《輸電線路桿塔設計》(第一章)

1、輸電線路桿塔,江全才,電 話郵 箱： 三峽大學電氣與新能源學院輸電線路工程系,一、桿塔的作用與要求,1.桿塔的作用 桿塔（Pole and Tower）是支承架空輸電線路導線和地線并使它們之間以及它們與大地及桿塔之間的距離在各種可能的大氣環(huán)境條件下，符合電氣絕緣安全和工頻電磁場限制條件的要求。 2.要求 (1).桿塔塔高及塔頭尺寸應使導線在最大弧垂或最大風偏時仍能滿足對地距離、對交叉跨越物、對臨近地面障礙物距離的要求； (2).塔頭尺寸還需滿足導線之間以及導線與地線間空氣間隙距離要求以及檔距中央導線相間最小距離要求； 對需帶電作業(yè)的桿塔，還應考慮帶電作業(yè)的安全空氣間隙

2、。,(3).桿塔塔頭結(jié)構(gòu)、尺寸需滿足規(guī)定風速下懸垂絕緣子串或跳線風偏后，在工頻電壓、操作過電壓、雷電過電壓作用下帶電體與塔構(gòu)的空氣間隙距離要求； (4).地線對導線的防雷保護角要求； (5).對500kV及以上電壓等級輸電線路，導線對地距離除需考慮正常的絕緣水平外，還需考慮工頻電磁場的影響。,核心問題：導線（帶電體）的安裝位置和各種氣象條件下及受力條件下導線變化位置都必須滿足導線與導線之間、導線與大地及交叉跨越物、鄰近地面障礙物之間、導線與地線之間、地線與地線之間電氣絕緣的要求和工頻電磁場的限制要求，導線的防雷保護角要求；,實際問題： （1）.桿塔總高度：與檔距、地理條件、電壓等級、氣候條件、

3、電氣條件等因素有關。 檔距：檔距，弧埀；呼稱高度，總高。 地理條件：影響導線對地面的垂直距離（跨越物） 電壓等級： 氣象：溫度 ，覆冰厚度；弧埀大， 電氣條件；各種電氣安全距離。 桿塔總高度桿塔呼稱高度導線間垂直距離避雷線支架高度（對于鋼筋混凝土電桿的總高度要加上埋地深度h0）。,（2）.桿塔呼稱高度,桿塔下橫擔下弦邊緣線到地面的垂直距離。（輸電線路的重要參數(shù)，安全性、經(jīng)濟性） 桿塔呼稱高度絕緣子串長度導線最大弧垂導線到地面及跨越物的安全距離施工裕度,H=+fmax+hx+h 式中 絕緣子串的長度（包括金具的長 度）； fmax導線的最大弧垂； hx導線到地面、水面及被跨越物的安 全距離（查線

4、路設計規(guī)范、 線路設計技術規(guī)程）； h考慮測量、設計計算、施工誤差等所預留高度,1.懸垂絕緣子串長度的確定 與電壓等級、污穢級別有關；（查規(guī)范） 2.導線最大弧垂的確定 與氣象條件、檔距有關，高溫、覆冰、檔距、則弧垂，以最高溫或覆冰無風的最大者確定。(組合可能性) 3.導線到地面及被跨越物的安全距離 電壓等級，地理環(huán)境有關；（查規(guī)范） 區(qū)分不同電壓等級、不同性質(zhì)（類型）地面物及跨越物 4.施工裕度h的確定 考慮測量、設計計算、施工誤差等所預留高度。 電壓，檔距、裕度（0.51.5M）,（3）、桿塔經(jīng)濟呼稱高度,桿塔的呼稱高度與檔距有直接關系，檔距越大，導線的弧垂越大，桿塔的呼稱高度也就越大。但

5、是檔距增大時，使每公里的桿塔數(shù)量減少，因此對一定電壓等級的線路來說，必定有一個最優(yōu)的呼稱高度，使得整個線路材料用量最少，把這個最優(yōu)呼稱高度稱為經(jīng)濟呼稱高度. 相應的檔距則稱為經(jīng)濟檔距。（優(yōu)化問題）,（4）.導線間距離 .單回導線相間水平排列間距： 限制檔距中央導線因風偏擺動而靠近，導線間空氣間隙擊穿而發(fā)生閃絡。（根住電壓等級按規(guī)范計算確定） .單回導線垂直排列垂直線間距： 限制導線不均勻覆冰或?qū)Ь€脫冰時產(chǎn)生跳躍而使導線上下舞動而發(fā)生閃絡。（按規(guī)范） .單回導線傾斜排列等效水平間距： 限制覆冰時上下層相鄰導線間和導線與相鄰地線間的水平偏移。（根住覆冰厚按規(guī)范） .多回線路桿塔的線間間距： 按單回

