110kV架空输电线路初步设计.doc

110kV架空线路初步设计 目录前言第一章 原始资料介绍1第二章 设计说明书2 第一节 路径的选择2 第二节 导线及避雷线部分2 第三节 导体的应力及弧垂4 第四节 杆塔的选择7 第五节 杆塔基础设计11 第六节 绝缘子及金具的选择13 第七节 防雷防振及接地保护装置的选择16第三章 计算任务书18 第一节 导线截面选择及校验计算部分18 第二节 导线的应力及弧垂计算20 第三节 导线的防振设计27 第四节 杆塔头部尺寸校验29第四章 结束语31参考资料31附录一 弧垂应力曲线图32附录二 杆塔一览图33附录三 杆塔基础34附录四 绝缘配合35第一章 原始资料介绍 一、设计情况 由于国民经济的高速发展，现有城市电网难以满足工业用电及人民群众生活用电的需求，需新建一110kV架空线路,该输电线路采用单回输电方式，线路总长5km，输送功率20MW，功率因数0.8，最大利用小时数为6000小时。该地区用电量年增长率为18%。该地区处于平原，该输电线路经过的地势较平坦，相对高度较小，沿线耕地较少，多为居民区、工厂、道路等，沿线树木较少，土质含沙量大，地下水位较浅。 二、设计气象条件 表1-1 线路经过地区的自然条 气象条件 类别气 温（C）风 速(m/s)覆冰厚度(mm)最高气温+4000最低气温-2000最大风速-5300覆冰情况-51010年平均气温+1500外过电压+15100内过电压+15150安装情况-10100冰的比重0.9g/cm3 第二章 设计说明书 第一节 路径的选择 该线路从110kV（A站）构架出线至110kV（B站）进线构架线路全长5km，全线经过的地区地势较平坦，相对高度较小，沿线耕地较少，多为居民区，工厂，河流，道路等，沿线树木较少。沿途有公路到达，交通运输方便，有利于施工、运行、维护。经工作人员对本地地形反复考察绘制出的路径图如下所示。 全线导线对地最小距离为7.0米，线路与其他设施交叉跨越规定要满足下表中的要求。表2-1 交叉跨越一览表 跨越物跨越次数与跨越物的安全距离（m）河流1610kV线路33低压线路43通讯线路43道路17第二节 导线及避雷线部分 电力线路是电力系统的重要组成部分，它担负着输送和分配电能的任务，从电源向电力负荷中心输送电能的线路称作输电线路，输电线路按照结构可以分为电缆线路和架空线路，架空线路由杆塔、导线、避雷线、绝缘子、横担及金具构成。一、导线导线是固定在杆塔上输送电流的金属线，由于经常承受着拉力、冰、雨、雪以及温度变化的影响，同时还受空气中化学杂志的侵蚀，所以导线的材料除了应有良好的导电率以外，还应有足够的机械强度和防腐性能。合理的选择导线截面积，对电网安全运行和电能质量有重大意义。随着经济的快速发展，对电力的需求越来越大，35kV及以上电压等级的线路要按经济电流密度选择导线截面积，然后再校验其他技术条件。我们在选择导线的时候还应该考虑线路投运后5年的发展需要。计算公式为： -线路的最大负荷电流 -经济电流密度本设计选用的导线型号为LGJ-30040。(具体计算详见计算书)表2-2 LJG-300/40钢芯铝绞线的相关参数根数/直径计算界面积外径直流电阻计算拉断力计算质量铝钢铝钢合计24/3.997/2.663003833823.940.096922201133 二、避雷线 避雷线作用是防止雷电直接击于导线上，并把雷电流引入大地。避雷线悬挂于杆塔顶部，并在每基杆塔上均通过接地线与接地体相连接，当雷云放电雷击线路时，因避雷线位于导线的上方，雷首先击中避雷线，并藉以将雷电流通过接地体泄入大地，从而减少雷击导线的几率，起到防雷保护作用。35kV线路一般只在进、出发电厂或变电站两端架设避雷线，110kV及以上线路一般沿全线架设避雷线，避雷线常用镀锌钢绞线。避雷线根据与导线配合的原则我们选择的型号为GJ-50型。表2-3 常用导线避雷线配合表导线型号LGJ-3570LGJ-95185LGJQ-150185LGJ-240300LGJQ-240400LGJ-400LGJQ-500及以上避雷线型号GJ-25GJ-35GJ-50GJ-70第三节 导体的应力及弧垂架空线路的导线和避雷线，周期性的遭到外部荷载的作用，在导线和避雷线上产生不同的应力。