全站儀測量高壓輸電導(dǎo)線相間間距研究

裴珮 林杰 孟浩燦 賈永基

（1.河南省金地遙感測繪技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450003；2.國網(wǎng)河南能源互聯(lián)網(wǎng)電力設(shè)計(jì)院有限公司，河南 鄭州 450001）

1 引言

近期，高壓輸電領(lǐng)域出現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)線、碳纖維和玻璃纖維混合芯鋁絞線等新型材質(zhì)導(dǎo)線，其中，碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)線在我國超高壓輸電線路和特高壓輸電線路相繼應(yīng)用，新型材料的應(yīng)用推廣離不開測繪技術(shù)輔助精確測量和驗(yàn)證。

2 相間間距測量

相間間隔棒是安裝在緊湊型線路相與相之間的圓截面細(xì)長桿件，用于保持導(dǎo)線相間距離、抑制導(dǎo)線舞動，視檔距大小在每檔線之間安裝2～5 對，長度略大于高壓輸電導(dǎo)線相間間距。向廠家提交訂單時(shí)需提供安裝位置精確的相間間距。相間間距測量，目前最高效精準(zhǔn)的是機(jī)載三維激光雷達(dá)航測法，當(dāng)硬件不允許或高壓線通過禁飛區(qū)、軍事管控區(qū)時(shí)，使用全站儀是最優(yōu)方案。相間間距測量是測相間間隔棒安裝位置A、B 兩點(diǎn)間的平距差ΔX和高差ΔH，具體如圖1 所示，根據(jù)勾股定理可得：相間間距

圖1 相間間距測量

已建成高壓線可搜集設(shè)計(jì)圖紙，查詢兩側(cè)高壓電塔典設(shè)型號，根據(jù)該型號塔上、中、下橫擔(dān)長度差，計(jì)算出安裝位置平距差ΔX值，實(shí)際需要測的是安裝相間間隔棒位置兩點(diǎn)高差ΔH。

3 用全站儀測輸電導(dǎo)線高度常用方法

3.1 懸高測量

懸高測量是全站儀測高度常用方法，具體如圖2所示，將棱鏡置于目標(biāo)點(diǎn)正下方，全站儀中輸入棱鏡高v，照準(zhǔn)棱鏡測量距離，再轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)待測目標(biāo)點(diǎn)B，可實(shí)時(shí)顯示B 至地面的高度H。計(jì)算公式如下：

圖2 懸高測量

公式（2）中，v為棱鏡高，S為全站儀至反射棱鏡的斜距；α1和α2分別為棱鏡和目標(biāo)點(diǎn)的豎直角。

3.2 免棱鏡測量

目前，主流全站儀已支持免棱鏡測量，采用相位比較式、脈沖式、脈沖相位比較式等測距模式，不用照準(zhǔn)反射棱鏡即可接收反射激光束測距，適合在不便放置反射棱鏡或反射片的地方測距。用免棱鏡測量直接測得相間間隔棒安裝位置兩點(diǎn)坐標(biāo)及高程信息，代入公式（1）即可算出高壓輸電導(dǎo)線相間間距。

4 工程實(shí)例

本工程為500kV 同塔雙回路架設(shè)高壓輸電線路，全長約122.8 千米，共有高壓電塔292 基，是山東省首個(gè)全線采用碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的輸電線路工程。碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線可用來替代傳統(tǒng)鋼芯鋁絞線，代表未來架空導(dǎo)線的技術(shù)發(fā)展趨勢。傳統(tǒng)導(dǎo)線只需在道亨軟件里配置參數(shù)即可模擬整條導(dǎo)線，精確算出相間間隔棒安裝位置相間間距。這種新型導(dǎo)線相比傳統(tǒng)鋼芯鋁絞線有不同的熱膨脹系數(shù)，導(dǎo)線放緊線完成后經(jīng)歷一個(gè)夏季和冬季的熱脹冷縮，實(shí)際相間間距與軟件模擬結(jié)果可能有差別，需實(shí)地逐個(gè)精確測量驗(yàn)證分析。

4.1 測量任務(wù)概況

測區(qū)地形為低山丘陵區(qū)，山丘起伏和緩，溝壑縱橫交錯(cuò)，地形復(fù)雜，氣候條件差，交通不便，且55%塔位分布在山區(qū)，植被以農(nóng)作物、果園、雜樹林為主。每檔線之間要安裝2 對、3 對或5 對相間間隔棒，需現(xiàn)場實(shí)測安裝位置導(dǎo)線相間間距。

4.2 測量方案分析

從測量精度、可實(shí)施性、人員投入、作業(yè)安全、工期等多方面考慮，結(jié)合測區(qū)現(xiàn)場地形及交通條件，制訂科學(xué)經(jīng)濟(jì)的測量方案。

