三維技術在輸電線路結構設計中的應用

中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司 李 鑫

1 引言

隨著科技的不斷進步，三維技術的應用越來越廣泛。這項技術可以提供全方位的空間感知立體化互動式觀察。在三維技術的支持下，可以更加直觀地了解和觀察物體的形狀、大小、顏色和結構等信息。這種觀察方式不僅更加方便，而且更加準確。另外，三維技術還可以提供多樣性高級輔助分析功能。在科學研究和教育教學中，三維技術可以幫助人們更好地理解和掌握復雜的概念和理論，提供直觀的展示和演示，讓學習者更快地掌握知識。

2 三維技術概述

在電力行業中，數字化和智能化技術的應用正在迅速發展，其中三維技術是數字智能化的一部分，可以用于設計虛擬配電線路方案。三維技術由二維和一維疊合而成，存在多方向交錯，這種設計方法可以使得電力公司更加準確地預測和設計輸電線路，從而提高效率和降低成本。智能集成化輸電線路三維協同設計技術正在被越來越多的電力公司采用，這種技術可以實現不同領域專家之間協同設計，從而更好地滿足客戶需求。通過三維技術，電力公司可以更好地預測輸電線路工作情況，提高信號傳輸的穩定性和可靠性。在輸電線路的設計中，三維技術可以發揮重要作用，幫助電力公司更好地預測輸電線路狀況，以便進行故障排除和維修，同時三維技術還可以幫助電力公司更好地規劃輸電線路，從而更好地滿足客戶的需求。

3 三維數字化功能分析

3.1 基礎功能

三維數字化技術在現代工程領域中扮演著越來越重要的角色。在這些技術中，基礎功能是核心功能之一，在輸電線路工程中，視圖瀏覽不可或缺，視圖瀏覽可以幫助工程師對輸電線路進行全方位的觀測和分析，從而確認線路的位置、高度、角度、長度等信息，有利于確定工程施工方案和設計方案。另外，錄像、截圖等功能同樣可以在輸電線路工程發揮作用，輔助完成空間分析，例如通過錄制視頻可以對線路進行動態觀測，從而更加全面地了解線路情況，而截圖則可以幫助工程師對線路進行詳細靜態分析，以確定線路細節信息。不同基礎功能在輸電線路工程中能夠發揮出的作用具有較大差異，在某些情況下，視圖瀏覽可能會成為決策的關鍵因素，而在另一些情況下，錄像或截圖則可能更加重要。

3.2 數據功能

采集到的數據能夠以三維模型的方式表現出來，工程師們能夠更加直觀地了解設計方案。通過這種方式，設計者們能夠更好地預測線路的運行情況，并提前發現潛在的風險因素，從而采取相應的措施來避免事故的發生，這種技術的應用能夠提高工程師設計效率，同時也能夠降低設計錯誤率，保證輸電線路工程的質量和安全[1]。

4 三維技術在輸電線路中的應用

4.1 工程概述

以某一工程基礎設計為例進行基礎設計，桿塔位于水田中，含有豐富地下水，在6m 以內是可塑性的粉質黏土層，6m 以下是強風化片麻巖，基礎向上拉力是250kN，地基與土路的間距是50m 。根據桿塔位置，基礎方式有兩種：分別為平板基礎和樁基。在使用平板基礎情況下，地基混凝土體積為7.18m3，鋼筋為461.37kg。當使用鉆孔灌注樁基時，地基的混凝土體積為4.16m3，鋼筋為344.22kg。從材料量上看，板式基的混凝土用量要大于鉆孔樁基，但因施工費用的不同，板式基的造價要低2000元。

