《输电线路杆塔设计》(第一章)

1、输电线路杆塔,江全才,电 话邮 箱： 三峡大学电气与新能源学院输电线路工程系,一、杆塔的作用与要求,1.杆塔的作用 杆塔（Pole and Tower）是支承架空输电线路导线和地线并使它们之间以及它们与大地及杆塔之间的距离在各种可能的大气环境条件下，符合电气绝缘安全和工频电磁场限制条件的要求。 2.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

2、。,(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； (5).对500kV及以上电压等级输电线路，导线对地距离除需考虑正常的绝缘水平外，还需考虑工频电磁场的影响。,核心问题：导线（带电体）的安装位置和各种气象条件下及受力条件下导线变化位置都必须满足导线与导线之间、导线与大地及交叉跨越物、邻近地面障碍物之间、导线与地线之间、地线与地线之间电气绝缘的要求和工频电磁场的限制要求，导线的防雷保护角要求；,实际问题： （1）.杆塔总高度：与档距、地理条件、电压等级、气候条件、

3、电气条件等因素有关。 档距：档距，弧埀；呼称高度，总高。 地理条件：影响导线对地面的垂直距离（跨越物） 电压等级： 气象：温度 ，覆冰厚度；弧埀大， 电气条件；各种电气安全距离。 杆塔总高度杆塔呼称高度导线间垂直距离避雷线支架高度（对于钢筋混凝土电杆的总高度要加上埋地深度h0）。,（2）.杆塔呼称高度,杆塔下横担下弦边缘线到地面的垂直距离。（输电线路的重要参数，安全性、经济性） 杆塔呼称高度绝缘子串长度导线最大弧垂导线到地面及跨越物的安全距离施工裕度,H=+fmax+hx+h 式中 绝缘子串的长度（包括金具的长 度）； fmax导线的最大弧垂； hx导线到地面、水面及被跨越物的安 全距离（查线

4、路设计规范、 线路设计技术规程）； h考虑测量、设计计算、施工误差等所预留高度,1.悬垂绝缘子串长度的确定 与电压等级、污秽级别有关；（查规范） 2.导线最大弧垂的确定 与气象条件、档距有关，高温、覆冰、档距、则弧垂，以最高温或覆冰无风的最大者确定。(组合可能性) 3.导线到地面及被跨越物的安全距离 电压等级，地理环境有关；（查规范） 区分不同电压等级、不同性质（类型）地面物及跨越物 4.施工裕度h的确定 考虑测量、设计计算、施工误差等所预留高度。 电压，档距、裕度（0.51.5M）,（3）、杆塔经济呼称高度,杆塔的呼称高度与档距有直接关系，档距越大，导线的弧垂越大，杆塔的呼称高度也就越大。但

5、是档距增大时，使每公里的杆塔数量减少，因此对一定电压等级的线路来说，必定有一个最优的呼称高度，使得整个线路材料用量最少，把这个最优呼称高度称为经济呼称高度. 相应的档距则称为经济档距。（优化问题）,（4）.导线间距离 .单回导线相间水平排列间距： 限制档距中央导线因风偏摆动而靠近，导线间空气间隙击穿而发生闪络。（根住电压等级按规范计算确定） .单回导线垂直排列垂直线间距： 限制导线不均匀覆冰或导线脱冰时产生跳跃而使导线上下舞动而发生闪络。（按规范） .单回导线倾斜排列等效水平间距： 限制覆冰时上下层相邻导线间和导线与相邻地线间的水平偏移。（根住覆冰厚按规范） .多回线路杆塔的线间间距： 按单回

6、线路计算线距增大0.5M,(5).地线支架高度及地线水平距离： 满足：雷电过电压条件下，导线对最危险的边导线防雷保护作用；双地线系统对中导线防雷保护作用；导线与地线之间最小距离要求；地线之间的水平距离要求；档距中央导线与地线之间距离要求； （6）.防雷保护角 是指地线与导线的连线在垂直方向的夹角。 根住电压等级、地形、气象条件不同，规程规定的防雷保护角不同。,（7）.杆塔横担长度 杆塔横担长度确定应考虑导线水平间距、最小空气间隙、带电作业空气间隙等因素。与绝缘子串长度、风偏角及雷电过电压、操作过电压、正常运行电压条件下最小空气间隙相关。最小空气间隙与电压等级相关。 （8）.导线与杆塔之间空气间

7、隙校验 以悬垂绝缘子串风偏角（摇摆角）、绝缘子串长度、雷电过电压、操作过电压、正常运行电压条件下最小空气间隙、带电作业空气间隙为依据。 （9）.杆塔定位与接近物距离 杆塔定位后，导线、地线、杆塔以周边接近物在静态和动态条件下的安全距离（按规范） 。,（10）.工频电磁场 500kV及以上电压等级超（特）高压输电线路由于输送电能功率大，所产生的n次谐波仍具有较高的辐射能量，需考虑大功率工频电磁场和由其所产生的n次谐波产生的高频电磁场影响（按试验和规范要求）。 （11）.对杆塔基础的要求 承担杆塔重量及线路受力，使杆塔牢靠和稳定地直立于基础上，不倾覆、不下沉、抗上拔。,二、杆塔类型,(1)按制造材

