基于精确坐标的三维实景平台输电线路弧垂模拟的研究

张涛 庄严 秦志军 鲁永生

摘 要：输电线路三维实景平台弧垂模拟系统是基于精确的地理信息坐标的三维实景平台上，提供弧垂计算和动态模拟的功能。通过三维空间自动获取目标档段的设计和实测信息，根据输入条件，动态计算弧垂、对地距离等信息。

关键词：输电线路 弧垂模拟 精确坐标 三维实景平台

中图分类号：TM75 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）01（a）-0076-02

输电线路的弧垂是指在平坦地面上，相邻两基电杆上导线悬挂高度相同时，导线最低点与两悬挂点间连线的垂直距离。弧垂是线路设计及运行维护中的重要参数之一，弧垂的大小直接影响到线路的安全稳定运行。合理的弧垂对输电线路的经济性和安全性都是至关重要的。若弧垂过小，输电线的拉应力就大，振动现象加剧，安全系数减小，同时杆塔荷载增大，严重时还可能发生断线、倒塔和掉串等事故；若弧垂过大，由于输电线的风摆、舞动和跳跃会造成线路停电事故。所以输电线路的弧垂大小值对设计人员、施工人员或运行维护人员来说都是非常重要的。

输电线路三维实景平台弧垂模拟系统是基于精确的地理信息坐标的三维实景平台上，提供弧垂计算和动态模拟的功能。基于精确的地理信息坐标的三维实景平台可以提供精确的杆塔、输电线路的地理位置信息，以及输电线路所处的环境的真实地理信息。输电线路三维实景平台弧垂模拟系统通过三维空间自动获取目标档段的设计和实测信息，根据输入条件，动态计算弧垂、对地距离等信息。弧垂模拟系统结合真实精确的三维场景，为相关人员提供直观的弧垂的现实场景再现，方便相关人员综合考虑各种相关因素，能协助提高相关方案的高效性和安全性。

1 弧垂的计算方法

输电线路的弧垂计算方法有多种，系统采用的计算方法如下：

第一步：根据平均温度下的应力求解测量温度下的应力（不同档的档距不同，导线温度用户可自定义），见表1。

第二步：根据悬挂点不等高时的弧垂公式，计算导线的弧垂和对地距离。

图1所示为某一档的弧垂状态，A，B为不等高的导线挂点，O为导线最低点。yA和yB为A，B悬挂点到最低点O的垂直距离，lOA和lOB为A，B悬挂点到最低点O的水平距离，l为档距，为A，B悬挂点的高度差，φ为高差角。

以导线最低点O为原点，最低点切向为x轴，建立坐标系。设D为导线上的任一点，坐标（x，y），则D点弧垂：

其中g为导线的比载[N/（m·mm2）]，la和lB为D点与A，B两挂点的水平距离，σo为导线最低点应力（MPa或N/mm2）。

设A点的对地距离为HA，则D点的对地距离：

2 三维实景平台弧垂模拟的技术实现

2.1 建立具有精确的地理信息的输电线路三维实景平台

（1）融合国网、南网相应GIS平台以获取杆塔和线路的精确经纬度坐标。

（2）杆塔通过高精度激光点云获取DEM数据，结合空间坐标、线路走向确定杆塔朝向、高度等空间地理信息。

（3）根据高压输电线路实际情况，融合激光点云、景图片和GIS、DEM等信息、倾斜摄影、航拍正射影像图等方式，对杆塔、绝缘子及导线等进行三维建模，并按照1∶1的比例形成实体模型，融入3D平台形成三维可视文件，最终形成实景模型，简称输电线路三维实景平台。

2.2 基于高精度线路三维实景模型，进行弧垂动态模拟计算和空间展示

（1）基于三维空间选择档段之间的导线，自动获取该档段的弧垂动态模拟信息。

（2）弧垂初始值采用两个导线温度在线监测数据的去异常值后的平均值，作为导线温度计算显示（水平侧视视角的）弧垂。另外，平台可以通过改变面板中导线温度的输入条件动态计算应力、导线上任意一点的弧垂和对地距离等信息，根据计算结果确定是否存在运行缺陷或风险，评估线路健康和输电容量的影响。

（3）在三维场景中选中某一档段的导线，根据弧垂计算公式计算出结果，并以三维可视化方式实时显示在三维场景中，帮助用户快速、直观实现弧垂模拟计算和展示。

（4）导线弧垂在三维场景中真实展现，将导线作为弧垂动态模拟的载体后，系统将自动获取目标导线所在档段的档距信息，并描绘出目标导线的二维模型（包括导线两个悬挂点、最大弧垂、档距、最大弧垂点对地距离信息）。

（5）由于温度对导线弧垂的影响比较大，系统提供了3种固定温度（40°C、70°C、80°C）情况下的弧垂展示。通过输入条件导线温度（为惟一变量），系统自动计算最大弧垂值和最大弧垂点对地距离值，同步在三维场景和二维模型中动态展示导线弧垂变化过程。系统可显示线上所选的任意一点的弧垂值和对地距离值，包括：场景中显示最大弧垂值、导线上最大弧垂点对地距离、线路档段距离、最大弧垂点、最大弧垂点与小号侧杆塔距离、最大弧垂点与大号侧杆塔距离等。平台直观地展示弧垂的真实效果，以方便设计或检修人员高效地制定解決方案。

3 结语

输电线路的弧垂是线路设计及运行维护中的重要参数之一，弧垂的大小将直接影响到线路的安全稳定运行。输电线路的弧垂以真实精确的效果直观展示在三维实景平台中，而且通过平台可以真实反映输电线所处的当地环境，这都可以帮助设计和维护人员提高解决方案的高效性和安全性，对输电线路的安全运行有一定的实用价值。

参考文献

[1] 孟遂民，孔伟.架空输电线路设计[M].北京：中国电力出版社，2007.

[2] 柴玉华，王艳君.架空线路设计》[M].北京：中国水利水电出版社，2001.