4.2 總體設計

4.2.1 硬件設計與實現

本項目面向高精度輸電線建設需求，通過優化3D-SiC 傳感器，完善感知電路及感知立體構架，實現高精度輸電線空間分布。三維測量系統利用恒壓電橋作為測量元件，在傳統的測量支撐結構上添加合適的組橋方式，并通過微分控制實現測量；三個全橋由霍爾元件串聯，輸出負載在X,Y,Z 三個方向上的負載。該方法利用霍爾輸出的感應量為差模，消除了3DSC 中的不平衡電壓，并以此不平衡電壓為共模，放大了霍爾單元的輸出。采用恒流源供電。本項目擬利用3-D 剪裁式結構，將應變片沿R1-R4軸向均勻排列，將其置于Y,Z 軸構成的平面內，重新界定感知信號的3-D 關系，實現最優測量精度。

4.2.2 基于三維技術的施工缺陷數據庫構建

三維傳感器獲取圖像并通過渲染技術進行處理已經成為業內的一種常見做法，這種方法利用渲染技術對采集到的圖像進行多分辨率處理，建立數據金字塔，從而實現快速瀏覽和高效處理。為了更好地利用這種方法，建立相應缺陷數據庫極為必要，通過對三維數據進行分割和提取，可以快速地瀏覽和識別缺陷，從而建立工程缺陷樣本庫，并對樣本點進行標注。在后續的工作中就可以利用這些樣本點進行仿真和模擬，以保證對工程現場樣本缺陷仿真程度。為了降低數據復雜性和I0吞吐率，可以采用三維技術實現數據塊的渲染，通過簡化原始圖像，可以提高對多面體數據的訪問和渲染速度。這樣就可以讓三維技術更好地應用于實際工程中。

4.3 三維桿塔模型

在輸電線路中，桿塔是不可或缺的重要部分。而桿塔的建模也是輸電線路設計中的關鍵環節之一。桿塔模型的形式有多種，不同形式的模型適用于不同的設計需求。桿塔模型的建模主要分為基本模型和精細模型，數字化建模是將桿塔的實際形態和結構通過計算機軟件進行三維建模，數字化參模則是將桿塔的實際材料和物理特性輸入到計算機軟件中，使得模型能夠在計算機上進行物理仿真。包括線路的電氣參數和桿塔的電位特性。這是因為輸電線路的設計不僅要考慮結構的穩定性，還要考慮電氣的性能，因此基本模型的建模必須兼顧結構和電氣兩個方面。精細模型則利用單根線形模型進行空間結構計算，生成符合設計需求、滿足鐵塔加工要求的仿真模型，單根線形模型是將桿塔的結構按照單根桿塔進行建模，通過計算機軟件進行空間結構計算，最終生成符合設計要求的仿真模型。這種模型的精度更高，能夠更好地滿足設計需求。

5 三維絕緣子串設計

5.1 模型要求

絕緣子串是電力系統中重要組成部分，用于在電線和電桿之間傳遞電力信號，為了確保電力系統穩定性和安全性，必須對絕緣子串進行嚴格質量控制和測試，其中絕緣子串標準模型是評估絕緣子串性能的重要工具。絕緣子串標準模型按照設計需求和規范要求進行組裝，模型必須與實際工程相吻合，并反映實際材料狀況，如此才能得到準確的測試結果，從而保證電力系統安全和穩定。絕緣子串模型的空間位置和連接方式也非常重要，其必須正確并與實際施工相適應，如果絕緣子串模型的空間位置和連接方式不正確，就無法得到準確的測試結果，這可能會導致電力系統出現故障，從而對人們生命和財產造成威脅[2]。

標準模型應該是一個撓性模型，能夠進行旋轉或移動，以更精確地檢測復雜電氣間隙狀態，如此便可以更好地評估絕緣子串性能，并發現潛在的問題，如果不能檢測到這些問題，電力系統的安全和穩定可能會受到威脅。最后，可以加入多維額外參數來應用于材料采購、施工預裝配、維護維修等方面，這可以更好地控制成本和提高效率，例如可以使用這些參數來評估材料質量，并預測維護和維修的成本。

