三维设计在架空输电线路建设中的应用

李乾飞

璞信电力工程设计有限公司 武汉 430040

1 研究背景

架空输电线路是电力系统的重要组成部分,是实现电力输送的基础设施,是提高供电稳定性与安全性的关键,直接影响变电站的安全可靠运行及国民经济的发展[1]。以110 kV架空输电线路为例,一般单条线路路径长度在10 km～20 km之间,或多或少会与公路、铁路、河流,以及其它电压等级的架空输电线路平行或交叉,因此,在设计阶段对路径选择、交叉跨越等有很高的要求。对此,笔者研究三维设计在架空输电线路建设中的应用。

笔者在设计时应用道亨三维设计平台,这一平台主要包括数字化选线系统、架空输电线路三维设计系统、金具三维组装系统和交叉跨越三维设计系统等。

2 前期勘测

无人机航拍后,可提供数字高程模型、文档对象模型等数据,同期进行坐标系选用及控制点合理设置等工作,并进行数据加密,利用这些数据在三维设计平台上进行路径初选及优化处理[2-4]。

在项目立项后,录入电力线、通信线、管线、独立地表附着物及附属设施等的属性和数量,并将形成的数据文件加载至三维设计平台。

基于正摄影像,叠加等高线、坐标线,以及其它相关交叉跨越信息数据,形成全数字三维影像地形图。正摄影像可以通过无人机方式拍摄,高程精度为10～20 cm,相比激光雷达点云数据和倾斜摄影,价格便宜,但数据量相对较少。一般获取输电线路三维地理信息时,均采用正摄影像技术,这样基本能够满足输电线路三维可行性研究阶段和初步设计阶段的要求。在施工图阶段,还需要进行房屋、通信线、电力线、公路、铁路等路径障碍物的现场测量,然后再进行建模。

3 设计

3.1 数字化选线

在三维场景中,依托电网各种数据及相关交叉跨越信息,借助数字高程模型和文档对象模型数据来模拟真实的地形地貌情况,通过测量完成三维数据建模后,在数字三维影像地形图中进行路径选线作业。这样做,相比传统方式选线有较大优势,沿线地形地貌、地表附着物等信息一目了然,尤其是现场的重要交叉跨越位置,如高速铁路、高速公路、重要输电通道等,为设计人员提供了必要的数据支撑,进而得到最优的选线路径[5-6]。

3.2 杆塔定位

杆塔定位是架空输电线路设计中的关键部分,直接影响后期施工阶段时的占地协调、树木砍伐及相关交叉跨越的安全距离。传统设计时,杆塔定位图包括断面图和平面图两部分,虽然可以在断面图中看到相关数据信息,但是不够直观。杆塔定位断面图如图1所示,平面图如图2所示。

图1 杆塔定位断面图

图2 杆塔定位平面图

相比传统杆塔定位断面图和平面图,在三维设计平台中,结合三维地形地貌数据,可以实现三维立塔、移动塔、删除塔、替换塔、升降塔等操作,并可以在调整杆塔的过程中实时进行安全距离校验,依据三维影像进行输电线路路径选择及优化。在三维软件中,可以实时显示杆塔定位设计图,如图3所示。

基于杆塔定位校验的结果,三维设计平台可以自动完成金具串匹配,并快速进行相关材料量的统计工作,节约人力,缩短设计时间。应用三维设计,不仅可以直观地显示相关地表信息,而且能够使设计人员、评审人员及后期施工人员清晰了解每一基杆塔的周边地形地貌,并模拟输电线路竣工后的场景,为杆塔定位提供了决策性的数据支持。

图3 杆塔定位设计图

3.3 金具组装及校验

在金具三维组装系统中,可以实现金具的模块化组装、三维可视化组装,为后期施工图阶段金具出图奠定基础。根据组装图册或部件连接关系,完成输电线路金具串的组装设计工作,输出组装图、材料表、三维实体串模型等文件。系统会校核各部件的连接配合情况,尤其是金具第一连接挂点与铁塔预留挂线孔的匹配,避免实际施工安装过程中出现问题。金具校验如图4所示。

图4 金具校验

3.4 距离测量

通过现场调绘及终勘杆塔定位后,输电线路走廊范围内的房屋、树木、河流、公路,以及其它电力通信线路等信息可作为矢量立方体转换至三维设计平台,便于进行三维空间的水平距离、竖直距离、斜距和方位角等的测量,以及对居民住宅、电力线路和其它特殊交叉跨越物安全距离的计算分析,满足国家电网十八项反事故措施及相关手册规范等的要求[7-8]。

3.5 通道清理

利用航拍数据进行房屋、林木实景建模,绘制空间控制面,实现对房屋拆迁、林木砍伐的精确设计。多角度观察三维走廊环境,准确获取房屋、公路、铁路、河流等的位置与高程信息,为实现精细化设计创造条件[9]。基于三维场景,可以在地表基础上绘制树木自然生长高度面,与砍伐控制面交汇并投影,从而形成精确的树木砍伐范围。这样做避免了传统二维平台下无法计算丘陵、山区树木砍伐信息的缺点。通道清理如图5所示。

图5 通道清理

4 施工

对施工过程进行三维仿真,通过模拟现场地形地貌,可以便捷规划沿线进场的临时道路,合理利用现有资源,减少对环境的破坏。同时可以提前发现施工中可能存在的难点,以便在实际施工中采取有效措施克服技术难点,从而实现对项目的可控性,降低输电线路的施工成本,优化施工方案。这样做,还可以推进输电线路工程施工管理模式转变,真正实现输电线路施工的精细化管理,提高施工效率和效益[10]。

5 结束语

笔者对三维设计在架空输电线路建设中的应用进行了研究。在三维设计应用时,采用全流程设计和多窗口联动的杆塔定位技术,有效减少人力、物力的投入,减小设计返工量。应用三维设计,实现了各种施工图设计模块的有机集成,通过三维精细化设计和校验,有效提高了工程设计的准确性。在三维场景中,可以快捷进行交叉跨越分析等工作,进而减小工程建设对环境的影响,达到预期的社会及经济效益。