懸高測量劣勢分析：需在每一測點(diǎn)下方都設(shè)置棱鏡，測點(diǎn)數(shù)量多，且測區(qū)地形條件較差，跑桿人員來回穿越山頭、溝壑，不僅耗時(shí)，也存在安全風(fēng)險(xiǎn)，還需耗費(fèi)大量時(shí)間解決全站儀測站點(diǎn)與棱鏡通視問題。

免棱鏡法劣勢分析：（1）免棱鏡激光束打到導(dǎo)線上，因?qū)Ь€特殊絞線造型導(dǎo)致返回激光束較少，且導(dǎo)線距地較高，測站點(diǎn)過近會導(dǎo)致仰角過大無法觀測，測站點(diǎn)過遠(yuǎn)則接收不到激光信號，導(dǎo)致頻繁搬站，外業(yè)觀測效率低；（2）不能在導(dǎo)線上精確定位相間間隔棒安裝位置，可用RTK 在測站點(diǎn)與測點(diǎn)連線上放線，粗定向后在導(dǎo)線定向位置前后測多個(gè)點(diǎn)，將測點(diǎn)全部展繪圖上，使用插值法內(nèi)插計(jì)算安裝位置高程，會影響觀測精度。

針對上述難題，依據(jù)現(xiàn)場條件探索一種新型測量方案：懸高測量改進(jìn)法（如圖3 所示）。原理是借助Excel 函數(shù)公式制作計(jì)算表格，現(xiàn)場設(shè)站完成后將測站點(diǎn)坐標(biāo)信息輸入表格，自動算出測站點(diǎn)O 與測點(diǎn)A的水平角βA和水平距LA，以此替代懸高測量觀測棱鏡步驟，將全站儀水平度盤調(diào)至角度βA，鎖定水平度盤后調(diào)整望遠(yuǎn)鏡頭，瞄準(zhǔn)導(dǎo)線后記錄天頂角θA，同步驟觀測測點(diǎn)B 的天頂角θB，輸入Excel 表格，利用函數(shù)公式計(jì)算出導(dǎo)線相間間距S。

圖3 懸高測量改進(jìn)法

安裝點(diǎn)A 高程：

相間間距：

公式（3）和（4）中，坐標(biāo)高程信息為 ：安裝點(diǎn)A（XA，YA，HA），安裝點(diǎn)B（XB，YB，HB），測站點(diǎn)O（XO，YO，HO）；LA、LB分別為點(diǎn)A、B 和測站點(diǎn)O 的水平距；θA、θB分別為觀測點(diǎn)A、B 時(shí)的天頂角；αA和αB分別為觀測點(diǎn)A、B 時(shí)的垂直角，i為儀器高。

4.3 測量流程

（1）桿塔與導(dǎo)線展繪。將《塔位明細(xì)表》中桿塔坐標(biāo)展繪至圖上，繪制線路路徑中心線；按典設(shè)塔型上中下3 條橫擔(dān)長度繪制三色（上-洋紅色、中-藍(lán)色、下-綠色）同心圓模型（轉(zhuǎn)角塔內(nèi)外角線條對應(yīng)用虛實(shí)線區(qū)分）；按《桿塔明細(xì)表》中各塔位的桿塔型號在塔位處粘貼對應(yīng)三色同心圓模型，轉(zhuǎn)角塔處按外角虛線、內(nèi)角實(shí)線截??；在直線塔位處繪制垂直于路徑中心線的短線，轉(zhuǎn)角塔處短線方向?yàn)榻瞧椒志€；用與三色同心圓模型對應(yīng)顏色線條連接轉(zhuǎn)角塔模型與短線交點(diǎn)，繪制出上中下三條輸電導(dǎo)線，具體如圖4 所示。

圖4 桿塔與輸電導(dǎo)線展繪

（2）測點(diǎn)坐標(biāo)提取。對照設(shè)計(jì)文件，在導(dǎo)線上提取需安裝相間間隔棒位置的坐標(biāo)，具體為短線與三條導(dǎo)線交點(diǎn)。例如圖4，G237-G238 之間需在A 處上導(dǎo)線和中導(dǎo)線之間安裝相間間隔棒，提取A 處短線與洋紅色線交點(diǎn)坐標(biāo)命名為G237A-S，提取A 處短線與藍(lán)色線交點(diǎn)坐標(biāo)命名為G237A-Z。

