三維技術(shù)在輸電線路結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應用

中國電力工程顧問集團東北電力設(shè)計院有限公司 李 鑫

1 引言

隨著科技的不斷進步，三維技術(shù)的應用越來越廣泛。這項技術(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)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(shù)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(shù)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(shù)概述

在電力行業(yè)中，數(shù)字化和智能化技術(shù)的應用正在迅速發(fā)展，其中三維技術(shù)是數(shù)字智能化的一部分，可以用于設(shè)計虛擬配電線路方案。三維技術(shù)由二維和一維疊合而成，存在多方向交錯，這種設(shè)計方法可以使得電力公司更加準確地預測和設(shè)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(xié)同設(shè)計技術(shù)正在被越來越多的電力公司采用，這種技術(shù)可以實現(xiàn)不同領(lǐng)域?qū)＜抑g協(xié)同設(shè)計，從而更好地滿足客戶需求。通過三維技術(shù)，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?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。在輸電線路的設(shè)計中，三維技術(shù)可以發(fā)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(shù)還可以幫助電力公司更好地規(guī)劃輸電線路，從而更好地滿足客戶的需求。

3 三維數(shù)字化功能分析

3.1 基礎(chǔ)功能

三維數(shù)字化技術(shù)在現(xiàn)代工程領(lǐng)域中扮演著越來越重要的角色。在這些技術(shù)中，基礎(chǔ)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(shè)計方案。另外，錄像、截圖等功能同樣可以在輸電線路工程發(fā)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(tài)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(tài)分析，以確定線路細節(jié)信息。不同基礎(chǔ)功能在輸電線路工程中能夠發(fā)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(guān)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(shù)據(jù)功能

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

4 三維技術(shù)在輸電線路中的應用

4.1 工程概述

以某一工程基礎(chǔ)設(shè)計為例進行基礎(chǔ)設(shè)計，桿塔位于水田中，含有豐富地下水，在6m 以內(nèi)是可塑性的粉質(zhì)黏土層，6m 以下是強風化片麻巖，基礎(chǔ)向上拉力是250kN，地基與土路的間距是50m 。根據(jù)桿塔位置，基礎(chǔ)方式有兩種：分別為平板基礎(chǔ)和樁基。在使用平板基礎(chǔ)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(shè)計

4.2.1 硬件設(shè)計與實現(xiàn)

本項目面向高精度輸電線建設(shè)需求，通過優(yōu)化3D-SiC 傳感器，完善感知電路及感知立體構(gòu)架，實現(xiàn)高精度輸電線空間分布。三維測量系統(tǒng)利用恒壓電橋作為測量元件，在傳統(tǒng)的測量支撐結(jié)構(gòu)上添加合適的組橋方式，并通過微分控制實現(xiàn)測量；三個全橋由霍爾元件串聯(lián)，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(jié)構(gòu)，將應變片沿R1-R4軸向均勻排列，將其置于Y,Z 軸構(gòu)成的平面內(nèi)，重新界定感知信號的3-D 關(guān)系，實現(xiàn)最優(yōu)測量精度。

4.2.2 基于三維技術(shù)的施工缺陷數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

三維傳感器獲取圖像并通過渲染技術(shù)進行處理已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)的一種常見做法，這種方法利用渲染技術(shù)對采集到的圖像進行多分辨率處理，建立數(shù)據(jù)金字塔，從而實現(xiàn)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(shù)據(jù)庫極為必要，通過對三維數(shù)據(jù)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(xù)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(xiàn)場樣本缺陷仿真程度。為了降低數(shù)據(jù)復雜性和I0吞吐率，可以采用三維技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)塊的渲染，通過簡化原始圖像，可以提高對多面體數(shù)據(jù)的訪問和渲染速度。這樣就可以讓三維技術(shù)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(shè)計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)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(shè)計需求。桿塔模型的建模主要分為基本模型和精細模型，數(shù)字化建模是將桿塔的實際形態(tài)和結(jié)構(gòu)通過計算機軟件進行三維建模，數(shù)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(shù)和桿塔的電位特性。這是因為輸電線路的設(shè)計不僅要考慮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)計算，生成符合設(shè)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(jié)構(gòu)按照單根桿塔進行建模，通過計算機軟件進行空間結(jié)構(gòu)計算，最終生成符合設(shè)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(shè)計需求。

