國(guó)網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 齊道坤 席小娟 鄭月松 周鐵軍

國(guó)外最早利用電力桿塔進(jìn)行其他用途的是美國(guó)通信運(yùn)營(yíng)商，美國(guó)在上世紀(jì)70年代就嘗試在電力桿塔上加裝各類天線。美國(guó)基站數(shù)量相對(duì)較少，約為12萬(wàn)座(5G建設(shè)前)，共享鐵塔的需求相對(duì)較小，隨著5G通信的發(fā)展，共享鐵塔需求增大，其他國(guó)家共享鐵塔的文獻(xiàn)和案例較少。通信天線安裝在塔頭居中位置，機(jī)房架設(shè)在塔底，饋線沿桿塔兩側(cè)鋪設(shè)。對(duì)于在電力鐵塔上加裝通信天線，文獻(xiàn)和報(bào)道主要集中在通信天線及通信系統(tǒng)能否正常運(yùn)行，附近的移動(dòng)用戶能否正常接聽(tīng)電話。國(guó)外研究的重點(diǎn)是輸電線路對(duì)通信設(shè)備的電磁干擾，沒(méi)有考慮通信設(shè)備對(duì)強(qiáng)電的影響，當(dāng)時(shí)輸電線路的運(yùn)維設(shè)備很少，未見(jiàn)有相關(guān)的研究。

目前國(guó)內(nèi)的電力與通信共享?xiàng)U塔的研究，仍停留在傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)技術(shù)研究，尚未開(kāi)展三維設(shè)計(jì)建模，沒(méi)有進(jìn)行三維場(chǎng)景內(nèi)的正向搭載5G設(shè)備的能力、安全間距和桿塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的校驗(yàn)技術(shù)研究，已不能滿足目前國(guó)網(wǎng)正在推廣的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)和綜合數(shù)字化管理的需要，為此提出三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)在220kV輸電線路5G共享?xiàng)U塔中的應(yīng)用研究。

1 基于三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的220kV 輸電線路5G共享?xiàng)U塔設(shè)計(jì)

此次設(shè)計(jì)220kV輸電線路5G共享?xiàng)U塔分為以下步驟：基于輸電三維設(shè)計(jì)成果采用三維仿真技術(shù)、矢量參數(shù)化建模技術(shù)構(gòu)建輸電線路仿真場(chǎng)景。采用數(shù)值建模、模擬仿真等方法開(kāi)展5G設(shè)備空間布置，綜合線路運(yùn)行情況下的周邊環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)相線系統(tǒng)空間姿態(tài)的模擬，對(duì)共享鐵塔上5G設(shè)備的典型布置方式、導(dǎo)線架線方式、5G共享?xiàng)U塔走線進(jìn)行設(shè)計(jì)。運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)基本理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析5G設(shè)備對(duì)桿塔材料布置、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等的影響。建立典型的設(shè)計(jì)方案，為安全、快速建設(shè)5G共享?xiàng)U塔提供新的技術(shù)手段。

1.1 基于三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的5G 共享設(shè)備空間布置

由于5G設(shè)備的體積和重量明顯大于輸電桿塔上的常規(guī)設(shè)備，為此需在220kV輸電線路5G共享?xiàng)U塔設(shè)計(jì)中對(duì)5G設(shè)備的空間布局進(jìn)行合理規(guī)劃，保證220kV輸電線路5G共享?xiàng)U塔的穩(wěn)定性，220kV輸電線路5G共享?xiàng)U塔極有可能會(huì)隨著時(shí)間的變化而發(fā)生變形，因此如何合理地進(jìn)行安置是5G共享?xiàng)U塔設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，5G設(shè)備的特性對(duì)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(shù)對(duì)5G設(shè)備的安放位置和塔頭部分架線方式進(jìn)行精確設(shè)計(jì)，在盡量不增加塔頭尺寸的前提下合理地安放相應(yīng)的設(shè)備[1]。利用計(jì)算機(jī)三維圖形技術(shù)，結(jié)合輸電線路三維設(shè)計(jì)模型快速構(gòu)建線路局部或全部場(chǎng)景三維模型，并以此為基礎(chǔ)開(kāi)展三維空間布置設(shè)計(jì)。

首先將220kV輸電線路5G共享?xiàng)U塔的基本參數(shù)輸入到三維數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)，建立220kV輸電線路5G共享?xiàng)U塔模型，參數(shù)包括220kV輸電線路5G共享?xiàng)U塔外觀尺寸、重量、導(dǎo)平投影等，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)到三維數(shù)字化模型中，以此可以得到一個(gè)與實(shí)際相符的220kV輸電線路5G共享?xiàng)U塔三維模型[2]。然后將需要安裝的5G設(shè)備安裝區(qū)域范圍、設(shè)備重量、設(shè)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(guò)對(duì)數(shù)據(jù)迭代計(jì)算，得到5G設(shè)備最佳安放位置，以5G設(shè)備安裝區(qū)域范圍內(nèi)對(duì)220kV輸電線路5G共享?xiàng)U塔施加最小的力作為制約條件，利用以下公式進(jìn)行計(jì)算分析：minw=。

