三維技術在配電線路設計中的應用*

石 宏，費曉明，沈 愷

（湖州電力局，浙江 湖州 313000）

三維技術在配電線路設計中的應用*

石 宏，費曉明，沈 愷

（湖州電力局，浙江 湖州 313000）

利用三維技術優(yōu)勢進行配電線路設計，設計過程符合一般設計思維習慣，設計成果更形象直觀，可大大提升設計效率，實現(xiàn)全方位互動式觀察，模擬安裝拆解全過程，提供豐富的輔助分析功能，便于設計成果的交流培訓和設計創(chuàng)新.

三維；配電；設計；應用

三維技術具有設計成果形象直觀、設計效率高、可實現(xiàn)全方位互動式觀察，可模擬安裝拆解全過程，提供豐富的高級輔助分析功能，便于設計成果的交流培訓等優(yōu)點.利用三維技術還可以模擬實物試驗場景，解決實物試驗準備時間長、成本高等問題，方便設計人員對裝置進行研究和改進，有利于進行設計創(chuàng)新.

1 三維技術的特點及優(yōu)勢

配電線路是電力系統(tǒng)中面向千家萬戶的重要組成部分，配電線路設計水平的高低是決定供用電是否安全可靠、經(jīng)濟合理、技術先進的首要因素。傳統(tǒng)的配電線路設計大部分采用二維CAD技術，設計人員一般用2～3個相互關聯(lián)的二維投影圖來表達配電線路的具體設計要求，遇到新型配電線路裝置設計時，通常是在原近似的設計圖紙上逐一進行人工手動修改.由于二維機械CAD技術的表達方式抽象、設計成果不直觀、設計變更后的修改工作量大等缺點限制了其在配電線路設計領域的進一步進行深化應用.三維技術發(fā)展至今已有30余年，已經(jīng)在機械、電子、建筑等各領域得到了廣泛的應用.三維技術使產(chǎn)品的設計制造水平、推廣應用和更新?lián)Q代效率等方面得到了重大提升，已逐漸成為反映一個行業(yè)設計水平高低的標志.目前在國際市場上最有影響的機械三維設計軟件有：Pro／E、CATIA、UG、Auto CAD、Solid Works等.我們在進行配電線路設計時，總是希望通過計算機能模擬施工現(xiàn)場，選用各種材料設備構建出各種配電線路裝置，并能夠隨意拆卸.三維技術就能滿足設計人員的這些常規(guī)設計思維習慣，使用機械三維設計軟件通過零件設計、裝配設計、工程圖設計、工藝演示設計等各個設計階段，能夠讓我們用零件先構造出三維立體的設計模型，再自動生成二維工程圖，并可進行應力／應變分析、質量屬性分析、空間運動模擬、裝配干涉檢查、造型和外觀的效果渲染等工作.

三維技術具有設計成果形象直觀、設計效率高、可實現(xiàn)全方位互動式觀察，可模擬安裝拆解全過程，提供豐富的高級輔助分析功能，便于設計成果的交流培訓等優(yōu)點.利用三維技術還可以模擬實物試驗場景，解決實物試驗準備時間長、成本高等問題，方便設計人員對裝置進行研究和改進，有利于進行設計創(chuàng)新.

2 充分利用三維技術優(yōu)勢進行配電線路設計

隨著配電技術的迅速發(fā)展和日趨完善，新型配網(wǎng)設備不斷得以應用，配電線路裝置的變化速度也越來越快，三維技術憑借其強大的技術優(yōu)勢，非常適合用來對零部件密集、形式復雜多樣、裝置變化速度快的配電線路進行設計，以下將闡述如何充分發(fā)揮三維技術優(yōu)勢實現(xiàn)對配電線路的深化設計.

