全站儀測量高壓輸電導線相間間距研究

裴珮 林杰 孟浩燦 賈永基

（1.河南省金地遙感測繪技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450003；2.國網(wǎng)河南能源互聯(lián)網(wǎng)電力設(shè)計院有限公司，河南 鄭州 450001）

1 引言

近期，高壓輸電領(lǐng)域出現(xiàn)碳纖維復合材料導線、碳纖維和玻璃纖維混合芯鋁絞線等新型材質(zhì)導線，其中，碳纖維復合材料導線在我國超高壓輸電線路和特高壓輸電線路相繼應用，新型材料的應用推廣離不開測繪技術(shù)輔助精確測量和驗證。

2 相間間距測量

相間間隔棒是安裝在緊湊型線路相與相之間的圓截面細長桿件，用于保持導線相間距離、抑制導線舞動，視檔距大小在每檔線之間安裝2～5 對，長度略大于高壓輸電導線相間間距。向廠家提交訂單時需提供安裝位置精確的相間間距。相間間距測量，目前最高效精準的是機載三維激光雷達航測法，當硬件不允許或高壓線通過禁飛區(qū)、軍事管控區(qū)時，使用全站儀是最優(yōu)方案。相間間距測量是測相間間隔棒安裝位置A、B 兩點間的平距差ΔX和高差ΔH，具體如圖1 所示，根據(jù)勾股定理可得：相間間距

圖1 相間間距測量

已建成高壓線可搜集設(shè)計圖紙，查詢兩側(cè)高壓電塔典設(shè)型號，根據(jù)該型號塔上、中、下橫擔長度差，計算出安裝位置平距差ΔX值，實際需要測的是安裝相間間隔棒位置兩點高差ΔH。

3 用全站儀測輸電導線高度常用方法

3.1 懸高測量

懸高測量是全站儀測高度常用方法，具體如圖2所示，將棱鏡置于目標點正下方，全站儀中輸入棱鏡高v，照準棱鏡測量距離，再轉(zhuǎn)動望遠鏡瞄準待測目標點B，可實時顯示B 至地面的高度H。計算公式如下：

圖2 懸高測量

公式（2）中，v為棱鏡高，S為全站儀至反射棱鏡的斜距；α1和α2分別為棱鏡和目標點的豎直角。

3.2 免棱鏡測量

目前，主流全站儀已支持免棱鏡測量，采用相位比較式、脈沖式、脈沖相位比較式等測距模式，不用照準反射棱鏡即可接收反射激光束測距，適合在不便放置反射棱鏡或反射片的地方測距。用免棱鏡測量直接測得相間間隔棒安裝位置兩點坐標及高程信息，代入公式（1）即可算出高壓輸電導線相間間距。

4 工程實例

本工程為500kV 同塔雙回路架設(shè)高壓輸電線路，全長約122.8 千米，共有高壓電塔292 基，是山東省首個全線采用碳纖維復合芯導線的輸電線路工程。碳纖維復合芯導線可用來替代傳統(tǒng)鋼芯鋁絞線，代表未來架空導線的技術(shù)發(fā)展趨勢。傳統(tǒng)導線只需在道亨軟件里配置參數(shù)即可模擬整條導線，精確算出相間間隔棒安裝位置相間間距。這種新型導線相比傳統(tǒng)鋼芯鋁絞線有不同的熱膨脹系數(shù)，導線放緊線完成后經(jīng)歷一個夏季和冬季的熱脹冷縮，實際相間間距與軟件模擬結(jié)果可能有差別，需實地逐個精確測量驗證分析。

4.1 測量任務(wù)概況

測區(qū)地形為低山丘陵區(qū)，山丘起伏和緩，溝壑縱橫交錯，地形復雜，氣候條件差，交通不便，且55%塔位分布在山區(qū)，植被以農(nóng)作物、果園、雜樹林為主。每檔線之間要安裝2 對、3 對或5 對相間間隔棒，需現(xiàn)場實測安裝位置導線相間間距。

4.2 測量方案分析

從測量精度、可實施性、人員投入、作業(yè)安全、工期等多方面考慮，結(jié)合測區(qū)現(xiàn)場地形及交通條件，制訂科學經(jīng)濟的測量方案。

懸高測量劣勢分析：需在每一測點下方都設(shè)置棱鏡，測點數(shù)量多，且測區(qū)地形條件較差，跑桿人員來回穿越山頭、溝壑，不僅耗時，也存在安全風險，還需耗費大量時間解決全站儀測站點與棱鏡通視問題。

免棱鏡法劣勢分析：（1）免棱鏡激光束打到導線上，因?qū)Ь€特殊絞線造型導致返回激光束較少，且導線距地較高，測站點過近會導致仰角過大無法觀測，測站點過遠則接收不到激光信號，導致頻繁搬站，外業(yè)觀測效率低；（2）不能在導線上精確定位相間間隔棒安裝位置，可用RTK 在測站點與測點連線上放線，粗定向后在導線定向位置前后測多個點，將測點全部展繪圖上，使用插值法內(nèi)插計算安裝位置高程，會影響觀測精度。

針對上述難題，依據(jù)現(xiàn)場條件探索一種新型測量方案：懸高測量改進法（如圖3 所示）。原理是借助Excel 函數(shù)公式制作計算表格，現(xiàn)場設(shè)站完成后將測站點坐標信息輸入表格，自動算出測站點O 與測點A的水平角βA和水平距LA，以此替代懸高測量觀測棱鏡步驟，將全站儀水平度盤調(diào)至角度βA，鎖定水平度盤后調(diào)整望遠鏡頭，瞄準導線后記錄天頂角θA，同步驟觀測測點B 的天頂角θB，輸入Excel 表格，利用函數(shù)公式計算出導線相間間距S。