5 三維絕緣子串設(shè)計

5.1 模型要求

絕緣子串是電力系統(tǒng)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(tǒng)穩(wěn)定性和安全性，必須對絕緣子串進行嚴格質(zhì)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(shè)計需求和規(guī)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(jié)果，從而保證電力系統(tǒng)安全和穩(wěn)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(jié)果，這可能會導致電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障，從而對人們生命和財產(chǎn)造成威脅[2]。

標準模型應該是一個撓性模型，能夠進行旋轉(zhuǎn)或移動，以更精確地檢測復雜電氣間隙狀態(tài)，如此便可以更好地評估絕緣子串性能，并發(fā)現(xiàn)潛在的問題，如果不能檢測到這些問題，電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定可能會受到威脅。最后，可以加入多維額外參數(shù)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(shù)來評估材料質(zhì)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(shù)學模型的過程中，對絕緣子串的長度、級數(shù)、隔離步距等電學參數(shù)進行了參數(shù)化處理。為了實現(xiàn)絕緣子串的智能裝配，需要將絕緣子串的幾何圖形和參數(shù)化模型有機地融合在一起，絕緣體與設(shè)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(yè)三維數(shù)字化協(xié)調(diào)設(shè)計

隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化電網(wǎng)設(shè)計已經(jīng)成為電力行業(yè)的重要趨勢。數(shù)字化電網(wǎng)設(shè)計可以幫助電力公司更加高效、精確地規(guī)劃、建設(shè)和運營電網(wǎng)，提高電網(wǎng)的可靠性、安全性和經(jīng)濟性。但是，數(shù)字化電網(wǎng)設(shè)計并不是一件簡單的事情，需要經(jīng)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(wǎng)的路線和路徑，這個過程需要考慮多種因素，包括地理環(huán)境、土地使用、社會影響、環(huán)保要求等，為了確保電網(wǎng)的可靠性和安全性，還需要考慮電網(wǎng)的通信和控制系統(tǒng)。在進行選線的過程中，通常采用手動排位的方法對規(guī)劃路線進行人工調(diào)整，并結(jié)合主題數(shù)據(jù)和運行經(jīng)驗確定路徑，在進行桿塔排位過程中，需要將選定電網(wǎng)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(jié)果并生成線路斷面圖之后，可以根據(jù)設(shè)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(jīng)濟性等[3]。

除了預排之外，線路路徑也是設(shè)計中不可忽視的一環(huán)，為了確定最優(yōu)路線，需要使用工程特征統(tǒng)計模塊對沿線房屋拆遷量、樹木砍伐量進行計算，并根據(jù)計算結(jié)果確定最優(yōu)路線。此外，桿塔排位優(yōu)化也是設(shè)計中必須考慮的因素，需要使用平面剖面圖和結(jié)構(gòu)專業(yè)的塔形提子進行優(yōu)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(wěn)定運行。柱設(shè)計和柱確認模塊則用于進行基礎(chǔ)布置和確認，確保電力線路的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)穩(wěn)固可靠。

另外，采用三維仿真技術(shù)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(shù)的應用，可以為電力行業(yè)提供更加準確和可靠的設(shè)計方案?？臻g測距功能也是三維建模技術(shù)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(gòu)件的安全性能，這一功能的應用，可以為電力行業(yè)帶來更加高效和安全的工作環(huán)境。

7 參數(shù)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(shù)化方法建模連接部位和吊索部位。這種情況下，設(shè)計師需要根據(jù)經(jīng)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(xiàn)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(guān)鍵校驗構(gòu)件設(shè)置專用校驗窗口。這樣可以確保這些構(gòu)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(shè)計師更好地優(yōu)化桿塔結(jié)構(gòu)，還可以避免在實際施工中出現(xiàn)不必要的問題和延誤。此外，三維參數(shù)化建模方法還可以幫助設(shè)計師更好地控制桿塔的重量和尺寸，從而提高其穩(wěn)定性和安全性。

8 結(jié)語

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