这些荷载来自自身重力、冰重和风压。这些荷载可能是不均匀的，但为了方便计算一般按沿导线均匀分布进行处理。在架空线路机械计算时，常把导线受到的机械荷载用“比载”表示。 一、导线的比载 1.自重比载 导线本身重量所造成的比载称为自重比载 按下式进行计算 式中 m-每公里导线的重量； S-导线截面积。 2.冰重比载 导线覆冰时由于冰的重量所造成的比载称为冰重比载，假设冰层沿导线均匀分布成一个空心的圆柱体，冰重比载可按下式进行计算 式中 b-覆冰厚度； d-导线直径； s-导线截面积。 3.导线自重和冰重总比载 4.无冰风压比载 无冰时作用在每米每平方毫米导线上的风压荷载称为无冰时风压比载可按下式进行计算 c-风载体型系数当导线直径d17时c=1.2；当导线直径d17时c=1.1 v-设计风速； d-导线直径； s-导线截面积； a-风速不均匀系数，采用表2-4所示值。表2-4 各种风速下的风速不均匀系数设计风速m/S20以下2030303535以上a1.00.850.750.70 5. 覆冰风压比载 导线覆冰时作用在每米每平方毫米导线上的风压荷载称为无冰时风压比载可按下式进行计算 c-风载体型系数当导线直径d17时c=1.2；当导线直径d17时c=1.1 v-设计风速； d-导线直径； s-导线截面积； a-风速不均匀系数，采用表2-4所示值。 6. 无冰有风时的综合比载 无冰有风时导线上作用着垂直方向的比重和水平方向的比重按相量合成可得综合比载。 7. 覆冰有风时综合比载 导线覆冰有风时，导线上作用着垂直总比载，覆冰风压比载。按相量合成可得覆冰有风时综合比载。 当气象条件变化时，导线受温度和荷载的作用，导线材料的应力，弧垂及线长也将随着变化，不同的气象条件下导线的应力可以根据状态方程进行计算。悬挂于两杆塔间的一档导线，弧垂越大导线的应力越小，反之弧垂越小应力就越大。因此从导线强度安全角度考虑应加大弧垂从而减小应力，以提高安全系数。但是，若要片面的强调增大弧垂，为保证对地安全距离，在档距相同的条件下则必须增加杆塔高度，或在同等杆塔高度下减小档距，结果使基建投资费用大大增加，同时，增大弧垂导线固定不稳，也就增大了相间短路的机率。通常的处理方法是，在机械强度允许的范围内尽量减小弧垂。 二、临界档距 临界档距是指最大应力同时出现在最大比载和最低气温时的档距，凡小于此临界档距的实际档距导线的最大应力的控制气象条件必定是最低气温；凡大于此临界档距的实际档距导线的最大应力的气象控制条件必定是最大比载。可能出现最大应力的气候情况一般有三种：最低气温时；覆冰时；最大风速时，除上述三种情况外，再加上平均气温时最大应力为年平均运行应力的上限。根据比载控制应力，将有关数据按的值由小到大列出表格，遇到的值相同时可取较小者编入序号，舍弃较大者。表2-5 可控条件排列表出现控制应力的气象条件控制应力比载温度（）比值顺序代号最低气温108.81732.754-200.301A最大风速108.81748.967-50.450B年平均气温68.01132.754150.482C覆冰108.81761.123-50.562D 其它档距根据上面的算法即可求出，判定有效临界档距，列出有效临界档距判别表，即可求出临界档距。（计算见计算书）表2-6 临界档距控制条件判别表ABC253.269(m)i366.784(m)219.116(m)164.639(m)0177.088(m) 档距在0164.639（m）范围内由编号A所代表的条件控制；档距在164.639219.116范围内由编号C所代表的条件控制；当档距大于219.116时有编号D代表的条件控制。三、计算各种气象条件下的应力和弧垂导线的架设安装是在不同气象条件下进行的，施工时需对照事先做好的表格，查出对应的弧垂，以确定松紧程度，使其在任何气象条件都不超过允许值且满足耐振条件，并且导线对地和被跨物之间的距离符合要求，保证运行的安全。利用状态方程求出最低气温、最高气温和平均气温三种气象条件下的应力和弧垂，并作出表格。 