三维数字化设计技术在220kV输电线路5G共享杆塔中的应用

国网河南省电力公司经济技术研究院 齐道坤 席小娟 郑月松 周铁军

国外最早利用电力杆塔进行其他用途的是美国通信运营商，美国在上世纪70年代就尝试在电力杆塔上加装各类天线。美国基站数量相对较少，约为12万座(5G建设前)，共享铁塔的需求相对较小，随着5G通信的发展，共享铁塔需求增大，其他国家共享铁塔的文献和案例较少。通信天线安装在塔头居中位置，机房架设在塔底，馈线沿杆塔两侧铺设。对于在电力铁塔上加装通信天线，文献和报道主要集中在通信天线及通信系统能否正常运行，附近的移动用户能否正常接听电话。国外研究的重点是输电线路对通信设备的电磁干扰，没有考虑通信设备对强电的影响，当时输电线路的运维设备很少，未见有相关的研究。

目前国内的电力与通信共享杆塔的研究，仍停留在传统的二维设计技术研究，尚未开展三维设计建模，没有进行三维场景内的正向搭载5G设备的能力、安全间距和杆塔结构强度的校验技术研究，已不能满足目前国网正在推广的三维数字化设计技术和综合数字化管理的需要，为此提出三维数字化设计技术在220kV输电线路5G共享杆塔中的应用研究。

1 基于三维数字化设计技术的220kV 输电线路5G共享杆塔设计

此次设计220kV输电线路5G共享杆塔分为以下步骤：基于输电三维设计成果采用三维仿真技术、矢量参数化建模技术构建输电线路仿真场景。采用数值建模、模拟仿真等方法开展5G设备空间布置，综合线路运行情况下的周边环境数据实现相线系统空间姿态的模拟，对共享铁塔上5G设备的典型布置方式、导线架线方式、5G共享杆塔走线进行设计。运用结构力学基本理论结合实验数据分析5G设备对杆塔材料布置、结构强度等的影响。建立典型的设计方案，为安全、快速建设5G共享杆塔提供新的技术手段。

1.1 基于三维数字化设计技术的5G 共享设备空间布置

由于5G设备的体积和重量明显大于输电杆塔上的常规设备，为此需在220kV输电线路5G共享杆塔设计中对5G设备的空间布局进行合理规划，保证220kV输电线路5G共享杆塔的稳定性，220kV输电线路5G共享杆塔极有可能会随着时间的变化而发生变形，因此如何合理地进行安置是5G共享杆塔设计的基础和关键，5G设备的特性对新建杆塔和改造提出了更高的要求。此次利用三维仿真技术对5G设备的安放位置和塔头部分架线方式进行精确设计，在尽量不增加塔头尺寸的前提下合理地安放相应的设备[1]。利用计算机三维图形技术，结合输电线路三维设计模型快速构建线路局部或全部场景三维模型，并以此为基础开展三维空间布置设计。

首先将220kV输电线路5G共享杆塔的基本参数输入到三维数字化设计平台，建立220kV输电线路5G共享杆塔模型，参数包括220kV输电线路5G共享杆塔外观尺寸、重量、导平投影等，将相应的数据标识到三维数字化模型中，以此可以得到一个与实际相符的220kV输电线路5G共享杆塔三维模型[2]。然后将需要安装的5G设备安装区域范围、设备重量、设备尺寸等数据上传到建立的三维数字化模型中，三维数字化模型通过对数据迭代计算，得到5G设备最佳安放位置，以5G设备安装区域范围内对220kV输电线路5G共享杆塔施加最小的力作为制约条件，利用以下公式进行计算分析：minw=。

式中，w表示5G设备对220kV输电线路5G共享杆塔施加最小的力；n表示5G设备安装区域范围内可以安装5G设备的第n个位置；g表示5G设备的重量；h表示5G设备的重量加速度；e表示5G设备与220kV输电线路5G共享杆塔接触面积[3]。利用上述公式对数据进行计算分析，对每个安装位置进行迭代计算，直到上述公式成立为止，此时计算结果输出，按照计算结果对5G设备进行安装和布局。

1.2 基于三维数字化设计技术的5G 共享塔头部分的架线方式设计

对5G共享设备安装位置计算完成后，分析5G共享塔头部分的架线方式，将5G共享塔头部分架线所采用线路材料数据输入到建立的220kV输电线路5G共享杆塔三维数字化模型中，为了减小5G共享塔头重量，在保证220kV输电线路输电质量的前提下，以架线方式所使用的线路材料最少作为制约条件，对现有的5G共享塔头部分的架线策略进行分析，其公式为mine=。

式中，e表示5G共享塔头部分架线方式所使用的线路材料重量；n表示第n个架线方式；d表示该架线方式的线路长度；y表示该架线方式所设计的线路数量[4]。利用上述公式对5G共享塔头部分的架线方式进行迭代计算，当等号两边满足条件时输出计算结果，为5G共享塔头部分最佳架线策略，以该方式进行5G共享塔头部分的架线，以此完成基于三维数字化设计技术的5G共享塔头部分的架线方式设计。

