三維數(shù)字化設計技術在220kV輸電線路5G共享桿塔中的應用

國網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟技術研究院 齊道坤 席小娟 鄭月松 周鐵軍

國外最早利用電力桿塔進行其他用途的是美國通信運營商，美國在上世紀70年代就嘗試在電力桿塔上加裝各類天線。美國基站數(shù)量相對較少，約為12萬座(5G建設前)，共享鐵塔的需求相對較小，隨著5G通信的發(fā)展，共享鐵塔需求增大，其他國家共享鐵塔的文獻和案例較少。通信天線安裝在塔頭居中位置，機房架設在塔底，饋線沿桿塔兩側鋪設。對于在電力鐵塔上加裝通信天線，文獻和報道主要集中在通信天線及通信系統(tǒng)能否正常運行，附近的移動用戶能否正常接聽電話。國外研究的重點是輸電線路對通信設備的電磁干擾，沒有考慮通信設備對強電的影響，當時輸電線路的運維設備很少，未見有相關的研究。

目前國內(nèi)的電力與通信共享桿塔的研究，仍停留在傳統(tǒng)的二維設計技術研究，尚未開展三維設計建模，沒有進行三維場景內(nèi)的正向搭載5G設備的能力、安全間距和桿塔結構強度的校驗技術研究，已不能滿足目前國網(wǎng)正在推廣的三維數(shù)字化設計技術和綜合數(shù)字化管理的需要，為此提出三維數(shù)字化設計技術在220kV輸電線路5G共享桿塔中的應用研究。

1 基于三維數(shù)字化設計技術的220kV 輸電線路5G共享桿塔設計

此次設計220kV輸電線路5G共享桿塔分為以下步驟：基于輸電三維設計成果采用三維仿真技術、矢量參數(shù)化建模技術構建輸電線路仿真場景。采用數(shù)值建模、模擬仿真等方法開展5G設備空間布置，綜合線路運行情況下的周邊環(huán)境數(shù)據(jù)實現(xiàn)相線系統(tǒng)空間姿態(tài)的模擬，對共享鐵塔上5G設備的典型布置方式、導線架線方式、5G共享桿塔走線進行設計。運用結構力學基本理論結合實驗數(shù)據(jù)分析5G設備對桿塔材料布置、結構強度等的影響。建立典型的設計方案，為安全、快速建設5G共享桿塔提供新的技術手段。

1.1 基于三維數(shù)字化設計技術的5G 共享設備空間布置

由于5G設備的體積和重量明顯大于輸電桿塔上的常規(guī)設備，為此需在220kV輸電線路5G共享桿塔設計中對5G設備的空間布局進行合理規(guī)劃，保證220kV輸電線路5G共享桿塔的穩(wěn)定性，220kV輸電線路5G共享桿塔極有可能會隨著時間的變化而發(fā)生變形，因此如何合理地進行安置是5G共享桿塔設計的基礎和關鍵，5G設備的特性對新建桿塔和改造提出了更高的要求。此次利用三維仿真技術對5G設備的安放位置和塔頭部分架線方式進行精確設計，在盡量不增加塔頭尺寸的前提下合理地安放相應的設備[1]。利用計算機三維圖形技術，結合輸電線路三維設計模型快速構建線路局部或全部場景三維模型，并以此為基礎開展三維空間布置設計。

首先將220kV輸電線路5G共享桿塔的基本參數(shù)輸入到三維數(shù)字化設計平臺，建立220kV輸電線路5G共享桿塔模型，參數(shù)包括220kV輸電線路5G共享桿塔外觀尺寸、重量、導平投影等，將相應的數(shù)據(jù)標識到三維數(shù)字化模型中，以此可以得到一個與實際相符的220kV輸電線路5G共享桿塔三維模型[2]。然后將需要安裝的5G設備安裝區(qū)域范圍、設備重量、設備尺寸等數(shù)據(jù)上傳到建立的三維數(shù)字化模型中，三維數(shù)字化模型通過對數(shù)據(jù)迭代計算，得到5G設備最佳安放位置，以5G設備安裝區(qū)域范圍內(nèi)對220kV輸電線路5G共享桿塔施加最小的力作為制約條件，利用以下公式進行計算分析：minw=。