表2-7 各温度下的应力弧垂 温度档距50100150165200220250300350400500t= -20应力108.817108.817108.817106.69102.30999.71693.58684.77678.14973.46868.806弧垂0.09410.3760.8471.0441.61.9872.7344.3476.4188.91714.876t= 15应力63.30463.17668.28268.01168.01167.95766.43664.47863.08762.1960.822弧垂0.1690.6481.3491.6392.4082.9153.8525.7157.9510.53416.829t= 40应力30.85640.10148.27849.41752.10553.34954.11255.03455.80256.57856.86弧垂0.3311.0181.9082.2563.1433.7114.7296.6968.98811.6418.001第四节 杆塔的选择 一、杆塔的作用及类型 架空线路的杆塔是用来支持导线和避雷线的，并使导线与导线，导线与避雷线，导线与大地及其它被跨越物间保持一定的安全距离，杆塔按照用途分又可以分为以下几类： 1.直线杆塔 直线杆塔包括直线水泥杆塔和直线铁杆塔等，直线杆塔用于线路的直线段上，线路正常运行时有垂直荷载和水平荷载，能支持断线和其他顺线路方向的张力，在顺线路方向张力的作用下直线杆塔的悬垂绝缘子允许偏斜，杆塔也允许有一定的绕度，直线杆塔有直线杆、直线带转角杆、直线换位杆等。 2.耐张杆塔 线路较长时一般35km还需要一基耐张杆塔，以便承受导线和避雷线的张力，耐张杆塔是用来锚固导线、限制线路故障范围、便利施工与检修的。除承受导线风压和重力外，还承受导线张力，大多数兼有转角，因此，还有角度力。故杆塔强度要求较高，结构也较复杂，钢材消耗量和造价都比较高。 3.转角杆塔转角杆塔位于线路转角处，线路转向内角的补角称为转角。 4.终端杆塔 终端杆塔位于线路的首、末端，终端杆塔是输电线路进出变电所或发电厂的最后或最初一基杆塔。其特点是一侧（线路侧）承受很大导线张力，而另一侧（变电所侧）承受很小的松弛张力。这是因为变电所门型架的设计只能承受很小的导线、避雷线张力。终端杆一般也兼转角。由于杆塔两侧导线、避雷线的不平衡张力很大，所以材料消耗量大、造价高，塔型与耐张塔相似。 5.换位杆塔 换位杆塔是110kV及以上的线路为使三相导线在空间进行换位的特种杆塔。在中性点直接接地的电力网中长度超过100km的送电线路均应换位换位循环长度不宜大于200km。本线路长50km不考虑换位。 二、杆塔型式的选择 1.杆塔选型应从安全可靠维护方便并结合施工制造地形地质和基础型式等条件进行技术经济比较。 2.在平地和丘陵等便于运输和施工的地区宜因地制宜地采用拉线杆塔和钢筋混凝土杆。 3.在走廊清理费用比较高及走廊较狭窄的地带宜采用导线三角形排列的杆塔;对非重冰区还宜结合远景规划采用双回路或多回路杆塔;在重冰区地带宜采用单回路导线水平排列的杆塔;在城市或城郊可采用钢管杆塔。 4.一般直线杆塔如需要带转角,在不增加塔头尺寸时不宜大于悬垂转角杆塔的转角角度,对和500kV及330kV以下杆塔分别不宜大于和 。 5.带转动横担或变形横担的杆塔不应用于居民区、检修困难的山区、重冰区、交叉跨越点以及两侧档距或标高相差较大容易发生误动作的杆塔位。 三、对杆塔尺寸的要求： 1.杆塔塔高及塔头尺寸应使导线在最大弧垂或最大风偏时仍能满足对地距离、对交叉跨越物、对临近地面障碍物距离的要求； 2.塔头尺寸还需满足导线之间以及导线与地线间空气间隙距离要求以及档距中央导线相间最小距离要求；对需带电作业的杆塔，还应考虑带电作业的安全空气间隙。 3.杆塔塔头结构、尺寸需满足规定风速下悬垂绝缘子串或跳线风偏后，在工频电压、操作过电压、雷电过电压作用下带电体与塔构的空气间隙距离要求； 4.地线对导线的防雷保护角要求。 四、杆塔呼称高的确定 杆塔的呼称高是指杆塔下横担下缘到设计地面的竖直距离，用H表示。