6、線路計算線距增大0.5M,(5).地線支架高度及地線水平距離： 滿足：雷電過電壓條件下，導線對最危險的邊導線防雷保護作用；雙地線系統(tǒng)對中導線防雷保護作用；導線與地線之間最小距離要求；地線之間的水平距離要求；檔距中央導線與地線之間距離要求； （6）.防雷保護角 是指地線與導線的連線在垂直方向的夾角。 根住電壓等級、地形、氣象條件不同，規(guī)程規(guī)定的防雷保護角不同。,（7）.桿塔橫擔長度 桿塔橫擔長度確定應考慮導線水平間距、最小空氣間隙、帶電作業(yè)空氣間隙等因素。與絕緣子串長度、風偏角及雷電過電壓、操作過電壓、正常運行電壓條件下最小空氣間隙相關。最小空氣間隙與電壓等級相關。 （8）.導線與桿塔之間空氣間

7、隙校驗 以懸垂絕緣子串風偏角（搖擺角）、絕緣子串長度、雷電過電壓、操作過電壓、正常運行電壓條件下最小空氣間隙、帶電作業(yè)空氣間隙為依據(jù)。 （9）.桿塔定位與接近物距離 桿塔定位后，導線、地線、桿塔以周邊接近物在靜態(tài)和動態(tài)條件下的安全距離（按規(guī)范） 。,（10）.工頻電磁場 500kV及以上電壓等級超（特）高壓輸電線路由于輸送電能功率大，所產(chǎn)生的n次諧波仍具有較高的輻射能量，需考慮大功率工頻電磁場和由其所產(chǎn)生的n次諧波產(chǎn)生的高頻電磁場影響（按試驗和規(guī)范要求）。 （11）.對桿塔基礎的要求 承擔桿塔重量及線路受力，使桿塔牢靠和穩(wěn)定地直立于基礎上，不傾覆、不下沉、抗上拔。,二、桿塔類型,(1)按制造材

8、料劃分： 混凝土桿、鋼管桿、鐵塔、鋼管塔 鋼筋混凝土電桿又分普通鋼筋混凝土電桿、預應力鋼筋混凝土電桿和薄壁鋼管鋼筋混凝土電桿（簡稱鋼管混凝土電桿）。 預應力鋼筋混凝土具有節(jié)約鋼材、自重輕、承載抗裂性能好等優(yōu)點。鋼管混凝土電桿具有體積小，承載能力大、剛度大，以及塑性、抗振性能好和耐疲勞、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點,預應力鋼筋混凝土電桿基本組成結(jié)構(gòu)示意圖,（2）按受力狀態(tài)劃分： 直線型桿塔（又稱中間桿塔） 僅承受垂直荷載以及水平風荷載（即橫向水平荷載），導、地線在直線桿塔處不開斷，正常運行時不承受線條張力 特點（1）僅承受垂直荷載以及水平風荷載 （2）采用懸垂絕緣子串 （3）事故斷線時產(chǎn)生不平衡張力，允許在不

9、平衡張力作用下桿塔發(fā)生傾斜。,(a) (b) （c） 運行中的直線桿塔實景圖 (a)鋼管桿（雙回路）；(b) 鋼管格構(gòu)（六角型）桿塔；(c) 角鋼結(jié)構(gòu)（貓頭型）桿塔,.耐張桿塔： 控制線路連續(xù)檔長度，便于線路施工和維修，控制桿塔沿線路縱向可能發(fā)生串倒的范圍 ，導、地線在耐張桿塔處開斷，桿塔除具有與直線型桿塔同樣荷載承載能力外，還承受導線張力，支持事故斷線時產(chǎn)生縱向不平衡張力，承受因施工、檢修時用以錨固導線和避雷線引起的荷載,（1）除具有直線型桿塔承受荷載能力外，還要承受縱向水平荷載。 （2）采用耐張絕緣子串 （3）在發(fā)生事故斷線時，導線懸掛點不產(chǎn)生位移。以限制事故斷線影響范圍。,干字型 羊角型

