提高桿塔間隙圓的繪圖工作效率

中國電力工程顧問集團華北電力設計院有限公司 馬繼山 葉 偉 戴雨劍

桿塔間隙圓設計在于確保桿塔具有足夠的安全間隙距離，在架空線桿塔規劃設計中是一項非常重要的工作。一般設計流程需要計算風偏角，根據絕緣子串簡圖、導線的分裂形式及相關帶電部位的尺寸，按照規范中不同工況下的間隙要求值，繪制出相對應的間隙圓，步驟較為煩瑣。該軟件可實現自動繪制間隙圓，極大的提高了工作效率及準確性。

1 選題背景

在輸電線路的本體工程造價中，鐵塔工程造價占較大比重。根據以往500kV 的設計情況來看，鐵塔工程造價約占22%～30%，750kV 輸電線路的鐵塔工程約占31%，同塔雙回1000kV 輸電線路的鐵塔工程造價約占45%以上。桿塔塔頭規劃是桿塔規劃的重要組成部分，合理規劃塔頭尺寸，對輸電線路工程的造價影響很大。

桿塔風偏角計算及間隙圓圖的繪制在輸電線路設計中是一項非常重要的兩項工作，風偏角的理論計算是確定桿塔塔頭間隙最重要的一個前提，而精確、有效的繪制桿塔間隙圓是風偏角的一個可視化的體現，是塔頭間隙設計的重要環節，它可以保證導線及帶電金具（帶電體）與桿塔部分（接地體）之間的空氣間隙不被擊穿，保持輸電系統運行穩定，還可以優化桿塔塔頭尺寸，節約建設投資造價[1]。

根據導線型號、氣象條件及張力情況計算絕緣子串不同工況下的風偏角，然后繪制絕緣子串的樣式、導線的分裂形式及相關帶電部位的尺寸，再根據計算出的風偏角使絕緣子串擺至相應位置，最后根據規范中不同工況下的間隙要求值，繪制出相對應的間隙圓[2]，設計步驟較為繁瑣。對于普通線路工程一套桿塔通常規劃有七八種塔型、絕緣子串有三四種；大型特高壓工程甚至有幾十種塔型、絕緣子串有十幾種，因此間隙圓繪制工作量巨大，消耗了設計人員大量工作時間。

為了減少設計人員的重復勞動時間，提高繪制間隙圓的效率，我處開發了桿塔間隙圓繪制軟件，實現了間隙圓繪制過程電算化。

2 桿塔風偏角的計算

為了確定各種塔型桿塔塔頭尺寸，需要考慮在工作電壓、操作過電壓、帶電作業等氣象條件下的絕緣子串的搖擺角角度。根據桿塔規劃的結果進行分析，選取合適的搖擺角系數Kv，然后由所選取的搖擺角系數Kv 計算不同工況下的搖擺角角度，把該搖擺角角度作為設計直線塔塔頭尺寸的控制角度。設計采用的搖擺角計算公式如下：

式中：P 為每相導線單位長度風荷載（N/m）；Lh為水平檔距（m）；Lv為垂直檔距（m）；T 為每相導線張力（N）；W 為每相導線單位自重（N/m）；a 為相鄰兩塔懸掛點的高差系數；Pj為絕緣子串的風壓（N）；Gj為絕緣子串的重量（N）；Kv為搖擺角系數。

為了選擇好φ 值，必須對Lv/Lh、α、Lh及T等參數進行合理選擇。分析公式（1）、（2）和（3）可以看出，Pj/2與PLh值相比是很小的，而P 值在氣象條件一定的情況下是定值，因此f 值的大小取決于分母。一般來講，Lv/Lh即搖擺角系數Kv越小φ 值越大。

在工程設計中，搖擺角系數Kv非常直觀地反應了桿塔搖擺角情況，直線桿塔的搖擺角系數Kv對塔頭規劃有直接的影響。因此在桿塔塔頭尺寸規劃時，應確定搖擺角系數Kv。一般來講，在山區和大山區搖擺角系數Kv較小，而在丘陵和平地地區搖擺角系數Kv較大。

3 桿塔間隙圓的繪制

懸垂絕緣子片數及串長以及工頻電壓、操作電壓、雷電過電壓所要求的空氣間隙距離和其相應的風偏角確定之后，即可開始進行桿塔間隙圓的繪制，以最終確定桿塔塔頭間隙尺寸。下面以大風工況為例，繪制桿塔間隙圓的步驟如下：

按比例繪制塔頭CAD 立面圖；在圖上標出懸垂串掛點的位置O；過O 做垂線OA，在O 正下方懸垂串長λ 米處，根據導線分裂根數、均壓環寬度和高度、小弧垂的最低點，分別標出導線懸掛點位置A、小弧垂最低點B 和均壓環帶電C；根據計算的大風工況的風偏角φ大風，使絕緣子及所有帶電點，以O 為圓心，旋轉φ大風度；然后以A、B、C 為圓心，以大風工況要求間隙550mm 為半徑，再各個帶電點上作畫圓，最后剪切所有內部的圓弧，保留最外側的圓弧，組成一個“大風工況間隙圓”（圖1），其他工況容許搖擺角的確定方法如法繪制即可；將各個工況的內部相交的圓弧剪切掉，保留最外側的圓弧，完成最終的間隙圓繪制工作（圖2）。