圖3 懸高測量改進法

安裝點A 高程：

相間間距：

公式（3）和（4）中，坐標高程信息為 ：安裝點A（XA，YA，HA），安裝點B（XB，YB，HB），測站點O（XO，YO，HO）；LA、LB分別為點A、B 和測站點O 的水平距；θA、θB分別為觀測點A、B 時的天頂角；αA和αB分別為觀測點A、B 時的垂直角，i為儀器高。

4.3 測量流程

（1）桿塔與導線展繪。將《塔位明細表》中桿塔坐標展繪至圖上，繪制線路路徑中心線；按典設(shè)塔型上中下3 條橫擔長度繪制三色（上-洋紅色、中-藍色、下-綠色）同心圓模型（轉(zhuǎn)角塔內(nèi)外角線條對應用虛實線區(qū)分）；按《桿塔明細表》中各塔位的桿塔型號在塔位處粘貼對應三色同心圓模型，轉(zhuǎn)角塔處按外角虛線、內(nèi)角實線截取；在直線塔位處繪制垂直于路徑中心線的短線，轉(zhuǎn)角塔處短線方向為角平分線；用與三色同心圓模型對應顏色線條連接轉(zhuǎn)角塔模型與短線交點，繪制出上中下三條輸電導線，具體如圖4 所示。

圖4 桿塔與輸電導線展繪

（2）測點坐標提取。對照設(shè)計文件，在導線上提取需安裝相間間隔棒位置的坐標，具體為短線與三條導線交點。例如圖4，G237-G238 之間需在A 處上導線和中導線之間安裝相間間隔棒，提取A 處短線與洋紅色線交點坐標命名為G237A-S，提取A 處短線與藍色線交點坐標命名為G237A-Z。

（3）Excel 計算表格制作。編制Excel 計算表格，輸入展繪圖上提取的安裝點坐標，根據(jù)安裝點坐標和測站點坐標，編輯Excel 函數(shù)計算出測站點與安裝點連線的方位角和水平距；根據(jù)測站點高程、儀器高、觀測記錄的天頂角、水平距編輯Excel 函數(shù)，計算出安裝點高程；根據(jù)兩安裝點東坐標差值ΔX、北坐標差值ΔY、高程差值ΔH編輯平方根函數(shù)，即可計算出安裝位置導線相間間距S。

計算測站點O 與安裝點A 方位角α時應計算東坐標差值Δy和北坐標差值Δx，根據(jù)差值的正負號判斷方位角所處向限，具體如圖5 所示。測站點O 與安裝點A 連線的方位角α所在向限對應的公式如表1 所示。

表1 方位角所在向限及計算公式

圖5 方位角向限判斷

（4）核對塔位坐標。①影像圖核對：外業(yè)觀測開始前，將塔位坐標制作kml 文件導入奧維互動地圖，選擇最新影像底圖，逐基檢查桿塔點符號是否在影像圖上桿塔正中央，若有偏移，說明施工未按設(shè)計坐標，應統(tǒng)計偏移塔位并現(xiàn)場實測塔位坐標，在桿塔與導線展繪圖上更新，重新提取并修正測點坐標；②現(xiàn)場核對 ：若部分塔位未更新最新影像，交通便利處應現(xiàn)場實測核對；③現(xiàn)場觀測時核對：交通不便處待外業(yè)觀測時用全站儀觀測塔身核對。

為提高工作效率，減少外業(yè)作業(yè)時間，提高成果質(zhì)量，應按①②③順序完成每一基桿塔坐標核對工作。

（5）外業(yè)觀測。將Excel 計算表格發(fā)送至智能手機，全站儀設(shè)站完成后將測站點坐標、高程、儀器高輸入計算表格，計算出測站點與安裝點的方位角，調(diào)節(jié)全站儀水平度盤至該角度并鎖定，調(diào)節(jié)望遠鏡筒，使十字絲對準安裝點所在導線，記錄天頂角并填入計算表格，即可自動計算出導線相間間距?，F(xiàn)場應檢查相間間距數(shù)據(jù)，若有明顯異常，應分析原因并重測。

（6）校核。外業(yè)觀測完成后校核整個測繪過程，除常規(guī)校核內(nèi)容外，應增加Excel 計算表格函數(shù)校核、桿塔與導線展繪圖、塔位坐標核對記錄等內(nèi)容。

5 精度及效率分析

隨機抽取12 月15 日、16 日兩天的測區(qū)任務(wù)，在安裝點與輸電導線垂直方向由遠及近設(shè)測站點及后視點，設(shè)站完成后觀測后視點，鎖定水平度盤，用免棱鏡模式直接觀測導線高程的方法重新觀測。該方法測站點、后視點、兩個安裝點在同一垂面，可精準定位兩安裝點位置，直接觀測兩安裝點坐標高程信息，將觀測到的坐標信息與在展繪圖上提取的坐標信息核對一致后，計算出的兩安裝點距離可作為實際相間間距，與本文方案成果作對比，結(jié)果如表2 所示。由表2 可知，懸高測量改進法與傳統(tǒng)免棱鏡法測量結(jié)果中誤差為0.07m，滿足施工要求，且作業(yè)效率提升約3 倍。

表2 精度及效率分析

6 結(jié)論

本文討論了高壓輸電導線安裝相間間隔棒時，測量導線相間間距的方法，探索了懸高測量改進方案，并在山東某500kV 新建輸電線路工程中應用，與采用傳統(tǒng)免棱鏡法測繪成果進行對比，本方案成果精度滿足輸電線路工程測量要求，且作業(yè)效率大幅提升，具有較大的實用價值和經(jīng)濟效益。