式中，w表示5G設(shè)備對(duì)220kV輸電線路5G共享?xiàng)U塔施加最小的力；n表示5G設(shè)備安裝區(qū)域范圍內(nèi)可以安裝5G設(shè)備的第n個(gè)位置；g表示5G設(shè)備的重量；h表示5G設(shè)備的重量加速度；e表示5G設(shè)備與220kV輸電線路5G共享?xiàng)U塔接觸面積[3]。利用上述公式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)每個(gè)安裝位置進(jìn)行迭代計(jì)算，直到上述公式成立為止，此時(shí)計(jì)算結(jié)果輸出，按照計(jì)算結(jié)果對(duì)5G設(shè)備進(jìn)行安裝和布局。

1.2 基于三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的5G 共享塔頭部分的架線方式設(shè)計(jì)

對(duì)5G共享設(shè)備安裝位置計(jì)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?xiàng)U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(duì)現(xiàn)有的5G共享塔頭部分的架線策略進(jìn)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(gè)架線方式；d表示該架線方式的線路長(zhǎng)度；y表示該架線方式所設(shè)計(jì)的線路數(shù)量[4]。利用上述公式對(duì)5G共享塔頭部分的架線方式進(jìn)行迭代計(jì)算，當(dāng)?shù)忍?hào)兩邊滿足條件時(shí)輸出計(jì)算結(jié)果，為5G共享塔頭部分最佳架線策略，以該方式進(jìn)行5G共享塔頭部分的架線，以此完成基于三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的5G共享塔頭部分的架線方式設(shè)計(jì)。

1.3 5G 共享?xiàng)U塔走線設(shè)計(jì)

在輸電桿塔三維設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上擴(kuò)展桿塔精細(xì)化模型，建立節(jié)點(diǎn)板、螺栓、法蘭、爬梯等附件的桿塔精細(xì)化明顯。此次以5G共享?xiàng)U塔布置線路最短為基準(zhǔn)，在桿塔精細(xì)化模型中輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，利用桿塔精細(xì)化模型計(jì)算出一條最短5G共享?xiàng)U塔的走線路徑：f=kn+o。式中，f為5G共享?xiàng)U塔的典型布置走線路徑；k表示桿塔精細(xì)化模型初始節(jié)點(diǎn)到n節(jié)點(diǎn)的實(shí)際代價(jià)；o表示桿塔精細(xì)化模型從n節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的估計(jì)代價(jià)[5]。利用上述公式計(jì)算出220kV輸電線路5G共享?xiàng)U塔走線路徑，按照該路徑對(duì)5G共享?xiàng)U塔進(jìn)行典型布置，以及走線設(shè)計(jì)。

1.4 5G 共享?xiàng)U塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響的計(jì)算和校驗(yàn)

5G設(shè)備體積大、重量大，安裝設(shè)備后對(duì)桿塔施加額外的風(fēng)荷載和重力荷載。保障輸電線路運(yùn)行安全是共享?xiàng)U塔的前提，由于5G設(shè)備的影響需要通過(guò)理論推導(dǎo)和試驗(yàn)相結(jié)合的手段研究5G設(shè)備對(duì)桿塔受力的影響，為了簡(jiǎn)化該流程，此次采用三維數(shù)字化技術(shù)對(duì)5G共享?xiàng)U塔進(jìn)行受力分析。通過(guò)輸電線路三維設(shè)計(jì)模型構(gòu)建的場(chǎng)景利用狀態(tài)方程或動(dòng)態(tài)力學(xué)平衡算法對(duì)絕緣金具、跳線、導(dǎo)線等進(jìn)行空間姿態(tài)計(jì)算和模擬[6]。

一般情況下，220kV輸電線路5G共享?xiàng)U塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)的條件為：220kV輸電線路5G共享?xiàng)U塔結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力不得大于許用應(yīng)力，許用應(yīng)力值大小根據(jù)實(shí)際情況而定。以220kV輸電線路5G共享?xiàng)U塔許用應(yīng)力為依據(jù)建立220kV輸電線路5G共享?xiàng)U塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度門限，并在三維數(shù)字化受力曲線中進(jìn)行標(biāo)識(shí)，運(yùn)用以下計(jì)算公式對(duì)220kV輸電線路5G共享?xiàng)U塔進(jìn)行應(yīng)力判斷：r≤p。式中，r表示220kV輸電線路5G共享?xiàng)U塔結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值；p表示220kV輸電線路5G共享?xiàng)U塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度門限值，該門限值的計(jì)算公式為p=erwq。