圖1 大風間隙圓繪制結果

圖2 最終間隙圓繪制結果

從作間隙圓的過程可以看出，影響繪制過程的因素如下：風偏角的計算；絕緣子串長；懸掛的金具類型；均壓環尺寸；導線分裂根數、排列形式；不同電壓等級的不同間隙要求。

4 軟件開發

根據上述桿塔塔頭間隙的確定流程，其中間隙圓的繪制是最為繁瑣且易出差的環節。而手動繪制間隙圓過程有重復勞動較多、細節標注較多、原始數據無法保存、校核人員無法溯源等問題，為了提高設計人員的設計效率、提高繪制精準度，我們開發可以直接嵌入CAD 菜單中的間隙圓繪制程序。

4.1 開發流程

基于軟件研發的基本對策，繪制了自動繪制間隙圓軟件研發流程圖：確定軟件系統功能--選擇軟件開發語言-編寫軟件-合成測試-發布投入應用。依據開發流程，各項對策實施如表1所示。

表1 對策實施

4.2 確定軟件系統功能

經調查整理以往工程中間隙圓類型，通過整理合并，主要絕緣子串類型有3種，每種絕緣子串型再按導線分裂數分為5種，總計15種間隙圓。按絕緣子串類型分類：L 型絕緣子串間隙圓、I 型絕緣子串間隙圓、V 型絕緣子串間隙圓；按導線分裂數量分類：單導線、雙分裂導線、三分裂導線、四分裂導線、六分裂導線。

4.3 選擇開發語言

目前設計人員使用的繪圖工具主要以Auto CAD 為主，利用Auto CAD 二次開發功能自行開發間隙圓繪制軟件較為方便。經調查統分析，目前對Auto CAD進行二次開發常用的工具有Auto Lisp、ADS、ARX、Object ARX、VBA 和Visual Lisp。

在上述幾種編程語言中，對于普通用戶來說Auto Lisp 編程執行效率低；DS、ARX、Object ARX 顯得澀難懂，Visual Lisp 在功能上又略顯不足。而VBA 語言克服了上述語言的的缺點和不足，功能強大且便于掌握和快速開發，因此本項目開發采用VBA 語言編譯。

4.4 編寫軟件

4.4.1 軟件繪制原理

表2 編程語言選擇表

整體思路為利用VBA 實現對CAD 的繪圖命令的控制，具體軟件繪圖流程如下：

通過定義“Points（）”數組，確定絕緣子串長、均壓環帶電點、導線掛點等坐標的位置，將電氣原件轉換為坐標描述的離散點；通過“Set Lines”命令，按“Points（）”數組中的坐標畫線條，繪制出整個絕緣子的樣式簡圖；通過“center(0)”數組命令繪制以帶電點為圓心，對應大風、操作、雷電等工況的空氣間隙為半徑的各個間隙圓；通過“Rotate”旋轉命令，使對應工況的間隙圓按計算的風偏角旋轉到指定位置，此時不同的間隙圓之間會產生相交重疊。

通過“regions”命令，剪切各個相交的間隙圓，去掉重疊部分，最后保留最外側的圓弧，完成間隙圓的繪制。該命令將包含封閉區域的對象轉換為面域對象，面域是用閉合的形裝或是環創建的二維區域，閉合多段線，閉合的多條直線的閉合的多條曲線都是有效的選擇象。曲線包括圓弧、圓、橢圓弧、橢圓和樣條曲線。通過該命令，可以將原來在CAD中手動操作剪切相交間隙圓的過程自動化，大大提高了繪制效率。4.4.2 軟件界面

該軟件實現在Auto CAD 菜單欄中增加間隙圓菜單，并增加原始數據輸入、讀取搖擺角計算等頁面，完成間隙圓的繪制后，可以輸出繪制參數及規范要求值，詳見圖3～圖5所示。

圖3 軟件開平臺

圖4 間隙圓繪制成果

圖5 編譯相關功能

4.3 合成測試

首先在主菜單中增加間隙圓菜單。在命令行直接輸入命令cuiload，彈出“自定義設置”對話框。點擊下面的“瀏覽”按鈕（將文件類型改為mnu），選擇CAD 安裝目錄下的support 文件夾下的“＊.mnu”文件，然后點擊“加載”，此時CAD菜單欄已經顯示出“間隙圓”的菜單項，表示已經加載成功，可以使用。

本軟件基于以往線路工程，進行了多次測試。在相同的輸入條件下，自動繪圖程序與原來手動繪圖的程序的結果一致。測試結果表明：軟件運行穩定，滿足自動繪圖的需要；軟件與Windows 系列操作系統具有良好的兼容性，系統適應性廣，操作方法簡便，界面簡潔、實用。

5 結語

本軟件利用CAD 圖解法，把復雜的手工剪切相交間隙圓工作交給CAD 軟件去自動完成，實現了間隙圓繪制的程序化，適用于各種串型及導線分裂型式，克服了手工繪制間隙圓繁瑣低效的缺點。軟件計算速度快，準確性高，提高了工作效率，降低了勞動強度，實用性強，實際使用效果好。