1.3 5G 共享杆塔走线设计

在输电杆塔三维设计模型的基础上扩展杆塔精细化模型，建立节点板、螺栓、法兰、爬梯等附件的杆塔精细化明显。此次以5G共享杆塔布置线路最短为基准，在杆塔精细化模型中输入相关数据，利用杆塔精细化模型计算出一条最短5G共享杆塔的走线路径：f=kn+o。式中，f为5G共享杆塔的典型布置走线路径；k表示杆塔精细化模型初始节点到n节点的实际代价；o表示杆塔精细化模型从n节点到目标节点的估计代价[5]。利用上述公式计算出220kV输电线路5G共享杆塔走线路径，按照该路径对5G共享杆塔进行典型布置，以及走线设计。

1.4 5G 共享杆塔结构强度影响的计算和校验

5G设备体积大、重量大，安装设备后对杆塔施加额外的风荷载和重力荷载。保障输电线路运行安全是共享杆塔的前提，由于5G设备的影响需要通过理论推导和试验相结合的手段研究5G设备对杆塔受力的影响，为了简化该流程，此次采用三维数字化技术对5G共享杆塔进行受力分析。通过输电线路三维设计模型构建的场景利用状态方程或动态力学平衡算法对绝缘金具、跳线、导线等进行空间姿态计算和模拟[6]。

一般情况下，220kV输电线路5G共享杆塔结构强度满足设计的条件为：220kV输电线路5G共享杆塔结构最大应力不得大于许用应力，许用应力值大小根据实际情况而定。以220kV输电线路5G共享杆塔许用应力为依据建立220kV输电线路5G共享杆塔结构强度门限，并在三维数字化受力曲线中进行标识，运用以下计算公式对220kV输电线路5G共享杆塔进行应力判断：r≤p。式中，r表示220kV输电线路5G共享杆塔结构最大应力值；p表示220kV输电线路5G共享杆塔结构强度门限值，该门限值的计算公式为p=erwq。

式中，e表示安装设备后对杆塔施加额外的风荷载；r表示安装设备后对杆塔施加额外的重力荷载；w表示220kV输电线路5G共享杆塔重量；q表示220kV输电线路5G共享杆塔与地面接触面积。通过以上计算分析实现5G共享杆塔的受力分析和结构强度校验，检验220kV输电线路5G共享杆塔是否满足设计要求，以此完成了基于三维数字化设计技术的220kV输电线路5G共享杆塔设计。

2 实验论证分析

实验以某220kV输电线路为实验对象，该输电线路长度为2500m，最低点高程为256m，最高点高程为543m，线路平均高程为289m，实验利用此次设计方法与传统方法对该220kV输电线路5G共享杆塔进行设计。该220kV输电线路5G共享杆塔电压等级为220kV，输送功率为562MVA，回路数量为单回路，线路采用的是12芯AUIDH+ADFF-150铝包钢绞线，导线采用的是2HJ/ADD-500/354，塔杆建设环境为：覆冰厚度15mm，基本风速26m/s。计划塔杆需要搭载的5G设备共8个，总重量为154kg。

将以上220kV输电线路5G共享杆塔基本数据输入到三维数字化设计平台上进行建模，设计220kV输电线路5G设备布置方案、5G共享塔头部分的架线方案，以及5G共享杆塔的典型布置、走线方案，对220kV输电线路5G共享塔杆结构力学参数进行计算和分析：抗压强度28.4MPa、横向荷载系数5.481、最大承载力37.8MPa、许用应力52.4MPa、最大应力值44.1MPa。

按照两种方法设计的220kV输电线路5G共享杆塔进行建设施工，各搭建50个。利用水平测量仪和倾角测量仪对220kV输电线路5G共享塔杆倾斜角度进行测量，每周测量一次，实验时间为200天，对比两种方法设计的220kV输电线路5G共享杆塔在200天内的倾斜情况，《220kV输电线路5G共享塔杆设计规范》GB/T12622-2010中明确规定，220kV输电线路5G共享塔杆倾斜不得超过0.45°，在该范围以内表示220kV输电线路5G共享塔杆姿态无明显变化，塔杆质量良好；如果超出该标准，则说明220kV输电线路5G共享塔杆力学结构较差，设计不合理。

实验随机抽取8个220kV输电线路5G共享塔杆倾斜测量数据作为实验数据，利用电子表格对数据进行有效记录，设计方法与传统方法分别为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°。

从实验数据可看出，此次使用提出方法设计的220kV输电线路5G共享塔杆倾斜角度较小，均未超出0.45°，最小倾斜角度为0.009°，说明此次设计方法设计的220kV输电线路5G共享塔杆力学结构良好；而传统方法设计的220kV输电线路5G共享塔杆在实验期间内倾斜角度已经超过规定范围，并远大于设计方法，因此实验证明了三维数字化设计技术在220kV输电线路5G共享杆塔中具有良好的应用价值，基于三维数字化设计技术的220kV输电线路5G共享杆塔设计方法具有良好的可行性。

综上，此次研究建立一套5G共享杆塔的三维设计、三维校验、数字化移交的标准化流程。制定共享杆塔数字化模型的建模内容和方法，形成实现共享杆塔的数字化移交方案和相关技术标准。理论推导结合试验数据解决5G共享杆塔结构三维场景内的受力计算难题，保证共享杆塔的运行安全问题；提出输电线路杆塔搭载5G基站三维数字化设计方法，开发输电线路杆塔搭载5G基站三维数字化设计技术，实现三维场景内的5G加载设备电气和结构校验。