三维技术在输电线路结构设计中的应用

中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司 李 鑫

1 引言

随着科技的不断进步，三维技术的应用越来越广泛。这项技术可以提供全方位的空间感知立体化互动式观察。在三维技术的支持下，可以更加直观地了解和观察物体的形状、大小、颜色和结构等信息。这种观察方式不仅更加方便，而且更加准确。另外，三维技术还可以提供多样性高级辅助分析功能。在科学研究和教育教学中，三维技术可以帮助人们更好地理解和掌握复杂的概念和理论，提供直观的展示和演示，让学习者更快地掌握知识。

2 三维技术概述

在电力行业中，数字化和智能化技术的应用正在迅速发展，其中三维技术是数字智能化的一部分，可以用于设计虚拟配电线路方案。三维技术由二维和一维叠合而成，存在多方向交错，这种设计方法可以使得电力公司更加准确地预测和设计输电线路，从而提高效率和降低成本。智能集成化输电线路三维协同设计技术正在被越来越多的电力公司采用，这种技术可以实现不同领域专家之间协同设计，从而更好地满足客户需求。通过三维技术，电力公司可以更好地预测输电线路工作情况，提高信号传输的稳定性和可靠性。在输电线路的设计中，三维技术可以发挥重要作用，帮助电力公司更好地预测输电线路状况，以便进行故障排除和维修，同时三维技术还可以帮助电力公司更好地规划输电线路，从而更好地满足客户的需求。

3 三维数字化功能分析

3.1 基础功能

三维数字化技术在现代工程领域中扮演着越来越重要的角色。在这些技术中，基础功能是核心功能之一，在输电线路工程中，视图浏览不可或缺，视图浏览可以帮助工程师对输电线路进行全方位的观测和分析，从而确认线路的位置、高度、角度、长度等信息，有利于确定工程施工方案和设计方案。另外，录像、截图等功能同样可以在输电线路工程发挥作用，辅助完成空间分析，例如通过录制视频可以对线路进行动态观测，从而更加全面地了解线路情况，而截图则可以帮助工程师对线路进行详细静态分析，以确定线路细节信息。不同基础功能在输电线路工程中能够发挥出的作用具有较大差异，在某些情况下，视图浏览可能会成为决策的关键因素，而在另一些情况下，录像或截图则可能更加重要。

3.2 数据功能

采集到的数据能够以三维模型的方式表现出来，工程师们能够更加直观地了解设计方案。通过这种方式，设计者们能够更好地预测线路的运行情况，并提前发现潜在的风险因素，从而采取相应的措施来避免事故的发生，这种技术的应用能够提高工程师设计效率，同时也能够降低设计错误率，保证输电线路工程的质量和安全[1]。

4 三维技术在输电线路中的应用

4.1 工程概述

以某一工程基础设计为例进行基础设计，杆塔位于水田中，含有丰富地下水，在6m 以内是可塑性的粉质黏土层，6m 以下是强风化片麻岩，基础向上拉力是250kN，地基与土路的间距是50m 。根据杆塔位置，基础方式有两种：分别为平板基础和桩基。在使用平板基础情况下，地基混凝土体积为7.18m3，钢筋为461.37kg。当使用钻孔灌注桩基时，地基的混凝土体积为4.16m3，钢筋为344.22kg。从材料量上看，板式基的混凝土用量要大于钻孔桩基，但因施工费用的不同，板式基的造价要低2000元。

4.2 总体设计

4.2.1 硬件设计与实现

本项目面向高精度输电线建设需求，通过优化3D-SiC 传感器，完善感知电路及感知立体构架，实现高精度输电线空间分布。三维测量系统利用恒压电桥作为测量元件，在传统的测量支撑结构上添加合适的组桥方式，并通过微分控制实现测量；三个全桥由霍尔元件串联，输出负载在X,Y,Z 三个方向上的负载。该方法利用霍尔输出的感应量为差模，消除了3DSC 中的不平衡电压，并以此不平衡电压为共模，放大了霍尔单元的输出。采用恒流源供电。本项目拟利用3-D 剪裁式结构，将应变片沿R1-R4轴向均匀排列，将其置于Y,Z 轴构成的平面内，重新界定感知信号的3-D 关系，实现最优测量精度。

4.2.2 基于三维技术的施工缺陷数据库构建

三维传感器获取图像并通过渲染技术进行处理已经成为业内的一种常见做法，这种方法利用渲染技术对采集到的图像进行多分辨率处理，建立数据金字塔，从而实现快速浏览和高效处理。为了更好地利用这种方法，建立相应缺陷数据库极为必要，通过对三维数据进行分割和提取，可以快速地浏览和识别缺陷，从而建立工程缺陷样本库，并对样本点进行标注。在后续的工作中就可以利用这些样本点进行仿真和模拟，以保证对工程现场样本缺陷仿真程度。为了降低数据复杂性和I0吞吐率，可以采用三维技术实现数据块的渲染，通过简化原始图像，可以提高对多面体数据的访问和渲染速度。这样就可以让三维技术更好地应用于实际工程中。

4.3 三维杆塔模型

在输电线路中，杆塔是不可或缺的重要部分。而杆塔的建模也是输电线路设计中的关键环节之一。杆塔模型的形式有多种，不同形式的模型适用于不同的设计需求。杆塔模型的建模主要分为基本模型和精细模型，数字化建模是将杆塔的实际形态和结构通过计算机软件进行三维建模，数字化参模则是将杆塔的实际材料和物理特性输入到计算机软件中，使得模型能够在计算机上进行物理仿真。包括线路的电气参数和杆塔的电位特性。这是因为输电线路的设计不仅要考虑结构的稳定性，还要考虑电气的性能，因此基本模型的建模必须兼顾结构和电气两个方面。精细模型则利用单根线形模型进行空间结构计算，生成符合设计需求、满足铁塔加工要求的仿真模型，单根线形模型是将杆塔的结构按照单根杆塔进行建模，通过计算机软件进行空间结构计算，最终生成符合设计要求的仿真模型。这种模型的精度更高，能够更好地满足设计需求。