（1）利用三維建模使設計成果更直觀形象，實現(xiàn)全方位互動式觀察.以往的配電線路設計普遍采用傳統(tǒng)的二維CAD技術，只能用有限個相關聯(lián)的二維投影圖來闡述全部的設計要求.利用三維技術則可以通過材質選擇、顏色設置、場景渲染之后，建立與配電線路實物完全相似的三維模型，最終的設計成果非常直觀形象.三維技術把傳統(tǒng)方法只能以抽象形式表達的各類配電線路桿型裝置以最直觀形象、生動具體的方式展示出來，可視化程度高，并且可以進行全方位的互動觀察，實現(xiàn)從任意方向和角度觀察裝置的各個局部.使設計人員在初始設計環(huán)節(jié)就能全方位接觸虛擬零部件及總裝置圖，了解各個裝配細部特征，便于盡早發(fā)現(xiàn)設計缺陷，提高設計成果的準確性.

（2）三維建模后，通過自動生成三視工程圖，自動標注零件序號和統(tǒng)計材料清單等方法，可以大大減輕設計人員的工作量且符合人的一般設計思維習慣.進行配電線路裝置設計，先利用三維技術進行建模，一旦完成建模即可以方便地產(chǎn)生任意方向的平面投影視圖，自動生成零件序號和材料清單，快速形成設計圖紙.對于局部可以通過剖切形體自動獲得剖視、斷面圖.同時三維技術可采用參數(shù)驅動，只需對零部件的尺寸數(shù)值等參數(shù)進行編輯調整即可完成對該零部件的三維幾何形狀的自動改變，所有采用該零部件的裝置也會自動進行調整，解決了某個零部件的變動導致整個系列化設計圖紙都需要逐個進行修改的問題，各個零件完成建模進入零件庫后，可以重復使用裝配成配電線路的各類桿型.如需在裝置中對某個零部件進行位置調整或增加刪除變動，在形象的三維模型中進行操作后對應的投影視圖會自動完成修改，避免了原二維設計方法中一處修改后通常需要在三視圖中逐個修改的情況.如上所述，三維技術相比原二維機械CAD的設計方法，使配電線路的設計過程變的非常輕松和靈活，減輕工作量的同時減少了設計差錯，大大提升了設計效率.

（3）利用三維空間的距離測量、裝配干涉檢查等功能保證線路裝置間的電氣安全距離和各零件之間的裝配關系.如圖1所示，10k V線路裝置的跌落下樁頭距離跌落橫擔斜撐的空間距離為320.68mm，按照電壓序列優(yōu)化方案如果將原10k V配電線路裝置直接升壓為20k V運行，根據(jù)20k V線路對鐵件的距離不小于350mm的要求，為保證足夠的電氣安全距離，該跌落裝置需要在以下三種方法中選擇一種實施改造：①加長跌落樣板長度使得跌落下樁頭與跌落橫擔斜撐的電氣距離滿足安全要求；②跌落橫擔的水平斜撐改成斜拉；③跌落下樁頭加裝絕緣護罩.如上所述，利用三維技術可以在配電線路施工之前進行具體桿型的虛擬裝配、電氣安全距離檢查，在設計階段就可以發(fā)現(xiàn)線路裝置存在的電氣安全距離不足等裝置性缺陷問題，在配電線路施工之前及時對設計進行修改，避免了重復施工，提高了供電可靠率，保證了配電線路的安全運行.

（4）利用三維虛擬技術可將眾多零部件組裝成標準的線路裝置，同時也可以將復雜的裝置拆解成最小的零件單位，可以用視頻動畫的方式介紹安裝、拆解的全過程.相比傳統(tǒng)的二維CAD技術，三維虛擬技術通過對線路裝置安裝、拆解的全過程設計和形象演示，對于平常工作中的不可及、不可視部分均可進行高仿真虛擬再現(xiàn)，實現(xiàn)對整個安裝過程的互動可視，更有利于詳細規(guī)范施工人員在操作過程中的各項施工工藝和注意事項，從而使配電線路的設計深度得以向施工領域進行擴展，規(guī)范了配電線路的施工工藝，保證了電力企業(yè)在配網(wǎng)建設過程中的施工質量，使施工工藝技術得以延續(xù)和不斷提高.