（3）Excel 計(jì)算表格制作。編制Excel 計(jì)算表格，輸入展繪圖上提取的安裝點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)安裝點(diǎn)坐標(biāo)和測站點(diǎn)坐標(biāo)，編輯Excel 函數(shù)計(jì)算出測站點(diǎn)與安裝點(diǎn)連線的方位角和水平距；根據(jù)測站點(diǎn)高程、儀器高、觀測記錄的天頂角、水平距編輯Excel 函數(shù)，計(jì)算出安裝點(diǎn)高程；根據(jù)兩安裝點(diǎn)東坐標(biāo)差值ΔX、北坐標(biāo)差值ΔY、高程差值ΔH編輯平方根函數(shù)，即可計(jì)算出安裝位置導(dǎo)線相間間距S。

計(jì)算測站點(diǎn)O 與安裝點(diǎn)A 方位角α?xí)r應(yīng)計(jì)算東坐標(biāo)差值Δy和北坐標(biāo)差值Δx，根據(jù)差值的正負(fù)號判斷方位角所處向限，具體如圖5 所示。測站點(diǎn)O 與安裝點(diǎn)A 連線的方位角α所在向限對應(yīng)的公式如表1 所示。

表1 方位角所在向限及計(jì)算公式

圖5 方位角向限判斷

（4）核對塔位坐標(biāo)。①影像圖核對：外業(yè)觀測開始前，將塔位坐標(biāo)制作kml 文件導(dǎo)入奧維互動地圖，選擇最新影像底圖，逐基檢查桿塔點(diǎn)符號是否在影像圖上桿塔正中央，若有偏移，說明施工未按設(shè)計(jì)坐標(biāo)，應(yīng)統(tǒng)計(jì)偏移塔位并現(xiàn)場實(shí)測塔位坐標(biāo)，在桿塔與導(dǎo)線展繪圖上更新，重新提取并修正測點(diǎn)坐標(biāo)；②現(xiàn)場核對 ：若部分塔位未更新最新影像，交通便利處應(yīng)現(xiàn)場實(shí)測核對；③現(xiàn)場觀測時(shí)核對：交通不便處待外業(yè)觀測時(shí)用全站儀觀測塔身核對。

為提高工作效率，減少外業(yè)作業(yè)時(shí)間，提高成果質(zhì)量，應(yīng)按①②③順序完成每一基桿塔坐標(biāo)核對工作。

（5）外業(yè)觀測。將Excel 計(jì)算表格發(fā)送至智能手機(jī)，全站儀設(shè)站完成后將測站點(diǎn)坐標(biāo)、高程、儀器高輸入計(jì)算表格，計(jì)算出測站點(diǎn)與安裝點(diǎn)的方位角，調(diào)節(jié)全站儀水平度盤至該角度并鎖定，調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡筒，使十字絲對準(zhǔn)安裝點(diǎn)所在導(dǎo)線，記錄天頂角并填入計(jì)算表格，即可自動計(jì)算出導(dǎo)線相間間距?，F(xiàn)場應(yīng)檢查相間間距數(shù)據(jù)，若有明顯異常，應(yīng)分析原因并重測。

（6）校核。外業(yè)觀測完成后校核整個(gè)測繪過程，除常規(guī)校核內(nèi)容外，應(yīng)增加Excel 計(jì)算表格函數(shù)校核、桿塔與導(dǎo)線展繪圖、塔位坐標(biāo)核對記錄等內(nèi)容。

5 精度及效率分析

隨機(jī)抽取12 月15 日、16 日兩天的測區(qū)任務(wù)，在安裝點(diǎn)與輸電導(dǎo)線垂直方向由遠(yuǎn)及近設(shè)測站點(diǎn)及后視點(diǎn)，設(shè)站完成后觀測后視點(diǎn)，鎖定水平度盤，用免棱鏡模式直接觀測導(dǎo)線高程的方法重新觀測。該方法測站點(diǎn)、后視點(diǎn)、兩個(gè)安裝點(diǎn)在同一垂面，可精準(zhǔn)定位兩安裝點(diǎn)位置，直接觀測兩安裝點(diǎn)坐標(biāo)高程信息，將觀測到的坐標(biāo)信息與在展繪圖上提取的坐標(biāo)信息核對一致后，計(jì)算出的兩安裝點(diǎn)距離可作為實(shí)際相間間距，與本文方案成果作對比，結(jié)果如表2 所示。由表2 可知，懸高測量改進(jìn)法與傳統(tǒng)免棱鏡法測量結(jié)果中誤差為0.07m，滿足施工要求，且作業(yè)效率提升約3 倍。

表2 精度及效率分析

6 結(jié)論

本文討論了高壓輸電導(dǎo)線安裝相間間隔棒時(shí)，測量導(dǎo)線相間間距的方法，探索了懸高測量改進(jìn)方案，并在山東某500kV 新建輸電線路工程中應(yīng)用，與采用傳統(tǒng)免棱鏡法測繪成果進(jìn)行對比，本方案成果精度滿足輸電線路工程測量要求，且作業(yè)效率大幅提升，具有較大的實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。