杆塔呼称高的确定主要考虑导线与地面、建筑物、树木、道路、河流、各电压等级的电力线路的安全距离的要求。确定呼称高的公式为：式中-为悬垂绝缘子串长度； -为导线最大弧垂； -为发生最大弧垂时导线到设计地面的最小距离表2-8； -为施工裕度表2-8 导线对地面的最小距离 标称电压（kV） 经过地区110220330500居民区7.07.58.514非居民区6.06.57.511交通困难地区5.05.56.58.5表2-9 施工裕度档距2.411012=3168，XWP-70的最小公称爬电距离为40010=40002.411012=3168。所选绝缘子满足要求。二、金具的选择悬垂线夹选取中心回转式悬垂线夹XGU-4，耐张线夹导线选取导线用液压型耐张线夹NY300/40，避雷线选取避雷线用压缩型耐张线夹NY-50G。设计采用的安全系数：导线金具不小于2.5，避雷线金具不小于3.0。表2-17 所选金具主要尺寸型号主要尺寸标称破坏何重（kN）重量（kg）HLRCMXGU-411025013.51816403.0型号主要尺寸握力重量D1D2D3L1L2rL3NY300/404016185355511.0265883.1NY-50G1816155110315600.7 四，杆塔头部尺寸的校验 杆塔头部尺寸布置的重原则是满足导(地)线的绝缘配合，主要有以下三个方面： 1.导线与杆塔身的距离应满足大气过电压，内部过电压及正常工作电压三种电压的间隙要求，以及满足带点作业的间隙要求。 2.导线之间的水平或垂直距离，应满足按档距中央接近程度所需要的距离（包括由于风吹动而引起的不同期摆动或不均匀覆冰的影响等）. 3.避雷线的布置应满足对导线防雷保护的要求。 经校验杆塔尺寸满足下表要求。（校验过程见计算书）表2-18 规程规定空气间隙采用数值电压等级（kV）35110220雷过电压时（m）0.451.001.90操作过电压时（m）0.250.71.45工频电压时（m）0.10.250.55第七节 防雷防振及接地保护装置的选择 一、防雷保护措施 根据电力行业标准交流电气装置的过电压保护和绝缘配合(DL/T6201997)及设计规程规定，本工程采用以下措施防雷： 1.防雷本线路全线架设两根地线； 2.塔头布置两根地线之间的距离不超过地线与导线垂直距离的5倍，地线对边导线的保护角不大于20度； 3.在外过电压15度无风时，在档距中央，导线与地线间的距离满足下式要求：S=0.012L+1； 式中S-档距中央导线与地线间的距离(m)； L档距(m) （计算条件为15、无冰、无风）。 二、防振措施 导线的振动和舞动对导线的危害较大，引起导线振动的主要原因是风的作用，架空输电线路的导线受稳定的微风作用时，便在导线的背面形成以一定频率上下交替变化的气流涡流，从而使导线受到一个交替的脉冲力作用，当频率与导线固有频率相等时，导线垂直平面产生共振，引起导线舞动。 导线振动的波形为驻波，即波节不变，波腹上下交替变化。在一年中，导线振动的时间达全年的3035，无论导线以什么频率振动，线夹出口总是为一波节点，所以导线振动使导线在线夹出口反复扭折，使材料疲劳，最终导致导线断线或断股事件发生，对导线的运行安全危害很大。 鉴于导线振动的起因及危害，我们必须采取相应的措施来保护线路安全运行，在该设计中主要从下面两方面来保护： 1.采用防振线夹，利用设备本身对导线的阻尼作用，减少导线的振动； 2.采用防振锤（导线使用FD-5 避雷线使用FG-50型） 安装防振锤的原则：最大波长和最小波长的情况下，防振锤的安装位置在线夹出口的第一个半波内。表2-19 防震锤与导线避雷线的配合表型号使用绞线截面积（）质量（kg）数量（个）钢绞线铝绞线FD-53004007.228FG-50502.456 3.采用阻尼线。 高频振动时阻尼线消振效果较好，阻尼线比较适合小截面导线的防振，对大跨越档距则往往采用阻尼线加防震锤的联合防振措施，以发挥各自的优势。本线路处于平原地带受风的影响较大，故采用防振锤防振，具体计算详见计算书部分。 