提高杆塔间隙圆的绘图工作效率

中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司 马继山 叶 伟 戴雨剑

杆塔间隙圆设计在于确保杆塔具有足够的安全间隙距离，在架空线杆塔规划设计中是一项非常重要的工作。一般设计流程需要计算风偏角，根据绝缘子串简图、导线的分裂形式及相关带电部位的尺寸，按照规范中不同工况下的间隙要求值，绘制出相对应的间隙圆，步骤较为烦琐。该软件可实现自动绘制间隙圆，极大的提高了工作效率及准确性。

1 选题背景

在输电线路的本体工程造价中，铁塔工程造价占较大比重。根据以往500kV 的设计情况来看，铁塔工程造价约占22%～30%，750kV 输电线路的铁塔工程约占31%，同塔双回1000kV 输电线路的铁塔工程造价约占45%以上。杆塔塔头规划是杆塔规划的重要组成部分，合理规划塔头尺寸，对输电线路工程的造价影响很大。

杆塔风偏角计算及间隙圆图的绘制在输电线路设计中是一项非常重要的两项工作，风偏角的理论计算是确定杆塔塔头间隙最重要的一个前提，而精确、有效的绘制杆塔间隙圆是风偏角的一个可视化的体现，是塔头间隙设计的重要环节，它可以保证导线及带电金具（带电体）与杆塔部分（接地体）之间的空气间隙不被击穿，保持输电系统运行稳定，还可以优化杆塔塔头尺寸，节约建设投资造价[1]。

根据导线型号、气象条件及张力情况计算绝缘子串不同工况下的风偏角，然后绘制绝缘子串的样式、导线的分裂形式及相关带电部位的尺寸，再根据计算出的风偏角使绝缘子串摆至相应位置，最后根据规范中不同工况下的间隙要求值，绘制出相对应的间隙圆[2]，设计步骤较为繁琐。对于普通线路工程一套杆塔通常规划有七八种塔型、绝缘子串有三四种；大型特高压工程甚至有几十种塔型、绝缘子串有十几种，因此间隙圆绘制工作量巨大，消耗了设计人员大量工作时间。

为了减少设计人员的重复劳动时间，提高绘制间隙圆的效率，我处开发了杆塔间隙圆绘制软件，实现了间隙圆绘制过程电算化。

2 杆塔风偏角的计算

为了确定各种塔型杆塔塔头尺寸，需要考虑在工作电压、操作过电压、带电作业等气象条件下的绝缘子串的摇摆角角度。根据杆塔规划的结果进行分析，选取合适的摇摆角系数Kv，然后由所选取的摇摆角系数Kv 计算不同工况下的摇摆角角度，把该摇摆角角度作为设计直线塔塔头尺寸的控制角度。设计采用的摇摆角计算公式如下：

式中：P 为每相导线单位长度风荷载（N/m）；Lh为水平档距（m）；Lv为垂直档距（m）；T 为每相导线张力（N）；W 为每相导线单位自重（N/m）；a 为相邻两塔悬挂点的高差系数；Pj为绝缘子串的风压（N）；Gj为绝缘子串的重量（N）；Kv为摇摆角系数。

为了选择好φ 值，必须对Lv/Lh、α、Lh及T等参数进行合理选择。分析公式（1）、（2）和（3）可以看出，Pj/2与PLh值相比是很小的，而P 值在气象条件一定的情况下是定值，因此f 值的大小取决于分母。一般来讲，Lv/Lh即摇摆角系数Kv越小φ 值越大。

在工程设计中，摇摆角系数Kv非常直观地反应了杆塔摇摆角情况，直线杆塔的摇摆角系数Kv对塔头规划有直接的影响。因此在杆塔塔头尺寸规划时，应确定摇摆角系数Kv。一般来讲，在山区和大山区摇摆角系数Kv较小，而在丘陵和平地地区摇摆角系数Kv较大。

3 杆塔间隙圆的绘制

悬垂绝缘子片数及串长以及工频电压、操作电压、雷电过电压所要求的空气间隙距离和其相应的风偏角确定之后，即可开始进行杆塔间隙圆的绘制，以最终确定杆塔塔头间隙尺寸。下面以大风工况为例，绘制杆塔间隙圆的步骤如下：

按比例绘制塔头CAD 立面图；在图上标出悬垂串挂点的位置O；过O 做垂线OA，在O 正下方悬垂串长λ 米处，根据导线分裂根数、均压环宽度和高度、小弧垂的最低点，分别标出导线悬挂点位置A、小弧垂最低点B 和均压环带电C；根据计算的大风工况的风偏角φ大风，使绝缘子及所有带电点，以O 为圆心，旋转φ大风度；然后以A、B、C 为圆心，以大风工况要求间隙550mm 为半径，再各个带电点上作画圆，最后剪切所有内部的圆弧，保留最外侧的圆弧，组成一个“大风工况间隙圆”（图1），其他工况容许摇摆角的确定方法如法绘制即可；将各个工况的内部相交的圆弧剪切掉，保留最外侧的圆弧，完成最终的间隙圆绘制工作（图2）。

