基于精確坐標(biāo)的三維實景平臺輸電線路弧垂模擬的研究

張濤 莊嚴(yán) 秦志軍 魯永生

摘 要：輸電線路三維實景平臺弧垂模擬系統(tǒng)是基于精確的地理信息坐標(biāo)的三維實景平臺上，提供弧垂計算和動態(tài)模擬的功能。通過三維空間自動獲取目標(biāo)檔段的設(shè)計和實測信息，根據(jù)輸入條件，動態(tài)計算弧垂、對地距離等信息。

關(guān)鍵詞：輸電線路 弧垂模擬 精確坐標(biāo) 三維實景平臺

中圖分類號：TM75 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）01（a）-0076-02

輸電線路的弧垂是指在平坦地面上，相鄰兩基電桿上導(dǎo)線懸掛高度相同時，導(dǎo)線最低點與兩懸掛點間連線的垂直距離。弧垂是線路設(shè)計及運行維護(hù)中的重要參數(shù)之一，弧垂的大小直接影響到線路的安全穩(wěn)定運行。合理的弧垂對輸電線路的經(jīng)濟(jì)性和安全性都是至關(guān)重要的。若弧垂過小，輸電線的拉應(yīng)力就大，振動現(xiàn)象加劇，安全系數(shù)減小，同時桿塔荷載增大，嚴(yán)重時還可能發(fā)生斷線、倒塔和掉串等事故；若弧垂過大，由于輸電線的風(fēng)擺、舞動和跳躍會造成線路停電事故。所以輸電線路的弧垂大小值對設(shè)計人員、施工人員或運行維護(hù)人員來說都是非常重要的。

輸電線路三維實景平臺弧垂模擬系統(tǒng)是基于精確的地理信息坐標(biāo)的三維實景平臺上，提供弧垂計算和動態(tài)模擬的功能。基于精確的地理信息坐標(biāo)的三維實景平臺可以提供精確的桿塔、輸電線路的地理位置信息，以及輸電線路所處的環(huán)境的真實地理信息。輸電線路三維實景平臺弧垂模擬系統(tǒng)通過三維空間自動獲取目標(biāo)檔段的設(shè)計和實測信息，根據(jù)輸入條件，動態(tài)計算弧垂、對地距離等信息。弧垂模擬系統(tǒng)結(jié)合真實精確的三維場景，為相關(guān)人員提供直觀的弧垂的現(xiàn)實場景再現(xiàn)，方便相關(guān)人員綜合考慮各種相關(guān)因素，能協(xié)助提高相關(guān)方案的高效性和安全性。

1 弧垂的計算方法

輸電線路的弧垂計算方法有多種，系統(tǒng)采用的計算方法如下：

第一步：根據(jù)平均溫度下的應(yīng)力求解測量溫度下的應(yīng)力（不同檔的檔距不同，導(dǎo)線溫度用戶可自定義），見表1。

第二步：根據(jù)懸掛點不等高時的弧垂公式，計算導(dǎo)線的弧垂和對地距離。

圖1所示為某一檔的弧垂?fàn)顟B(tài)，A，B為不等高的導(dǎo)線掛點，O為導(dǎo)線最低點。yA和yB為A，B懸掛點到最低點O的垂直距離，lOA和lOB為A，B懸掛點到最低點O的水平距離，l為檔距，為A，B懸掛點的高度差，φ為高差角。

以導(dǎo)線最低點O為原點，最低點切向為x軸，建立坐標(biāo)系。設(shè)D為導(dǎo)線上的任一點，坐標(biāo)（x，y），則D點弧垂：

其中g(shù)為導(dǎo)線的比載[N/（m·mm2）]，la和lB為D點與A，B兩掛點的水平距離，σo為導(dǎo)線最低點應(yīng)力（MPa或N/mm2）。

設(shè)A點的對地距離為HA，則D點的對地距離：

2 三維實景平臺弧垂模擬的技術(shù)實現(xiàn)

2.1 建立具有精確的地理信息的輸電線路三維實景平臺

（1）融合國網(wǎng)、南網(wǎng)相應(yīng)GIS平臺以獲取桿塔和線路的精確經(jīng)緯度坐標(biāo)。

（2）桿塔通過高精度激光點云獲取DEM數(shù)據(jù)，結(jié)合空間坐標(biāo)、線路走向確定桿塔朝向、高度等空間地理信息。

（3）根據(jù)高壓輸電線路實際情況，融合激光點云、景圖片和GIS、DEM等信息、傾斜攝影、航拍正射影像圖等方式，對桿塔、絕緣子及導(dǎo)線等進(jìn)行三維建模，并按照1∶1的比例形成實體模型，融入3D平臺形成三維可視文件，最終形成實景模型，簡稱輸電線路三維實景平臺。

2.2 基于高精度線路三維實景模型，進(jìn)行弧垂動態(tài)模擬計算和空間展示

（1）基于三維空間選擇檔段之間的導(dǎo)線，自動獲取該檔段的弧垂動態(tài)模擬信息。

（2）弧垂初始值采用兩個導(dǎo)線溫度在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的去異常值后的平均值，作為導(dǎo)線溫度計算顯示（水平側(cè)視視角的）弧垂。另外，平臺可以通過改變面板中導(dǎo)線溫度的輸入條件動態(tài)計算應(yīng)力、導(dǎo)線上任意一點的弧垂和對地距離等信息，根據(jù)計算結(jié)果確定是否存在運行缺陷或風(fēng)險，評估線路健康和輸電容量的影響。

（3）在三維場景中選中某一檔段的導(dǎo)線，根據(jù)弧垂計算公式計算出結(jié)果，并以三維可視化方式實時顯示在三維場景中，幫助用戶快速、直觀實現(xiàn)弧垂模擬計算和展示。

（4）導(dǎo)線弧垂在三維場景中真實展現(xiàn)，將導(dǎo)線作為弧垂動態(tài)模擬的載體后，系統(tǒng)將自動獲取目標(biāo)導(dǎo)線所在檔段的檔距信息，并描繪出目標(biāo)導(dǎo)線的二維模型（包括導(dǎo)線兩個懸掛點、最大弧垂、檔距、最大弧垂點對地距離信息）。

（5）由于溫度對導(dǎo)線弧垂的影響比較大，系統(tǒng)提供了3種固定溫度（40°C、70°C、80°C）情況下的弧垂展示。通過輸入條件導(dǎo)線溫度（為惟一變量），系統(tǒng)自動計算最大弧垂值和最大弧垂點對地距離值，同步在三維場景和二維模型中動態(tài)展示導(dǎo)線弧垂變化過程。系統(tǒng)可顯示線上所選的任意一點的弧垂值和對地距離值，包括：場景中顯示最大弧垂值、導(dǎo)線上最大弧垂點對地距離、線路檔段距離、最大弧垂點、最大弧垂點與小號側(cè)桿塔距離、最大弧垂點與大號側(cè)桿塔距離等。平臺直觀地展示弧垂的真實效果，以方便設(shè)計或檢修人員高效地制定解決方案。

3 結(jié)語

輸電線路的弧垂是線路設(shè)計及運行維護(hù)中的重要參數(shù)之一，弧垂的大小將直接影響到線路的安全穩(wěn)定運行。輸電線路的弧垂以真實精確的效果直觀展示在三維實景平臺中，而且通過平臺可以真實反映輸電線所處的當(dāng)?shù)丨h(huán)境，這都可以幫助設(shè)計和維護(hù)人員提高解決方案的高效性和安全性，對輸電線路的安全運行有一定的實用價值。

參考文獻(xiàn)

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