三、接地保护 根据规程规定：有地线的杆塔均应接地。土壤电阻率为100500m，除利用杆塔的自然接地外，还应装设人工接地装置。在雷雨季节干燥时，自立杆塔的工频接地电阻按不大于15设计，每基杆两腿和塔四腿均装设接地引下线及接地装置，人工接地体采用12圆钢，接地体及引下线应热镀锌防腐并敷设成放射型，埋深不小于0.8m。为便于测量变电站接地网的电阻，在变电站的地线挂线架上，装设一片XWP-70型悬式绝缘子。正常时地线与变电站连接，测量电阻时拆开。杆塔接地电阻满足有关规程的要求不大于下表所列值表2-20 杆塔工频接地电阻土壤电阻率（.m）100100500500100010002000杆塔工频接地电阻（）1015202530 经测量的被设计经过地区土壤电阻率为200.m。杆塔工频接地电阻简易计算公式。第三章 计算任务书 第一节 导线截面选择及校验计算部分 一、按经济电流密度选择导线截面表3-1 经济电流密度（A/mm2）导线材料最大负荷利用小时3000以下300050005000以上铝线、钢芯铝线1.651.150.9铜线3.02.251.75铝芯电缆1.921.731.54铜芯电缆2.52.252.0 I=P/查表3-1得 J=0.9A/mm,则单回路线路总的截面积为我们在选择导线的时候还应该考虑线路投运后5年的发展需要。本地负荷年增长为18%所以应选择导线的截面积为： 由附表查得选择钢芯铝铰线LGJ-300/40。表3-2 导线与避雷线配合原则导线型号LGJ-3570LGJ-95185LGJQ-150185LGJ-240300LGJQ-240400LGJ-400LGJQ-500及以上避雷线型号GJ-25GJ-35GJ-50GJ-70 根据上表的配置原则避雷线选择 GJ-50.表3-3 LJG-300/40钢芯铝绞线的相关参数根数/直径计算界面积外径直流电阻计算拉断力计算质量铝钢铝钢合计24/3.997/2.663003833823.940.096922201133表3-4 GJ-50型避雷线的规格和物理特性参数计算外径mm计算截面mm2单位质量kg/km9.049.46423.7综合瞬时破坏应力弹性系数线膨胀系数（1/）1224.518142311.510-6 二、导线截面的校验 （1）按电晕条件进行校验 为了降低电能损耗，防止产生电晕干扰，对于110kV及以上电压等级的线路应按电晕条件校验截面积,所选导线截面积不得小于下表所列数值。表3-5 不必验算电晕的导线额定电压110220330500导线外径9.621.3221.3327.4421.3导线型号LGJ-50LGJ-240LGJ-2402LGJQ-40033004 （2）按机械强度进行校验 为保证电力系统安全可靠的运行，一切电压等级的输电线路都要具有一定的机械强度，对于线路跨越铁路、通航河流、公路、通信线路和居民区的线路，其导线截面不得小于35mm，导线LGJ-300/40导线能满足机械强度要求。 （3）热稳定校验 所选导线的最大容许持续电流应大于该线路正常或故障后运行方式下可靠通过的最大持续电流。查表可知GLJ-300/40在40时的载流量为624A大于五年后导线的经济电流131.2=254A，所选导线满足要求。 (4)按电压损耗校验 所选导线满足要求。 第二节 导线的应力及弧垂计算 一、比载计算 查表及资料可知LGJ-300/40导线的参数为：计算截面积 计算直径 单位质量，覆冰厚度覆冰风速 最大风速雷过电压时的风速内过电压时风速。 1.自重比载 2.冰重比载 3.垂直总比载 =（32.754+27.742）=60.496（） 4.无冰风压比载 5.覆冰风压比载 6.无冰综合比载 7.覆冰有风时综合比载 二、临界档距以及控制条件下的控制范围。查资料可知：LGJ-300/40导线的计算拉断力=92220N，计算截面积=338.99，所以导线的综合瞬时破坏应力，LGJ-300/40导线的铝钢结构比为24/7查表得弹性系数E=73000，弹性伸长系数=1/E=13.7，膨胀系数=19.6（）。 （一） 控制应力取安全系数K=2.5,则最大使用应力为：在平均气温时，控制应力为平均运行的上限，即272.04325%=68.011 （二）可能控制条件列表 可能出现最大应力的气候情况一般有三种：最低气温时；覆冰时；最大风速时，除上述三种情况外，再加上平均气温时最大应力为年平均运行应力的上限。根据比载控制应力，将有关数据按的值由小到大列出表格，遇到的值相同时可取较小者编入序号，舍弃较大者。表3-6 可控条件排列表出现控制应力的气象条件控制应力比载温度（）比值顺序代号最低气温108.81732.754-200.301A最大风速108.81748.967-50.450B年平均气温68.01132.754150.482C覆冰108.81761.123-50.562D （三）计算临界档距 （四）确定控制条件表3-7 临界档距控制条件判别表ABC253.269(m)i366.784(m)219.116(m)164.639(m)0177.088(m) 从表中可以看出，A栏中选取一个最小的临近档距164.639m为第一个有限临界档距，然后转到C栏219.116m，大于，故选为有效临界档距。把有效临界档距标注在水平轴上，档距在0164.639（m）范围内由编号A所代表的条件控制；档距在164.639219.116范围内由编号C所代表的条件控制；当档距大于219.116时有编号D代表的条件控制。 三、各种气象条件下的应力和弧垂计算 导线的假设安装是在不同条件下进行的，施工时需对照事先做好的表格，查出对应的弧垂，以确定松紧程度，使其在任何条件下都不超过允许值且满足耐振条件，并且导线对地和被跨物之间的距离符合要求，保证运行的安全。 （一）最低气温（T=-20）当L=50m时， 应力由最低气温控制 =108.817g=32.7540.0941m当L=100m时，应力由最低气温控制 0.376m当L=150m时，应力由最低气温控制0.847m临界档距，当L=165m时应力由年平均气温控制 当L=200m时，应力由年平均气温控制 当L=220m时，应力由最大比载控制 当L=250m时，应力由最大比载控制 当L=300m时，应力由最大比载控制 当L=350m时，应力由最大比载控制 当L=400m时，应力由最大比载控制 当L=500m时，应力由最大比载控制 （二）平均气温时 当L=50m时，应力由最低气温控制 当L=100m时，应力由最低气温控制 当L=150m时，应力由最大比载控制 当L=165m时，为临界档距应力由年平均气温控制当L=200m时，应力由年平均气温控制当L=220m时，为临界档距应力由最大比载控制 当L=250m时，应力由最大比载控制 当L=300m时，应力由最大比载控制 当L=350m时，应力由最大比载控制 当L=400m时，应力由最大比载控制 当L=500m时，应力由最大比载控制 （三）最高气温时 当L=50m时，应力由最低气温控制 当L=100m时，应力由最低气温控制 当L=150m时，应力由最底气温控制 J当L=165m时，为临界档距应力由年平均气温控制当L=200m时，应力由年平均气温控制当L=220m时，为临界档距应力由最大比载控制 当L=250m时，应力由最大比载控制 当L=300m时，应力由最大比载控制 当L=350m时，应力由最大比载控制 当L=400m时，应力由最大比载控制 当L=500m时，应力由最大比载控制 第三节 导线的防振设计 一、防振锤安装距离计算： 安装防震锤时其安装位置的确定原则是：在最大波长和最小波长情况下，防震锤都能发挥一定的防震作用，防震锤的安装位置在线夹出口处第一个斑驳范围内，防震锤安装距离的计算式为 导线直径23.94mm，自重比载g1=32.754风速上限=4.5 m/s,风速下限=0.5，代表档距=400m，其最低气温时导线应力=73.468MPa，最高气温时导线应力=56.68MPa。防振锤的安装距离 当导线档距较大，悬点高度较高，风的输入能量很大而使导线震动强烈，安装一个防震锤不足以将此能量消耗至足够低的水平，这时就需要安装多个防震锤实际工程中档距两侧各需安装防震锤的个数一般可按表4-7确定。多个防震锤一般均按等距离安装，即按前述方法算出第一