式中，e表示安裝設(shè)備后對(duì)桿塔施加額外的風(fēng)荷載；r表示安裝設(shè)備后對(duì)桿塔施加額外的重力荷載；w表示220kV輸電線路5G共享?xiàng)U塔重量；q表示220kV輸電線路5G共享?xiàng)U塔與地面接觸面積。通過(guò)以上計(jì)算分析實(shí)現(xiàn)5G共享?xiàng)U塔的受力分析和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校驗(yàn)，檢驗(yàn)220kV輸電線路5G共享?xiàng)U塔是否滿足設(shè)計(jì)要求，以此完成了基于三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的220kV輸電線路5G共享?xiàng)U塔設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

實(shí)驗(yàn)以某220kV輸電線路為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該輸電線路長(zhǎng)度為2500m，最低點(diǎn)高程為256m，最高點(diǎn)高程為543m，線路平均高程為289m，實(shí)驗(yàn)利用此次設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法對(duì)該220kV輸電線路5G共享?xiàng)U塔進(jìn)行設(shè)計(jì)。該220kV輸電線路5G共享?xiàng)U塔電壓等級(jí)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(dǎo)線采用的是2HJ/ADD-500/354，塔桿建設(shè)環(huán)境為：覆冰厚度15mm，基本風(fēng)速26m/s。計(jì)劃塔桿需要搭載的5G設(shè)備共8個(gè)，總重量為154kg。

將以上220kV輸電線路5G共享?xiàng)U塔基本數(shù)據(jù)輸入到三維數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)上進(jìn)行建模，設(shè)計(jì)220kV輸電線路5G設(shè)備布置方案、5G共享塔頭部分的架線方案，以及5G共享?xiàng)U塔的典型布置、走線方案，對(duì)220kV輸電線路5G共享塔桿結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和分析：抗壓強(qiáng)度28.4MPa、橫向荷載系數(shù)5.481、最大承載力37.8MPa、許用應(yīng)力52.4MPa、最大應(yīng)力值44.1MPa。

按照兩種方法設(shè)計(jì)的220kV輸電線路5G共享?xiàng)U塔進(jìn)行建設(shè)施工，各搭建50個(gè)。利用水平測(cè)量?jī)x和傾角測(cè)量?jī)x對(duì)220kV輸電線路5G共享塔桿傾斜角度進(jìn)行測(cè)量，每周測(cè)量一次，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為200天，對(duì)比兩種方法設(shè)計(jì)的220kV輸電線路5G共享?xiàng)U塔在200天內(nèi)的傾斜情況，《220kV輸電線路5G共享塔桿設(shè)計(jì)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(guò)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(wú)明顯變化，塔桿質(zhì)量良好；如果超出該標(biāo)準(zhǔn)，則說(shuō)明220kV輸電線路5G共享塔桿力學(xué)結(jié)構(gòu)較差，設(shè)計(jì)不合理。

實(shí)驗(yàn)隨機(jī)抽取8個(gè)220kV輸電線路5G共享塔桿傾斜測(cè)量數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用電子表格對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效記錄，設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出，此次使用提出方法設(shè)計(jì)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(shuō)明此次設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的220kV輸電線路5G共享塔桿力學(xué)結(jié)構(gòu)良好；而傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的220kV輸電線路5G共享塔桿在實(shí)驗(yàn)期間內(nèi)傾斜角度已經(jīng)超過(guò)規(guī)定范圍，并遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)方法，因此實(shí)驗(yàn)證明了三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)在220kV輸電線路5G共享?xiàng)U塔中具有良好的應(yīng)用價(jià)值，基于三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的220kV輸電線路5G共享?xiàng)U塔設(shè)計(jì)方法具有良好的可行性。

綜上，此次研究建立一套5G共享?xiàng)U塔的三維設(shè)計(jì)、三維校驗(yàn)、數(shù)字化移交的標(biāo)準(zhǔn)化流程。制定共享?xiàng)U塔數(shù)字化模型的建模內(nèi)容和方法，形成實(shí)現(xiàn)共享?xiàng)U塔的數(shù)字化移交方案和相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。理論推導(dǎo)結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)解決5G共享?xiàng)U塔結(jié)構(gòu)三維場(chǎng)景內(nèi)的受力計(jì)算難題，保證共享?xiàng)U塔的運(yùn)行安全問(wèn)題；提出輸電線路桿塔搭載5G基站三維數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，開(kāi)發(fā)輸電線路桿塔搭載5G基站三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景內(nèi)的5G加載設(shè)備電氣和結(jié)構(gòu)校驗(yàn)。