输电线路铁塔挂点数字化模型研究

李美峰，骆俊林，冯 勇，李会超，车 达，谢 静

(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

输电线路行业正在大力研究和推进三维数字化设计技术的应用[1-3]。输电线路三维设计是以模型和数据为核心要素，通过驱动模型来提取、编辑和存储设计信息，从而完成相关的设计业务工作。在输电线路三维模型中，铁塔是最关键的部分[4-5]。其中铁塔挂点既是连接绝缘子串和铁塔结构的装置，也是反映挂点装配要求的重要区域[6]，对于指导铁塔和金具正确组装具有重要的指导作用[7]。目前行业内通用的输电线路铁塔模型包括以*.tta格式文件数据结构为基础的铁塔计算模型和以*.mod格式文件数据结构为基础的铁塔三维模型[8-9]。但计算模型和三维模型均未对挂点进行详细的定义。

本文首先分析了铁塔挂点的设计过程，从挂点提资表中总结了挂点数字化模型的特征。结合行业内通用的*.mod数据结构所表达的挂点信息，得出目前采用*.mod表达的铁塔通用模型和产品模型都不能全面表达挂点所有特征信息。然后借助*.xml这种可扩展的标记语言，提出一种全面表达挂点信息的方法和数据结构，在不需对*.mod数据结构进行修改的情况下，可实现挂点信息的补充。铁塔三维模型通过把*.mod和*.xml文件相结合，可以实现挂点数字化模型信息的全面表达。最后选择自主开发的铁塔三维建模软件，以典型干字型耐张塔为例建立了完整的挂点三维模型，并进行了应用测试。

1 输电铁塔挂点信息分析

挂点设计是铁塔设计的重要环节，一般是在杆塔规划前，由电气设计人员提出铁塔挂点需求或挂点提资单，其主要内容见表1所列。从表中可以看出，铁塔挂点提资主要包含挂点数量、挂点间距、联塔金具的型号、螺栓的规格和穿向、挂线角钢间距要求或者挂线板的厚度要求，但一般不包含联塔金具与下一个金具连接处的孔位及螺栓尺寸。

表1 铁塔挂点提资表

结构设计人员接收挂点提资单后，结合杆塔其他设计条件开展杆塔规划，确定杆塔外形后进行杆塔计算优化，进而得到杆塔的司令图。利用司令图和挂点提资，才能绘制完成杆塔结构图。铁塔设计流程图如图1所示。

图1 铁塔设计流程图

通过对挂点设计过程的分析，可以得出铁塔挂点的设计属性主要包括：挂点金具、挂孔构造、挂点功能、挂点位置。对铁塔挂点信息进一步抽象和研究，我们将其信息内容归纳为四种特征，即：功能特征、结构特征、装配特征和荷载特征。

1)功能特征反映了挂点的功能要求，一般可将其分为挂地线、导线、跳线和施工安装等四类。

2)结构特征反映了铁塔模型的颗粒度，当铁塔模型为实体模型时，挂点表现为实体结构特征，如图2(a)所示；当挂点为单线模型时，挂点表现为单线结构特征，如图2(b)所示。

图2 挂点示例图

3)装配特征反映了铁塔直接相连的挂点金具型式，主要包括“GD型(枢轴挂板)”“EB型(耳轴挂板)”“UB型挂板”“U型挂环”和“U型螺栓”五类。装配特征涵盖金具型号、挂孔尺寸、分组信息、金具转动特征等信息。目前，500 kV及以上线路，多采用耳轴挂板或枢轴挂板，其型式如图3所示。

图3 耳轴挂板及枢轴挂板

4)荷载特征反映了挂点的受力特征，分为耐张和悬垂两类，见表2所列。

表2 挂点荷载特点

2 挂点数字化模型表达方法

2.1 信息存储方式

目前输电线路铁塔三维模型一般采用通用模型和产品模型两类，建模方法为参数化建模，其数据包括杆塔节点、杆件、挂点信息，文件格式为*.mod，挂点信息的表达方式为：挂点类型，挂点名称，X，Y，Z(坐标相对于模型原点)，其中挂点类型包括：G—地线挂点，C—导线挂点，T—跳线挂点。挂点命名规则见表3所列。

表3 mod文件挂点命名规则

尽管*.mod文件的挂点分类尚未涉及到安装类，但对于这类信息的扩展只需在模型文件下添加相应的字段即可。结合挂点的功能特征、结构特征、装配特征和荷载特征对通用模型和产品模型进行比较分析，检查是否具备相应的特征描述内容，结论见表4所列。

表4 两种模型挂点特征符合度检查

从表4中可看出，*.mod文件存储的挂点信息，尚不足以体现挂点的数字化信息特征。如果在*.mod文件中不断补充信息，会造成整个数据结构非常复杂，且不易被设计人员理解。因此需要一种基于纯文本的数据格式，兼顾读写，并且简单灵活。

XML(extensible markup language)是一种类似于HTML的可扩展的标记语言，具有良好的可读性和规范简洁的书写方式。因此，这里推荐采用*.xml数据格式来记录挂点信息，并单独存放在一个独立的文件中，这样铁塔数字化模型便可通过*.mod和*.xml共同表达，如图4所示。

