中國電力工程顧問集團華北電力設(shè)計院有限公司 馬繼山 葉 偉 戴雨劍

桿塔間隙圓設(shè)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(guī)劃設(shè)計中是一項非常重要的工作。一般設(shè)計流程需要計算風(fēng)偏角，根據(jù)絕緣子串簡圖、導(dǎo)線的分裂形式及相關(guān)帶電部位的尺寸，按照規(guī)范中不同工況下的間隙要求值，繪制出相對應(yīng)的間隙圓，步驟較為煩瑣。該軟件可實現(xiàn)自動繪制間隙圓，極大的提高了工作效率及準(zhǔn)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(jù)以往500kV 的設(shè)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(guī)劃是桿塔規(guī)劃的重要組成部分，合理規(guī)劃塔頭尺寸，對輸電線路工程的造價影響很大。

桿塔風(fēng)偏角計算及間隙圓圖的繪制在輸電線路設(shè)計中是一項非常重要的兩項工作，風(fēng)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(fēng)偏角的一個可視化的體現(xiàn)，是塔頭間隙設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，它可以保證導(dǎo)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(tǒng)運行穩(wěn)定，還可以優(yōu)化桿塔塔頭尺寸，節(jié)約建設(shè)投資造價[1]。

根據(jù)導(dǎo)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(fēng)偏角，然后繪制絕緣子串的樣式、導(dǎo)線的分裂形式及相關(guān)帶電部位的尺寸，再根據(jù)計算出的風(fēng)偏角使絕緣子串?dāng)[至相應(yīng)位置，最后根據(jù)規(guī)范中不同工況下的間隙要求值，繪制出相對應(yīng)的間隙圓[2]，設(shè)計步驟較為繁瑣。對于普通線路工程一套桿塔通常規(guī)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(shè)計人員大量工作時間。

為了減少設(shè)計人員的重復(fù)勞動時間，提高繪制間隙圓的效率，我處開發(fā)了桿塔間隙圓繪制軟件，實現(xiàn)了間隙圓繪制過程電算化。

2 桿塔風(fēng)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(yè)等氣象條件下的絕緣子串的搖擺角角度。根據(jù)桿塔規(guī)劃的結(jié)果進行分析，選取合適的搖擺角系數(shù)Kv，然后由所選取的搖擺角系數(shù)Kv 計算不同工況下的搖擺角角度，把該搖擺角角度作為設(shè)計直線塔塔頭尺寸的控制角度。設(shè)計采用的搖擺角計算公式如下：

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

為了選擇好φ 值，必須對Lv/Lh、α、Lh及T等參數(shù)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(shù)Kv越小φ 值越大。

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

3 桿塔間隙圓的繪制

懸垂絕緣子片數(shù)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(yīng)的風(fēng)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(fēng)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(biāo)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(jù)導(dǎo)線分裂根數(shù)、均壓環(huán)寬度和高度、小弧垂的最低點，分別標(biāo)出導(dǎo)線懸掛點位置A、小弧垂最低點B 和均壓環(huán)帶電C；根據(jù)計算的大風(fēng)工況的風(fēng)偏角φ大風(fēng)，使絕緣子及所有帶電點，以O(shè) 為圓心，旋轉(zhuǎn)φ大風(fēng)度；然后以A、B、C 為圓心，以大風(fēng)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(nèi)部的圓弧，保留最外側(cè)的圓弧，組成一個“大風(fēng)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(nèi)部相交的圓弧剪切掉，保留最外側(cè)的圓弧，完成最終的間隙圓繪制工作（圖2）。

圖1 大風(fēng)間隙圓繪制結(jié)果

圖2 最終間隙圓繪制結(jié)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(fēng)偏角的計算；絕緣子串長；懸掛的金具類型；均壓環(huán)尺寸；導(dǎo)線分裂根數(shù)、排列形式；不同電壓等級的不同間隙要求。

4 軟件開發(fā)

根據(jù)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(huán)節(jié)。而手動繪制間隙圓過程有重復(fù)勞動較多、細節(jié)標(biāo)注較多、原始數(shù)據(jù)無法保存、校核人員無法溯源等問題，為了提高設(shè)計人員的設(shè)計效率、提高繪制精準(zhǔn)度，我們開發(fā)可以直接嵌入CAD 菜單中的間隙圓繪制程序。

4.1 開發(fā)流程

基于軟件研發(fā)的基本對策，繪制了自動繪制間隙圓軟件研發(fā)流程圖：確定軟件系統(tǒng)功能--選擇軟件開發(fā)語言-編寫軟件-合成測試-發(fā)布投入應(yīng)用。依據(jù)開發(fā)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(tǒng)功能

經(jīng)調(diào)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(dǎo)線分裂數(shù)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(dǎo)線分裂數(shù)量分類：單導(dǎo)線、雙分裂導(dǎo)線、三分裂導(dǎo)線、四分裂導(dǎo)線、六分裂導(dǎo)線。

4.3 選擇開發(fā)語言

目前設(shè)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(fā)功能自行開發(fā)間隙圓繪制軟件較為方便。經(jīng)調(diào)查統(tǒng)分析，目前對Auto CAD進行二次開發(fā)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(zhí)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(fā)，因此本項目開發(fā)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(xiàn)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(shù)組，確定絕緣子串長、均壓環(huán)帶電點、導(dǎo)線掛點等坐標(biāo)的位置，將電氣原件轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)描述的離散點；通過“Set Lines”命令，按“Points（）”數(shù)組中的坐標(biāo)畫線條，繪制出整個絕緣子的樣式簡圖；通過“center(0)”數(shù)組命令繪制以帶電點為圓心，對應(yīng)大風(fēng)、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(zhuǎn)命令，使對應(yīng)工況的間隙圓按計算的風(fēng)偏角旋轉(zhuǎn)到指定位置，此時不同的間隙圓之間會產(chǎn)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(cè)的圓弧，完成間隙圓的繪制。該命令將包含封閉區(qū)域的對象轉(zhuǎn)換為面域?qū)ο?，面域是用閉合的形裝或是環(huán)創(chuàng)建的二維區(qū)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(xiàn)在Auto CAD 菜單欄中增加間隙圓菜單，并增加原始數(shù)據(jù)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(shù)及規(guī)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(guān)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(shè)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(jīng)顯示出“間隙圓”的菜單項，表示已經(jīng)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(jié)果一致。測試結(jié)果表明：軟件運行穩(wěn)定，滿足自動繪圖的需要；軟件與Windows 系列操作系統(tǒng)具有良好的兼容性，系統(tǒng)適應(yīng)性廣，操作方法簡便，界面簡潔、實用。

5 結(jié)語

本軟件利用CAD 圖解法，把復(fù)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(xiàn)了間隙圓繪制的程序化，適用于各種串型及導(dǎo)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(zhǔn)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。