10、 （部分）鐵塔耐桿塔實景圖例,（3）、按用途不同分類,、轉(zhuǎn)角桿塔： 支承導、地線張力，改變線路走向 ；導、地線不開斷為懸垂轉(zhuǎn)角桿塔，導、地線開斷為耐張轉(zhuǎn)角桿塔,、終端桿塔： 線路起始或終止處的桿塔， 線路一側(cè)導、地線耐張連接在終端桿塔上，另一側(cè)不架線或以小張力與門型構(gòu)架相連 、換位桿塔： 改變線路中三相導線相互位置，減小電力系統(tǒng)正常運行時電流和電壓的不對稱, 導線不開斷稱為直線換位桿塔，導線開斷稱為耐張或轉(zhuǎn)角換位桿塔 、跨越桿塔：支承導、地線跨越江河。湖泊、海峽等桿塔高，荷載大。多采用直線跨越桿塔,導線換位方式及工程安裝實景圖例,（4）按回路數(shù)劃分： 單回 多回（二回、三回、四回） （5）按桿

11、塔結(jié)構(gòu)型式劃分： 上字型塔、干字型塔、鼓型塔、酒杯塔 、門型塔、貓頭塔 、拉線塔 、拉門塔、懸索塔 等,我國超高壓線路常用塔型 （a）拉線塔；(b)拉門塔；(c) 330kV酒杯塔；(d) 500kV酒杯塔；(e) 330kV貓頭塔；(f) 330kV或500kV 轉(zhuǎn)角塔； (g) 500kV雙回鼓型塔； (h)750kV字型塔 ； (i) 750kV干字型塔,拉線塔 （a）1000kV拉V塔；(b) 11500kV拉Y塔；(c) 1000kV拉線懸索塔； (d) 三角布置拉V塔；(e) 1150kV懸索直線塔；(f) 倒三角排列拉V塔,400kV三相懸垂拉線懸索塔實景圖,三、鐵塔結(jié)構(gòu)型式與選

12、用原則 1.鐵塔的組成 塔頭：下橫擔的下弦或者塔架截面急劇變化處 （也稱頸部）的以上部分稱塔頭。 塔身：塔頭與塔腿間的桁架部分稱塔身 塔腿：基礎上面的第一段塔架稱塔腿 靴板和座板：塔腿與基礎的連接件. 另外拉線鐵塔還增加拉線部分,2、鐵塔構(gòu)造 （1）、主材：主材的坡度一般為1/61/10，坡度大；塔橫向穩(wěn)定性好，對基礎下壓作用力小，但耗材多。坡度?。慌c上相反 （2）、斜材、輔助材：保證鐵塔主柱的幾何不變性和桿件的穩(wěn)定性及減少構(gòu)件的長細比 斜材的布置有：單斜材、叉型（雙）斜材和K型斜材。 （3）、橫隔材：用于鐵塔分段 （4）、節(jié)點：斜材與主材的連接或斜材與輔助材的連接的連結(jié)處稱為節(jié)點，各桿件縱向

13、中心線的交點稱為節(jié)點中心，相鄰兩節(jié)間的桿件部分稱為節(jié)間。兩節(jié)點中心間的距離稱節(jié)間長度 要求：各桿件的軸線應匯交于節(jié)點形成的節(jié)點中心，桿件軸線應是型鋼的形心軸線。,3.鐵塔結(jié)構(gòu)選擇 （1）.寬基與窄基鐵塔 按鐵塔根開b與高度h之比，分為寬基與窄基鐵塔 寬基型鐵塔： 耐張型1415 直線型1618； 優(yōu)點：寬基型鐵塔由于底座寬，因此對主材、斜材和基礎的受力較小。 缺點：但主材相隔太寬，使斜材與輔助材的布置復雜。,窄基型鐵塔。 112114 （b/h） 。 優(yōu)缺點與寬基相反 選用原則：在荷載較大的線路中寬基鐵塔相對 可以減輕塔身荷載和基礎受力，這對于山區(qū)可減 輕運輸量和基礎土石方開挖量，且適用于地耐

14、力較 差的地區(qū)。窄基塔可簡化結(jié)構(gòu)，減輕塔重，線路 通過人口稠密的狹窄地段，窄基鐵塔尤為適宜。 窄基鐵塔為整體基礎，需混凝土用量較大,（2）.頭部型式與排列方式 頭部型式：單回路： 上字型、鳥骨型、貓頭型、“干”字型 特點：導線呈三角形排列 酒杯型、門型 特點：導線呈水平排列,三角形排列的優(yōu)點： 電氣對稱性好 上字型鐵塔、鳥骨型結(jié)構(gòu)簡單，重量較輕，采用單根避雷線，節(jié)約鋼材 水平排列排列的優(yōu)點： 桿塔低，防雷較好， 脫冰或?qū)Ь€舞動時所造成的碰線機會大大減少，適應重冰區(qū) 采用雙避雷線，防雷性好,酒杯與貓頭相比 a.貓頭型鐵塔導線采用由于中相導線高于邊導 線，因此導線間的水平距離小，斷線時受力性好，