图4 铁塔数字化模型示意图

2.2 功能特征信息表达

从2.1节可以得出，目前*.mod文件中的挂点信息可体现出挂点的类型、位置和相序，满足常规线路工程铁塔挂点的设计要求，如图5所示。

图5 挂点功能特征示意图

但为适应更为复杂的多回路、混压塔或者换位塔等，应将回路、电压等级等信息添加进去。因此将功能特征通过回路和挂点位置这两个元素来体现，其元素和属性见表5所列。

表5 挂点功能特征元素及属性表

2.3 结构特征信息表达

包括挂板厚度、挂孔直径、间距、朝向等信息，如图6所示。

图6 挂点结构特征示意图

见表6所列，螺栓穿向通过一组空间向量来表达，能更准确的反映挂孔的位置。挂点模型类型主要是记录挂点信息的来源是从*.mod还是*.xml文件中获取的。

表6 挂点结构特征元素及属性表

2.4 装配特征信息表达

装配信息主要体现挂点结构与挂线金具的相对关系：一是直接连接挂线角钢的金具，可以命名为联塔金具；二是与联塔金具相连，但可以旋转或摆动并与铁塔产生碰撞的金具，可命名为二级金具。如图7所示。

图7 挂点装配特征示意图

装配信息应包含与挂点结构相匹配的挂点金具的特征参数，而这些特征参数主要与特定的金具型号相关，见表7所列。其中金具的最大和最小转角也通过参数进行表示。

表7 挂点装配特征元素及属性

2.5 荷载特征信息表达

荷载特征信息主要用于区分挂点是悬垂型还是耐张型，表8采用受力类型区分悬垂和耐张的荷载特征。

表8 挂点载荷特征元素及属性表

3 挂点建模

我们基于TMA(towen-manufacturing assistant)铁塔放样加工平台，自主开发铁塔三维建模程序，在生产铁塔数字化模型的过程中，同时赋予模型挂点信息。本文选取一种500 kV单回路干字型耐张塔进行了测试。建模流程如下：

1)建立铁塔粗略模型

程序支持导入计算模型或搭建几何体两种方式建立铁塔单线模型。因该塔已具备计算模型，所以这里通过直接导入计算模型的方式即可快速建立几何模型，而构件的规格信息也通过计算文件传递到三维模型中。

2)实体杆件位置定义

由于角钢构件的拼装要考虑内贴、外贴及芯线等因素，程序虽然已具备对典型塔型自动匹配拼装的功能，但部分节点和位置仍需要用户自主调整。因此这里对主要节点按照构图规则进行了调整。

3)地线挂点定义

在单线模式下，点击地线挂点荷载计算的节点，完成地线挂点定义，确定回路、挂点位置信息，程序操作如图8所示。

图8 地线挂点定义

4)导线挂点定义

在单线模式下，点击导线挂点荷载计算的节点，完成导线挂点定义，并确定回路、挂点位置信息，程序操作界面如图9所示。

图9 导线挂点定义

5)金具建库

单线模型下挂点定义，主要是实现现阶段*.mod层次结构的数据表达。接下来通过实体模型挂点定义，完成对挂点数字化模型的信息完善。由于实体模型挂点与金具关联，因此，程序首先将常用的GD、EB、U型金具参数化[10]，通过建立一个参数驱动的金具库，在挂点处设置所需金具型号，从库中调用匹配的金具来获取具体的参数值。

6)地线挂点实体建模

在实体模式下，点击地线挂点荷载计算的节点，完成地线挂点实体定义。在实体定义的过程中，确定地线挂线角钢宽度、挂孔直径、金具类型及型号、一二级金具摆动角度等信息，如图10所示。

图10 地线实体挂点定义

7)导线挂点实体建模

在实体模式下，点击导线挂点荷载计算的节点，完成导线挂点实体定义。在实体定义的过程中，确定导线挂线角钢宽度、挂孔直径、金具类型及型号、一二级金具摆动角度等信息，如图11所示。

图11 导线实体挂点定义

8)模型文件存储

编辑完成后，程序将模型以*.tma的格式进行存储，同时也支持导出*.mod和*.xml文件。

4 挂点数字化模型的应用

挂点数字化模型可用于三维场景构建、金具装配校验、碰撞校验等。在输电线路铁塔组装过程中，经常会发生金具与塔材碰撞的案例，如图12所示。

图12 金具与塔材碰撞工程案例

下面对挂点最常规的碰撞案例进行校验，如图13所示。碰撞校验包含两级金具与挂线角钢的相对位置计算。实现方法为将挂点装配特征信息与结构特征信息相结合，从而辅助设计人员进行碰撞校验。

图13 金具摆动与挂线角钢碰撞校验

图13(a)为调整二级金具的摆动角度，检查其与挂线角钢是否发生碰撞。三维模型已充分考虑金具连接位置的影响，比二维视图更加直观准确。

图13(b)为调整一级金具的上扬或者下倾角度，检查其与横担连接角钢及螺栓是否发生碰撞。以往二维图纸不能表达螺栓和角钢的空间位置关系，通过三维模型可更加直观地建模和分析。

5 结语

本文基于对铁塔挂点信息特征的研究，提出了一种全面描述挂点三维数字化模型信息的数据结构和建模方法。挂点信息通过*.xml文件进行记录，可有效补充*.mod文件中缺省的数据，具有记录方便、读取速度快、适用范围广等优点。由于*.xml文件表达方式简单易读，远期还可与各种数字化设计软件进行对接，利用计算机技术进行碰撞分析、装配模拟、三维建模等数字化应用，进一步挖掘挂点三维数字化模型的价值。