8、料划分： 混凝土杆、钢管杆、铁塔、钢管塔 钢筋混凝土电杆又分普通钢筋混凝土电杆、预应力钢筋混凝土电杆和薄壁钢管钢筋混凝土电杆（简称钢管混凝土电杆）。 预应力钢筋混凝土具有节约钢材、自重轻、承载抗裂性能好等优点。钢管混凝土电杆具有体积小，承载能力大、刚度大，以及塑性、抗振性能好和耐疲劳、结构简单等优点,预应力钢筋混凝土电杆基本组成结构示意图,（2）按受力状态划分： 直线型杆塔（又称中间杆塔） 仅承受垂直荷载以及水平风荷载（即横向水平荷载），导、地线在直线杆塔处不开断，正常运行时不承受线条张力 特点（1）仅承受垂直荷载以及水平风荷载 （2）采用悬垂绝缘子串 （3）事故断线时产生不平衡张力，允许在不

9、平衡张力作用下杆塔发生倾斜。,(a) (b) （c） 运行中的直线杆塔实景图 (a)钢管杆（双回路）；(b) 钢管格构（六角型）杆塔；(c) 角钢结构（猫头型）杆塔,.耐张杆塔： 控制线路连续档长度，便于线路施工和维修，控制杆塔沿线路纵向可能发生串倒的范围 ，导、地线在耐张杆塔处开断，杆塔除具有与直线型杆塔同样荷载承载能力外，还承受导线张力，支持事故断线时产生纵向不平衡张力，承受因施工、检修时用以锚固导线和避雷线引起的荷载,（1）除具有直线型杆塔承受荷载能力外，还要承受纵向水平荷载。 （2）采用耐张绝缘子串 （3）在发生事故断线时，导线悬挂点不产生位移。以限制事故断线影响范围。,干字型 羊角型

10、 （部分）铁塔耐杆塔实景图例,（3）、按用途不同分类,、转角杆塔： 支承导、地线张力，改变线路走向 ；导、地线不开断为悬垂转角杆塔，导、地线开断为耐张转角杆塔,、终端杆塔： 线路起始或终止处的杆塔， 线路一侧导、地线耐张连接在终端杆塔上，另一侧不架线或以小张力与门型构架相连 、换位杆塔： 改变线路中三相导线相互位置，减小电力系统正常运行时电流和电压的不对称, 导线不开断称为直线换位杆塔，导线开断称为耐张或转角换位杆塔 、跨越杆塔：支承导、地线跨越江河。湖泊、海峡等杆塔高，荷载大。多采用直线跨越杆塔,导线换位方式及工程安装实景图例,（4）按回路数划分： 单回 多回（二回、三回、四回） （5）按杆

11、塔结构型式划分： 上字型塔、干字型塔、鼓型塔、酒杯塔 、门型塔、猫头塔 、拉线塔 、拉门塔、悬索塔 等,我国超高压线路常用塔型 （a）拉线塔；(b)拉门塔；(c) 330kV酒杯塔；(d) 500kV酒杯塔；(e) 330kV猫头塔；(f) 330kV或500kV 转角塔； (g) 500kV双回鼓型塔； (h)750kV字型塔 ； (i) 750kV干字型塔,拉线塔 （a）1000kV拉V塔；(b) 11500kV拉Y塔；(c) 1000kV拉线悬索塔； (d) 三角布置拉V塔；(e) 1150kV悬索直线塔；(f) 倒三角排列拉V塔,400kV三相悬垂拉线悬索塔实景图,三、铁塔结构型式与选

12、用原则 1.铁塔的组成 塔头：下横担的下弦或者塔架截面急剧变化处 （也称颈部）的以上部分称塔头。 塔身：塔头与塔腿间的桁架部分称塔身 塔腿：基础上面的第一段塔架称塔腿 靴板和座板：塔腿与基础的连接件. 另外拉线铁塔还增加拉线部分,2、铁塔构造 （1）、主材：主材的坡度一般为1/61/10，坡度大；塔横向稳定性好，对基础下压作用力小，但耗材多。坡度小；与上相反 （2）、斜材、辅助材：保证铁塔主柱的几何不变性和杆件的稳定性及减少构件的长细比 斜材的布置有：单斜材、叉型（双）斜材和K型斜材。 （3）、横隔材：用于铁塔分段 （4）、节点：斜材与主材的连接或斜材与辅助材的连接的连结处称为节点，各杆件纵向

13、中心线的交点称为节点中心，相邻两节间的杆件部分称为节间。两节点中心间的距离称节间长度 要求：各杆件的轴线应汇交于节点形成的节点中心，杆件轴线应是型钢的形心轴线。,3.铁塔结构选择 （1）.宽基与窄基铁塔 按铁塔根开b与高度h之比，分为宽基与窄基铁塔 宽基型铁塔： 耐张型1415 直线型1618； 优点：宽基型铁塔由于底座宽，因此对主材、斜材和基础的受力较小。 缺点：但主材相隔太宽，使斜材与辅助材的布置复杂。,窄基型铁塔。 112114 （b/h） 。 优缺点与宽基相反 选用原则：在荷载较大的线路中宽基铁塔相对 可以减轻塔身荷载和基础受力，这对于山区可减 轻运输量和基础土石方开挖量，且适用于地耐

