯和存儲設計信息，從而完成相關的設計業務工作。在輸電線路三維模型中，鐵塔是最關鍵的部分[4-5]。其中鐵塔掛點既是連接絕緣子串和鐵塔結構的裝置，也是反映掛點裝配要求的重要區域[6]，對于指導鐵塔和金具正確組裝具有重要的指導作用[7]。目前行業內通用的輸電線路鐵塔模型包括以*.tta格式文件數據結構為基礎的鐵塔計算模型和以*.mod格式文件數據結構為基礎的鐵塔三維模型[8-9]。但計算模型和三維模型均未對掛點進行詳細的定義。

本文首先分析了鐵塔掛點的設計過程，從掛點提資表中總結了掛點數字化模型的特征。結合行業內通用的*.mod數據結構所表達的掛點信息，得出目前采用*.mod表達的鐵塔通用模型和產品模型都不能全面表達掛點所有特征信息。然后借助*.xml這種可擴展的標記語言，提出一種全面表達掛點信息的方法和數據結構，在不需對*.mod數據結構進行修改的情況下，可實現掛點信息的補充。鐵塔三維模型通過把*.mod和*.xml文件相結合，可以實現掛點數字化模型信息的全面表達。最后選擇自主開發的鐵塔三維建模軟件，以典型干字型耐張塔為例建立了完整的掛點三維模型，并進行了應用測試。

1 輸電鐵塔掛點信息分析

掛點設計是鐵塔設計的重要環節，一般是在桿塔規劃前，由電氣設計人員提出鐵塔掛點需求或掛點提資單，其主要內容見表1所列。從表中可以看出，鐵塔掛點提資主要包含掛點數量、掛點間距、聯塔金具的型號、螺栓的規格和穿向、掛線角鋼間距要求或者掛線板的厚度要求，但一般不包含聯塔金具與下一個金具連接處的孔位及螺栓尺寸。

表1 鐵塔掛點提資表

結構設計人員接收掛點提資單后，結合桿塔其他設計條件開展桿塔規劃，確定桿塔外形后進行桿塔計算優化，進而得到桿塔的司令圖。利用司令圖和掛點提資，才能繪制完成桿塔結構圖。鐵塔設計流程圖如圖1所示。

圖1 鐵塔設計流程圖

通過對掛點設計過程的分析，可以得出鐵塔掛點的設計屬性主要包括：掛點金具、掛孔構造、掛點功能、掛點位置。對鐵塔掛點信息進一步抽象和研究，我們將其信息內容歸納為四種特征，即：功能特征、結構特征、裝配特征和荷載特征。

1)功能特征反映了掛點的功能要求，一般可將其分為掛地線、導線、跳線和施工安裝等四類。

2)結構特征反映了鐵塔模型的顆粒度，當鐵塔模型為實體模型時，掛點表現為實體結構特征，如圖2(a)所示；當掛點為單線模型時，掛點表現為單線結構特征，如圖2(b)所示。

圖2 掛點示例圖

3)裝配特征反映了鐵塔直接相連的掛點金具型式，主要包括“GD型(樞軸掛板)”“EB型(耳軸掛板)”“UB型掛板”“U型掛環”和“U型螺栓”五類。裝配特征涵蓋金具型號、掛孔尺寸、分組信息、金具轉動特征等信息。目前，500 kV及以上線路，多采用耳軸掛板或樞軸掛板，其型式如圖3所示。

圖3 耳軸掛板及樞軸掛板

4)荷載特征反映了掛點的受力特征，分為耐張和懸垂兩類，見表2所列。

表2 掛點荷載特點

2 掛點數字化模型表達方法

2.1 信息存儲方式

目前輸電線路鐵塔三維模型一般采用通用模型和產品模型兩類，建模方法為參數化建模，其數據包括桿塔節點、桿件、掛點信息，文件格式為*.mod，掛點信息的表達方式為：掛點類型，掛點名稱，X，Y，Z(坐標相對于模型原點)，其中掛點類型包括：G—地線掛點，C—導線掛點，T—跳線掛點。掛點命名規則見表3所列。

表3 mod文件掛點命名規則

盡管*.mod文件的掛點分類尚未涉及到安裝類，但對于這類信息的擴展只需在模型文件下添加相應的字段即可。結合掛點的功能特征、結構特征、裝配特征和荷載特征對通用模型和產品模型進行比較分析，檢查是否具備相應的特征描述內容，結論見表4所列。

表4 兩種模型掛點特征符合度檢查

從表4中可看出，*.mod文件存儲的掛點信息，尚不足以體現掛點的數字化信息特征。如果在*.mod文件中不斷補充信息，會造成整個數據結構非常復雜，且不易被設計人員理解。因此需要一種基于純文本的數據格式，兼顧讀寫，并且簡單靈活。

XML(extensible markup language)是一種類似于HTML的可擴展的標記語言，具有良好的可讀性和規范簡潔的書寫方式。因此，這里推薦采用*.xml數據格式來記錄掛點信息，并單獨存放在一個獨立的文件中，這樣鐵塔數字化模型便可通過*.mod和*.xml共同表達，如圖4所示。