5.2 建模方法

在建立絕緣子串基本數學模型的過程中，對絕緣子串的長度、級數、隔離步距等電學參數進行了參數化處理。為了實現絕緣子串的智能裝配，需要將絕緣子串的幾何圖形和參數化模型有機地融合在一起，絕緣體與設備之間的相互影響取決于接點形狀和尺寸等參量。

6 全過程與全專業三維數字化協調設計

隨著數字化技術的發展，數字化電網設計已經成為電力行業的重要趨勢。數字化電網設計可以幫助電力公司更加高效、精確地規劃、建設和運營電網，提高電網的可靠性、安全性和經濟性。但是，數字化電網設計并不是一件簡單的事情，需要經過一系列復雜的步驟才能完成。

在選線過程中，需要確定電網的路線和路徑，這個過程需要考慮多種因素，包括地理環境、土地使用、社會影響、環保要求等，為了確保電網的可靠性和安全性，還需要考慮電網的通信和控制系統。在進行選線的過程中，通常采用手動排位的方法對規劃路線進行人工調整，并結合主題數據和運行經驗確定路徑，在進行桿塔排位過程中，需要將選定電網路線分段，并對每一段進行桿塔排位。在這個過程中，需要考慮多種因素，包括電線的負荷、跨越、支撐等，在輸入選擇結果并生成線路斷面圖之后，可以根據設計平臺自動功能進行初步排序，這個過程中需要綜合考慮多種因素，包括安全性、可靠性和經濟性等[3]。

除了預排之外，線路路徑也是設計中不可忽視的一環，為了確定最優路線，需要使用工程特征統計模塊對沿線房屋拆遷量、樹木砍伐量進行計算，并根據計算結果確定最優路線。此外，桿塔排位優化也是設計中必須考慮的因素，需要使用平面剖面圖和結構專業的塔形提子進行優化。在確定線路路徑和桿塔排位之后，需要進行電氣計算，電氣計算包括電氣受力計算、地線特性計算、定位計算、附件配置和間隙校準等多個方面。在電氣計算過程中，需要考慮多種因素，以確保電力線路的安全穩定運行。柱設計和柱確認模塊則用于進行基礎布置和確認，確保電力線路的基礎結構穩固可靠。

另外，采用三維仿真技術也可以對導線在風偏條件下的位移進行模擬，從而更好地預測導線在實際運行中的情況。這一技術的應用，可以為電力行業提供更加準確和可靠的設計方案。空間測距功能也是三維建模技術的一個重要應用。該功能可以迅速測量導線與鐵塔任意桿件之間的距離，從而保證導線與桿件之間的安全距離，兼顧構件的安全性能，這一功能的應用，可以為電力行業帶來更加高效和安全的工作環境。

7 參數化模型校驗

目前三維平臺上的桿塔模型只能顯示塔身尺寸，而無法用參數化方法建模連接部位和吊索部位。這種情況下，設計師需要根據經驗和手動計算來確定這些部位的尺寸和位置，這不僅浪費時間，而且容易出現誤差[4]。因此，需要一種更高效、更精確的方法來建模和校驗桿塔模型。三維平臺上的桿塔模型越精細，對計算機的要求就越高。為了避免計算機性能的瓶頸影響模型的完整性和準確性，需要為關鍵校驗構件設置專用校驗窗口。這樣可以確保這些構件的尺寸和位置得到準確的計算和校驗，同時也避免了計算機運行速度過慢的問題，這種方法不僅可以幫助設計師更好地優化桿塔結構，還可以避免在實際施工中出現不必要的問題和延誤。此外，三維參數化建模方法還可以幫助設計師更好地控制桿塔的重量和尺寸，從而提高其穩定性和安全性。

8 結語

在電力工程中，桿塔是電力線路中最重要的構件之一。因此，為了確保電力線路的穩定運行，需要進行桿塔的基礎選型和設計，以滿足電力線路的要求。為了實現基礎選型規范的統一和提高基礎設計效率，可以利用三維設計平臺和多指標選配方法，如此便能夠以統一的標準進行基礎選型，同時提高基礎設計的效率。