14、力较 差的地区。窄基塔可简化结构，减轻塔重，线路 通过人口稠密的狭窄地段，窄基铁塔尤为适宜。 窄基铁塔为整体基础，需混凝土用量较大,（2）.头部型式与排列方式 头部型式：单回路： 上字型、鸟骨型、猫头型、“干”字型 特点：导线呈三角形排列 酒杯型、门型 特点：导线呈水平排列,三角形排列的优点： 电气对称性好 上字型铁塔、鸟骨型结构简单，重量较轻，采用单根避雷线，节约钢材 水平排列排列的优点： 杆塔低，防雷较好， 脱冰或导线舞动时所造成的碰线机会大大减少，适应重冰区 采用双避雷线，防雷性好,酒杯与猫头相比 a.猫头型铁塔导线采用由于中相导线高于边导 线，因此导线间的水平距离小，断线时受力性好，

15、b.酒杯型铁塔导线采用水平排列，铁塔总高度小 双回路铁塔： 铁塔头部型式有蝴蝶型 、伞型、倒伞型、六角 型铁塔等等。 铁塔型式选择还应考虑铁塔的组立施工方式,4.铁塔的选用原则 根据线路建设经验： 1、山区水平排列的铁塔为优，因水平排列的铁塔基础上拔力小，基础材料的运输量也相应减少。 导线水平排列的塔型，塔总高小，其稳定性一般也比三角形排列的塔型好。 2、多雷区、重冰区一般采用水平排列的铁塔，因水平排列的铁塔采用的双避雷线、塔高又相对矮；由于三根导线水平排列，脱冰不会产生导线碰撞。,3、从经济方面来说，220kV及以下的线路采用三角形排列(除猫头)，可以少用一根避雷线，铁塔本身的耗钢量也较少。

16、如果进行技术、经济全面比较时，为了节约钢材，除重冰区、多雷区采用水平排列的塔型外，一般均以三角形排列的塔型为主。 4、猫头型铁塔多用于导线要求三角形布置的强度较高的杆塔。 5、地基承载能力较差及基础施工条件较差的地区一般采用根开较大或者宽基铁塔。 6.考虑铁塔的组立施工的经济性。,四、杆塔荷载,1.荷载分类 （1）按荷载随时间的变异分 永久荷载： 包括杆塔自重荷载、导线、避雷线、绝缘子、 金具的重力及其它固定设备的重力,土压力和预应 力等荷载。 可变荷载： 包括风荷载、导线、避雷线和绝缘子上的覆冰 荷载，导线避雷线张力、事故荷载、安装荷载、 验算荷载、人工和工具等附加荷载,特殊荷载： 地震引起

17、的地震荷载，以及在山区或特殊地 形地段，由于不均匀结冰所引起的不平衡张力等荷 载。 （2）按荷载作用在杆塔上方向分 据计算需要，将它们分 解成作用在杆塔 上三个方向的力 垂直荷载G：垂直地面方向 横向水平荷载P：与横担方向平行的力 纵向水平荷载T：垂直横担方向的力。,特别说明: 荷载有: 1 、荷载标准值 按照各种荷载标准规定计算而得的荷载叫标准荷。 如：杆塔塔身自重荷载为体积乘容重,风载为基本风压乘挡风面积. 2 、荷载设计值 荷载设计值为荷载标准值乘分项系数 一般分项系数: 永久荷载取1.2 可变荷载取1.4,2.杆塔标准荷载计算 （1）、自重荷载(自重引起的荷载为垂直荷载) 导线、避雷线

18、的自重荷载 无冰时 覆冰时 式中n 每相导线子导线的根 数； 杆塔的垂直档距，m； 1 导线、地线无冰垂直比载， N/m.mm2； 2 导线、地线覆冰垂直比载，N/m.mm2； A 导线、地线截面面积 mm2。,绝缘子串、金具的垂直荷载 无冰时为绝缘子串、金具自重 ， 可查绝 缘子及各组合绝缘子串的金具重量表。 覆冰时 式中K覆冰系数 ，设计冰厚5mm时， K1.075 设计冰厚10mm时，K1.150 设计冰厚15mm时，K1.225 杆塔自重荷载 杆塔自重荷载可根据杆塔的每根构件逐一统计 计算而得，也可根据设计经验，参照其它同类杆塔 资料，做适当假定获得。,3.导线、避雷线张力引起的荷载计算 直线型杆塔： （1）正常运行情况 直线型杆塔导线、避雷线不产生不平衡张力， 但当气象条件发生变化时，或因档距、高差不等引 起荷载改变，从而产生纵向不平衡张力。 （2）事故断线时 在纵向产生断线张力。,转角杆塔、耐张型杆塔： 导线、避雷张力