圖4 鐵塔數字化模型示意圖

2.2 功能特征信息表達

從2.1節可以得出，目前*.mod文件中的掛點信息可體現出掛點的類型、位置和相序，滿足常規線路工程鐵塔掛點的設計要求，如圖5所示。

圖5 掛點功能特征示意圖

但為適應更為復雜的多回路、混壓塔或者換位塔等，應將回路、電壓等級等信息添加進去。因此將功能特征通過回路和掛點位置這兩個元素來體現，其元素和屬性見表5所列。

表5 掛點功能特征元素及屬性表

2.3 結構特征信息表達

包括掛板厚度、掛孔直徑、間距、朝向等信息，如圖6所示。

圖6 掛點結構特征示意圖

見表6所列，螺栓穿向通過一組空間向量來表達，能更準確的反映掛孔的位置。掛點模型類型主要是記錄掛點信息的來源是從*.mod還是*.xml文件中獲取的。

表6 掛點結構特征元素及屬性表

2.4 裝配特征信息表達

裝配信息主要體現掛點結構與掛線金具的相對關系：一是直接連接掛線角鋼的金具，可以命名為聯塔金具；二是與聯塔金具相連，但可以旋轉或擺動并與鐵塔產生碰撞的金具，可命名為二級金具。如圖7所示。

圖7 掛點裝配特征示意圖

裝配信息應包含與掛點結構相匹配的掛點金具的特征參數，而這些特征參數主要與特定的金具型號相關，見表7所列。其中金具的最大和最小轉角也通過參數進行表示。

表7 掛點裝配特征元素及屬性

2.5 荷載特征信息表達

荷載特征信息主要用于區分掛點是懸垂型還是耐張型，表8采用受力類型區分懸垂和耐張的荷載特征。

表8 掛點載荷特征元素及屬性表

3 掛點建模

我們基于TMA(towen-manufacturing assistant)鐵塔放樣加工平臺，自主開發鐵塔三維建模程序，在生產鐵塔數字化模型的過程中，同時賦予模型掛點信息。本文選取一種500 kV單回路干字型耐張塔進行了測試。建模流程如下：

1)建立鐵塔粗略模型

程序支持導入計算模型或搭建幾何體兩種方式建立鐵塔單線模型。因該塔已具備計算模型，所以這里通過直接導入計算模型的方式即可快速建立幾何模型，而構件的規格信息也通過計算文件傳遞到三維模型中。

2)實體桿件位置定義

由于角鋼構件的拼裝要考慮內貼、外貼及芯線等因素，程序雖然已具備對典型塔型自動匹配拼裝的功能，但部分節點和位置仍需要用戶自主調整。因此這里對主要節點按照構圖規則進行了調整。

3)地線掛點定義

在單線模式下，點擊地線掛點荷載計算的節點，完成地線掛點定義，確定回路、掛點位置信息，程序操作如圖8所示。

圖8 地線掛點定義

4)導線掛點定義

在單線模式下，點擊導線掛點荷載計算的節點，完成導線掛點定義，并確定回路、掛點位置信息，程序操作界面如圖9所示。

圖9 導線掛點定義

5)金具建庫

單線模型下掛點定義，主要是實現現階段*.mod層次結構的數據表達。接下來通過實體模型掛點定義，完成對掛點數字化模型的信息完善。由于實體模型掛點與金具關聯，因此，程序首先將常用的GD、EB、U型金具參數化[10]，通過建立一個參數驅動的金具庫，在掛點處設置所需金具型號，從庫中調用匹配的金具來獲取具體的參數值。

6)地線掛點實體建模

在實體模式下，點擊地線掛點荷載計算的節點，完成地線掛點實體定義。在實體定義的過程中，確定地線掛線角鋼寬度、掛孔直徑、金具類型及型號、一二級金具擺動角度等信息，如圖10所示。

圖10 地線實體掛點定義

7)導線掛點實體建模

在實體模式下，點擊導線掛點荷載計算的節點，完成導線掛點實體定義。在實體定義的過程中，確定導線掛線角鋼寬度、掛孔直徑、金具類型及型號、一二級金具擺動角度等信息，如圖11所示。

圖11 導線實體掛點定義

8)模型文件存儲

編輯完成后，程序將模型以*.tma的格式進行存儲，同時也支持導出*.mod和*.xml文件。

4 掛點數字化模型的應用

掛點數字化模型可用于三維場景構建、金具裝配校驗、碰撞校驗等。在輸電線路鐵塔組裝過程中，經常會發生金具與塔材碰撞的案例，如圖12所示。

圖12 金具與塔材碰撞工程案例

下面對掛點最常規的碰撞案例進行校驗，如圖13所示。碰撞校驗包含兩級金具與掛線角鋼的相對位置計算。實現方法為將掛點裝配特征信息與結構特征信息相結合，從而輔助設計人員進行碰撞校驗。

圖13 金具擺動與掛線角鋼碰撞校驗

圖13(a)為調整二級金具的擺動角度，檢查其與掛線角鋼是否發生碰撞。三維模型已充分考慮金具連接位置的影響，比二維視圖更加直觀準確。

圖13(b)為調整一級金具的上揚或者下傾角度，檢查其與橫擔連接角鋼及螺栓是否發生碰撞。以往二維圖紙不能表達螺栓和角鋼的空間位置關系，通過三維模型可更加直觀地建模和分析。

5 結語

本文基于對鐵塔掛點信息特征的研究，提出了一種全面描述掛點三維數字化模型信息的數據結構和建模方法。掛點信息通過*.xml文件進行記錄，可有效補充*.mod文件中缺省的數據，具有記錄方便、讀取速度快、適用范圍廣等優點。由于*.xml文件表達方式簡單易讀，遠期還可與各種數字化設計軟件進行對接，利用計算機技術進行碰撞分析、裝配模擬、三維建模等數字化應用，進一步挖掘掛點三維數字化模型的價值。