（5）三維模型具有質量等物理特性，可進一步進行重量測試、受力分析等物理分析（具體見圖2），三維實體只需要在建模的時候明確實體的材質等，就可以自動計算建模實體的重量與重心，從而可以計算得出各類配電線路桿型的自重.另外利用三維軟件提供的各種工具，還可以進一步做受力、運動、熱效應等高級分析，在配電線路投運之前就可以虛擬桿塔、鐵件的受力情況，分析各個零部件的應力、應變等情況，從而可以發(fā)現(xiàn)在什么情況下容易出現(xiàn)斷裂等危險，進而實現(xiàn)對配電線路裝置的優(yōu)化設計，提高設計水平，保證施工安全和質量.

（6）利用三維技術進行配電線路優(yōu)化設計還可使設計成果的培訓和技術交流變得更高效.電力企業(yè)對員工的技能培訓特別是對一線員工的培訓要求越來越高，傳統(tǒng)采用二維機械CAD方法進行的配電線路設計，圖紙抽象難以直觀表達，理解上易產(chǎn)生偏差，設計成果培訓和技術交流的過程往往比較枯燥.三維技術將圖像、動畫、文字等設計方法進行整合，有利于將設計要求和設計意圖用生動、形象、直觀的形式準確無誤地進行表達，設計成果便于結合電力企業(yè)的現(xiàn)場實例進行培訓交流，三維設計成果可明顯增強受眾的理解力和認知程度，使學員易于學習和吸收，通過全方位互動式觀察給觀者留下深刻印象，縮短人員的培訓周期，使成果培訓變得更高效，更有利于相互間的技術交流，提高企業(yè)整體的技術水準.

3 深化應用前景

目前的配電線路仍普遍采用傳統(tǒng)的二維機械CAD軟件進行設計，利用三維建模技術進行配電線路設計相比傳統(tǒng)的二維機械CAD設計方法，具有可視化程度高、成果形象直觀、設計工作量小、高級分析功能豐富等優(yōu)點，目前的三維技術只零星應用于個別配網(wǎng)設備廠家的新產(chǎn)品開發(fā)過程，而在配電線路設計方面特別是配電線路的系列化、通用化設計領域仍是一個空白，因此在配電線路設計領域三維技術具有廣闊的深化應用前景，其取代傳統(tǒng)的純二維CAD系統(tǒng)已成為今后發(fā)展的必然趨勢.

傳統(tǒng)的配電線路設計規(guī)范、施工驗收規(guī)程等僅僅依靠文字表述或靜態(tài)二維圖形，一些信息（如隱蔽部分）無法以傳統(tǒng)的拍攝模式進行傳達，而文字表達較抽象，對規(guī)程內容的交流和培訓效果較差，三維技術可以完全對配網(wǎng)設備實現(xiàn)三維模擬，可任意剖切實體，觀察局部配合，對于宏觀、微觀、不可視、不可及、遮擋包覆部分均可進行高仿真虛擬再現(xiàn)，將難以表達清楚的場景和過程，準確清晰的一一列舉，實現(xiàn)對整個安裝過程的互動可視，無需抽象理論性的理解轉化過程，因此三維技術可進一步用于配電線路標準施工工藝手冊、運行維護手冊的編制、將維修和維護的方法直觀地演示給用戶，直觀形象，使用戶更容易理解，貼近企業(yè)實際應用，以便能準確操作，提高工作效率.

三維技術軟件具備的自動化設計功能，減輕了大量簡單煩瑣的設計工作量，使設計人員能集中精力用于考慮裝置的合理性和進行創(chuàng)新型的開發(fā).為滿足新的配電線路裝置設計要求，設計人員可以構思并嘗試前所未有的、全新的配電線路裝置，對配電線路裝置進行裝配模擬，預期所有零件的實際位置，可以任意嘗試在實物上不允許的失敗，針對存在的問題進行合理性論證和交流探討，實現(xiàn)配電線路設計創(chuàng)新.

［1］王建賡，胡鵬，于洪俠.變壓器結構的三維模塊化設計［J］.變壓器，2009（3）.

TM726

A

1009-1734（2011）S0-0148-03

2011-09-10

石宏，工程師，從事中壓配網(wǎng)工程管理研究.