5 三维绝缘子串设计

5.1 模型要求

绝缘子串是电力系统中重要组成部分，用于在电线和电杆之间传递电力信号，为了确保电力系统稳定性和安全性，必须对绝缘子串进行严格质量控制和测试，其中绝缘子串标准模型是评估绝缘子串性能的重要工具。绝缘子串标准模型按照设计需求和规范要求进行组装，模型必须与实际工程相吻合，并反映实际材料状况，如此才能得到准确的测试结果，从而保证电力系统安全和稳定。绝缘子串模型的空间位置和连接方式也非常重要，其必须正确并与实际施工相适应，如果绝缘子串模型的空间位置和连接方式不正确，就无法得到准确的测试结果，这可能会导致电力系统出现故障，从而对人们生命和财产造成威胁[2]。

标准模型应该是一个挠性模型，能够进行旋转或移动，以更精确地检测复杂电气间隙状态，如此便可以更好地评估绝缘子串性能，并发现潜在的问题，如果不能检测到这些问题，电力系统的安全和稳定可能会受到威胁。最后，可以加入多维额外参数来应用于材料采购、施工预装配、维护维修等方面，这可以更好地控制成本和提高效率，例如可以使用这些参数来评估材料质量，并预测维护和维修的成本。

5.2 建模方法

在建立绝缘子串基本数学模型的过程中，对绝缘子串的长度、级数、隔离步距等电学参数进行了参数化处理。为了实现绝缘子串的智能装配，需要将绝缘子串的几何图形和参数化模型有机地融合在一起，绝缘体与设备之间的相互影响取决于接点形状和尺寸等参量。

6 全过程与全专业三维数字化协调设计

随着数字化技术的发展，数字化电网设计已经成为电力行业的重要趋势。数字化电网设计可以帮助电力公司更加高效、精确地规划、建设和运营电网，提高电网的可靠性、安全性和经济性。但是，数字化电网设计并不是一件简单的事情，需要经过一系列复杂的步骤才能完成。

在选线过程中，需要确定电网的路线和路径，这个过程需要考虑多种因素，包括地理环境、土地使用、社会影响、环保要求等，为了确保电网的可靠性和安全性，还需要考虑电网的通信和控制系统。在进行选线的过程中，通常采用手动排位的方法对规划路线进行人工调整，并结合主题数据和运行经验确定路径，在进行杆塔排位过程中，需要将选定电网路线分段，并对每一段进行杆塔排位。在这个过程中，需要考虑多种因素，包括电线的负荷、跨越、支撑等，在输入选择结果并生成线路断面图之后，可以根据设计平台自动功能进行初步排序，这个过程中需要综合考虑多种因素，包括安全性、可靠性和经济性等[3]。

除了预排之外，线路路径也是设计中不可忽视的一环，为了确定最优路线，需要使用工程特征统计模块对沿线房屋拆迁量、树木砍伐量进行计算，并根据计算结果确定最优路线。此外，杆塔排位优化也是设计中必须考虑的因素，需要使用平面剖面图和结构专业的塔形提子进行优化。在确定线路路径和杆塔排位之后，需要进行电气计算，电气计算包括电气受力计算、地线特性计算、定位计算、附件配置和间隙校准等多个方面。在电气计算过程中，需要考虑多种因素，以确保电力线路的安全稳定运行。柱设计和柱确认模块则用于进行基础布置和确认，确保电力线路的基础结构稳固可靠。

另外，采用三维仿真技术也可以对导线在风偏条件下的位移进行模拟，从而更好地预测导线在实际运行中的情况。这一技术的应用，可以为电力行业提供更加准确和可靠的设计方案。空间测距功能也是三维建模技术的一个重要应用。该功能可以迅速测量导线与铁塔任意杆件之间的距离，从而保证导线与杆件之间的安全距离，兼顾构件的安全性能，这一功能的应用，可以为电力行业带来更加高效和安全的工作环境。

7 参数化模型校验

目前三维平台上的杆塔模型只能显示塔身尺寸，而无法用参数化方法建模连接部位和吊索部位。这种情况下，设计师需要根据经验和手动计算来确定这些部位的尺寸和位置，这不仅浪费时间，而且容易出现误差[4]。因此，需要一种更高效、更精确的方法来建模和校验杆塔模型。三维平台上的杆塔模型越精细，对计算机的要求就越高。为了避免计算机性能的瓶颈影响模型的完整性和准确性，需要为关键校验构件设置专用校验窗口。这样可以确保这些构件的尺寸和位置得到准确的计算和校验，同时也避免了计算机运行速度过慢的问题，这种方法不仅可以帮助设计师更好地优化杆塔结构，还可以避免在实际施工中出现不必要的问题和延误。此外，三维参数化建模方法还可以帮助设计师更好地控制杆塔的重量和尺寸，从而提高其稳定性和安全性。

8 结语

在电力工程中，杆塔是电力线路中最重要的构件之一。因此，为了确保电力线路的稳定运行，需要进行杆塔的基础选型和设计，以满足电力线路的要求。为了实现基础选型规范的统一和提高基础设计效率，可以利用三维设计平台和多指标选配方法，如此便能够以统一的标准进行基础选型，同时提高基础设计的效率。