式中，w表示5G設備對220kV輸電線路5G共享桿塔施加最小的力；n表示5G設備安裝區(qū)域范圍內(nèi)可以安裝5G設備的第n個位置；g表示5G設備的重量；h表示5G設備的重量加速度；e表示5G設備與220kV輸電線路5G共享桿塔接觸面積[3]。利用上述公式對數(shù)據(jù)進行計算分析，對每個安裝位置進行迭代計算，直到上述公式成立為止，此時計算結果輸出，按照計算結果對5G設備進行安裝和布局。

1.2 基于三維數(shù)字化設計技術的5G 共享塔頭部分的架線方式設計

對5G共享設備安裝位置計算完成后，分析5G共享塔頭部分的架線方式，將5G共享塔頭部分架線所采用線路材料數(shù)據(jù)輸入到建立的220kV輸電線路5G共享桿塔三維數(shù)字化模型中，為了減小5G共享塔頭重量，在保證220kV輸電線路輸電質(zhì)量的前提下，以架線方式所使用的線路材料最少作為制約條件，對現(xiàn)有的5G共享塔頭部分的架線策略進行分析，其公式為mine=。

式中，e表示5G共享塔頭部分架線方式所使用的線路材料重量；n表示第n個架線方式；d表示該架線方式的線路長度；y表示該架線方式所設計的線路數(shù)量[4]。利用上述公式對5G共享塔頭部分的架線方式進行迭代計算，當?shù)忍杻蛇厺M足條件時輸出計算結果，為5G共享塔頭部分最佳架線策略，以該方式進行5G共享塔頭部分的架線，以此完成基于三維數(shù)字化設計技術的5G共享塔頭部分的架線方式設計。

1.3 5G 共享桿塔走線設計

在輸電桿塔三維設計模型的基礎上擴展桿塔精細化模型，建立節(jié)點板、螺栓、法蘭、爬梯等附件的桿塔精細化明顯。此次以5G共享桿塔布置線路最短為基準，在桿塔精細化模型中輸入相關數(shù)據(jù)，利用桿塔精細化模型計算出一條最短5G共享桿塔的走線路徑：f=kn+o。式中，f為5G共享桿塔的典型布置走線路徑；k表示桿塔精細化模型初始節(jié)點到n節(jié)點的實際代價；o表示桿塔精細化模型從n節(jié)點到目標節(jié)點的估計代價[5]。利用上述公式計算出220kV輸電線路5G共享桿塔走線路徑，按照該路徑對5G共享桿塔進行典型布置，以及走線設計。

1.4 5G 共享桿塔結構強度影響的計算和校驗

5G設備體積大、重量大，安裝設備后對桿塔施加額外的風荷載和重力荷載。保障輸電線路運行安全是共享桿塔的前提，由于5G設備的影響需要通過理論推導和試驗相結合的手段研究5G設備對桿塔受力的影響，為了簡化該流程，此次采用三維數(shù)字化技術對5G共享桿塔進行受力分析。通過輸電線路三維設計模型構建的場景利用狀態(tài)方程或動態(tài)力學平衡算法對絕緣金具、跳線、導線等進行空間姿態(tài)計算和模擬[6]。

一般情況下，220kV輸電線路5G共享桿塔結構強度滿足設計的條件為：220kV輸電線路5G共享桿塔結構最大應力不得大于許用應力，許用應力值大小根據(jù)實際情況而定。以220kV輸電線路5G共享桿塔許用應力為依據(jù)建立220kV輸電線路5G共享桿塔結構強度門限，并在三維數(shù)字化受力曲線中進行標識，運用以下計算公式對220kV輸電線路5G共享桿塔進行應力判斷：r≤p。式中，r表示220kV輸電線路5G共享桿塔結構最大應力值；p表示220kV輸電線路5G共享桿塔結構強度門限值，該門限值的計算公式為p=erwq。

式中，e表示安裝設備后對桿塔施加額外的風荷載；r表示安裝設備后對桿塔施加額外的重力荷載；w表示220kV輸電線路5G共享桿塔重量；q表示220kV輸電線路5G共享桿塔與地面接觸面積。通過以上計算分析實現(xiàn)5G共享桿塔的受力分析和結構強度校驗，檢驗220kV輸電線路5G共享桿塔是否滿足設計要求，以此完成了基于三維數(shù)字化設計技術的220kV輸電線路5G共享桿塔設計。