图1 大风间隙圆绘制结果

图2 最终间隙圆绘制结果

从作间隙圆的过程可以看出，影响绘制过程的因素如下：风偏角的计算；绝缘子串长；悬挂的金具类型；均压环尺寸；导线分裂根数、排列形式；不同电压等级的不同间隙要求。

4 软件开发

根据上述杆塔塔头间隙的确定流程，其中间隙圆的绘制是最为繁琐且易出差的环节。而手动绘制间隙圆过程有重复劳动较多、细节标注较多、原始数据无法保存、校核人员无法溯源等问题，为了提高设计人员的设计效率、提高绘制精准度，我们开发可以直接嵌入CAD 菜单中的间隙圆绘制程序。

4.1 开发流程

基于软件研发的基本对策，绘制了自动绘制间隙圆软件研发流程图：确定软件系统功能--选择软件开发语言-编写软件-合成测试-发布投入应用。依据开发流程，各项对策实施如表1所示。

表1 对策实施

4.2 确定软件系统功能

经调查整理以往工程中间隙圆类型，通过整理合并，主要绝缘子串类型有3种，每种绝缘子串型再按导线分裂数分为5种，总计15种间隙圆。按绝缘子串类型分类：L 型绝缘子串间隙圆、I 型绝缘子串间隙圆、V 型绝缘子串间隙圆；按导线分裂数量分类：单导线、双分裂导线、三分裂导线、四分裂导线、六分裂导线。

4.3 选择开发语言

目前设计人员使用的绘图工具主要以Auto CAD 为主，利用Auto CAD 二次开发功能自行开发间隙圆绘制软件较为方便。经调查统分析，目前对Auto CAD进行二次开发常用的工具有Auto Lisp、ADS、ARX、Object ARX、VBA 和Visual Lisp。

在上述几种编程语言中，对于普通用户来说Auto Lisp 编程执行效率低；DS、ARX、Object ARX 显得涩难懂，Visual Lisp 在功能上又略显不足。而VBA 语言克服了上述语言的的缺点和不足，功能强大且便于掌握和快速开发，因此本项目开发采用VBA 语言编译。

4.4 编写软件

4.4.1 软件绘制原理

表2 编程语言选择表

整体思路为利用VBA 实现对CAD 的绘图命令的控制，具体软件绘图流程如下：

通过定义“Points（）”数组，确定绝缘子串长、均压环带电点、导线挂点等坐标的位置，将电气原件转换为坐标描述的离散点；通过“Set Lines”命令，按“Points（）”数组中的坐标画线条，绘制出整个绝缘子的样式简图；通过“center(0)”数组命令绘制以带电点为圆心，对应大风、操作、雷电等工况的空气间隙为半径的各个间隙圆；通过“Rotate”旋转命令，使对应工况的间隙圆按计算的风偏角旋转到指定位置，此时不同的间隙圆之间会产生相交重叠。

通过“regions”命令，剪切各个相交的间隙圆，去掉重叠部分，最后保留最外侧的圆弧，完成间隙圆的绘制。该命令将包含封闭区域的对象转换为面域对象，面域是用闭合的形装或是环创建的二维区域，闭合多段线，闭合的多条直线的闭合的多条曲线都是有效的选择象。曲线包括圆弧、圆、椭圆弧、椭圆和样条曲线。通过该命令，可以将原来在CAD中手动操作剪切相交间隙圆的过程自动化，大大提高了绘制效率。4.4.2 软件界面

该软件实现在Auto CAD 菜单栏中增加间隙圆菜单，并增加原始数据输入、读取摇摆角计算等页面，完成间隙圆的绘制后，可以输出绘制参数及规范要求值，详见图3～图5所示。

图3 软件开平台

图4 间隙圆绘制成果

图5 编译相关功能

4.3 合成测试

首先在主菜单中增加间隙圆菜单。在命令行直接输入命令cuiload，弹出“自定义设置”对话框。点击下面的“浏览”按钮（将文件类型改为mnu），选择CAD 安装目录下的support 文件夹下的“＊.mnu”文件，然后点击“加载”，此时CAD菜单栏已经显示出“间隙圆”的菜单项，表示已经加载成功，可以使用。

本软件基于以往线路工程，进行了多次测试。在相同的输入条件下，自动绘图程序与原来手动绘图的程序的结果一致。测试结果表明：软件运行稳定，满足自动绘图的需要；软件与Windows 系列操作系统具有良好的兼容性，系统适应性广，操作方法简便，界面简洁、实用。

5 结语

本软件利用CAD 图解法，把复杂的手工剪切相交间隙圆工作交给CAD 软件去自动完成，实现了间隙圆绘制的程序化，适用于各种串型及导线分裂型式，克服了手工绘制间隙圆繁琐低效的缺点。软件计算速度快，准确性高，提高了工作效率，降低了劳动强度，实用性强，实际使用效果好。