15、b.酒杯型鐵塔導線采用水平排列，鐵塔總高度小 雙回路鐵塔： 鐵塔頭部型式有蝴蝶型 、傘型、倒傘型、六角 型鐵塔等等。 鐵塔型式選擇還應考慮鐵塔的組立施工方式,4.鐵塔的選用原則 根據(jù)線路建設經(jīng)驗： 1、山區(qū)水平排列的鐵塔為優(yōu)，因水平排列的鐵塔基礎上拔力小，基礎材料的運輸量也相應減少。 導線水平排列的塔型，塔總高小，其穩(wěn)定性一般也比三角形排列的塔型好。 2、多雷區(qū)、重冰區(qū)一般采用水平排列的鐵塔，因水平排列的鐵塔采用的雙避雷線、塔高又相對矮；由于三根導線水平排列，脫冰不會產(chǎn)生導線碰撞。,3、從經(jīng)濟方面來說，220kV及以下的線路采用三角形排列(除貓頭)，可以少用一根避雷線，鐵塔本身的耗鋼量也較少。

16、如果進行技術、經(jīng)濟全面比較時，為了節(jié)約鋼材，除重冰區(qū)、多雷區(qū)采用水平排列的塔型外，一般均以三角形排列的塔型為主。 4、貓頭型鐵塔多用于導線要求三角形布置的強度較高的桿塔。 5、地基承載能力較差及基礎施工條件較差的地區(qū)一般采用根開較大或者寬基鐵塔。 6.考慮鐵塔的組立施工的經(jīng)濟性。,四、桿塔荷載,1.荷載分類 （1）按荷載隨時間的變異分 永久荷載： 包括桿塔自重荷載、導線、避雷線、絕緣子、 金具的重力及其它固定設備的重力,土壓力和預應 力等荷載。 可變荷載： 包括風荷載、導線、避雷線和絕緣子上的覆冰 荷載，導線避雷線張力、事故荷載、安裝荷載、 驗算荷載、人工和工具等附加荷載,特殊荷載： 地震引起

17、的地震荷載，以及在山區(qū)或特殊地 形地段，由于不均勻結(jié)冰所引起的不平衡張力等荷 載。 （2）按荷載作用在桿塔上方向分 據(jù)計算需要，將它們分 解成作用在桿塔 上三個方向的力 垂直荷載G：垂直地面方向 橫向水平荷載P：與橫擔方向平行的力 縱向水平荷載T：垂直橫擔方向的力。,特別說明: 荷載有: 1 、荷載標準值 按照各種荷載標準規(guī)定計算而得的荷載叫標準荷。 如：桿塔塔身自重荷載為體積乘容重,風載為基本風壓乘擋風面積. 2 、荷載設計值 荷載設計值為荷載標準值乘分項系數(shù) 一般分項系數(shù): 永久荷載取1.2 可變荷載取1.4,2.桿塔標準荷載計算 （1）、自重荷載(自重引起的荷載為垂直荷載) 導線、避雷線

18、的自重荷載 無冰時 覆冰時 式中n 每相導線子導線的根 數(shù)； 桿塔的垂直檔距，m； 1 導線、地線無冰垂直比載， N/m.mm2； 2 導線、地線覆冰垂直比載，N/m.mm2； A 導線、地線截面面積 mm2。,絕緣子串、金具的垂直荷載 無冰時為絕緣子串、金具自重 ， 可查絕 緣子及各組合絕緣子串的金具重量表。 覆冰時 式中K覆冰系數(shù) ，設計冰厚5mm時， K1.075 設計冰厚10mm時，K1.150 設計冰厚15mm時，K1.225 桿塔自重荷載 桿塔自重荷載可根據(jù)桿塔的每根構(gòu)件逐一統(tǒng)計 計算而得，也可根據(jù)設計經(jīng)驗，參照其它同類桿塔 資料，做適當假定獲得。,3.導線、避雷線張力引起的荷載計算 直線型桿塔： （1）正常運行情況 直線型桿塔導線、避雷線不產(chǎn)生不平衡張力， 但當氣象條件發(fā)生變化時，或因檔距、高差不等引 起荷載改變，從而產(chǎn)生縱向不平衡張力。 （2）事故斷線時 在縱向產(chǎn)生斷線張力。,轉(zhuǎn)角桿塔、耐張型桿塔： 導線、避雷張力