2 實驗論證分析

實驗以某220kV輸電線路為實驗對象，該輸電線路長度為2500m，最低點高程為256m，最高點高程為543m，線路平均高程為289m，實驗利用此次設計方法與傳統(tǒng)方法對該220kV輸電線路5G共享桿塔進行設計。該220kV輸電線路5G共享桿塔電壓等級為220kV，輸送功率為562MVA，回路數(shù)量為單回路，線路采用的是12芯AUIDH+ADFF-150鋁包鋼絞線，導線采用的是2HJ/ADD-500/354，塔桿建設環(huán)境為：覆冰厚度15mm，基本風速26m/s。計劃塔桿需要搭載的5G設備共8個，總重量為154kg。

將以上220kV輸電線路5G共享桿塔基本數(shù)據(jù)輸入到三維數(shù)字化設計平臺上進行建模，設計220kV輸電線路5G設備布置方案、5G共享塔頭部分的架線方案，以及5G共享桿塔的典型布置、走線方案，對220kV輸電線路5G共享塔桿結構力學參數(shù)進行計算和分析：抗壓強度28.4MPa、橫向荷載系數(shù)5.481、最大承載力37.8MPa、許用應力52.4MPa、最大應力值44.1MPa。

按照兩種方法設計的220kV輸電線路5G共享桿塔進行建設施工，各搭建50個。利用水平測量儀和傾角測量儀對220kV輸電線路5G共享塔桿傾斜角度進行測量，每周測量一次，實驗時間為200天，對比兩種方法設計的220kV輸電線路5G共享桿塔在200天內(nèi)的傾斜情況，《220kV輸電線路5G共享塔桿設計規(guī)范》GB/T12622-2010中明確規(guī)定，220kV輸電線路5G共享塔桿傾斜不得超過0.45°，在該范圍以內(nèi)表示220kV輸電線路5G共享塔桿姿態(tài)無明顯變化，塔桿質(zhì)量良好；如果超出該標準，則說明220kV輸電線路5G共享塔桿力學結構較差，設計不合理。

實驗隨機抽取8個220kV輸電線路5G共享塔桿傾斜測量數(shù)據(jù)作為實驗數(shù)據(jù)，利用電子表格對數(shù)據(jù)進行有效記錄，設計方法與傳統(tǒng)方法分別為0.014°/0.859°、0.025°/0.964°、0.009°/0.894°、0.014°/1.265°、0.005°/2.264°、0.018°/3.415°、0.036°/2.152°、0.025°/3.364°。

從實驗數(shù)據(jù)可看出，此次使用提出方法設計的220kV輸電線路5G共享塔桿傾斜角度較小，均未超出0.45°，最小傾斜角度為0.009°，說明此次設計方法設計的220kV輸電線路5G共享塔桿力學結構良好；而傳統(tǒng)方法設計的220kV輸電線路5G共享塔桿在實驗期間內(nèi)傾斜角度已經(jīng)超過規(guī)定范圍，并遠大于設計方法，因此實驗證明了三維數(shù)字化設計技術在220kV輸電線路5G共享桿塔中具有良好的應用價值，基于三維數(shù)字化設計技術的220kV輸電線路5G共享桿塔設計方法具有良好的可行性。

綜上，此次研究建立一套5G共享桿塔的三維設計、三維校驗、數(shù)字化移交的標準化流程。制定共享桿塔數(shù)字化模型的建模內(nèi)容和方法，形成實現(xiàn)共享桿塔的數(shù)字化移交方案和相關技術標準。理論推導結合試驗數(shù)據(jù)解決5G共享桿塔結構三維場景內(nèi)的受力計算難題，保證共享桿塔的運行安全問題；提出輸電線路桿塔搭載5G基站三維數(shù)字化設計方法，開發(fā)輸電線路桿塔搭載5G基站三維數(shù)字化設計技術，實現(xiàn)三維場景內(nèi)的5G加載設備電氣和結構校驗。