輸電線路桿塔 江全才 電話箱 qcjiang 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 PoleandTower 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 對需帶電作業的桿塔 還應考慮帶電作業的安全空氣間隙 3 桿塔塔頭結構 尺寸需滿足規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 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 安全性 經濟性 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 線路設計規范 線路設計技術規程 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 地理環境有關 查規范 區分不同電壓等級 不同性質 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 5 1 5M 3 桿塔經濟呼稱高度 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 但是檔距增大時 使每公里的桿塔數量減少 因此對一定電壓等級的線路來說 必定有一個最優的呼稱高度 使得整個線路材料用量最少 把這個最優呼稱高度稱為經濟呼稱高度 相應的檔距則稱為經濟檔距 優化問題 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生閃絡 根住電壓等級按規范計算確定 單回導線垂直排列垂直線間距 限制導線不均勻覆冰或導線脫冰時產生跳躍而使導線上下舞動而發生閃絡 按規范 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 根住覆冰厚按規范 多回線路桿塔的線間間距 按單回線路計算線距增大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 規程規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 帶電作業空氣間隙為依據 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和動態條件下的安全距離 按規范 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生的n次諧波產生的高頻電磁場影響 按試驗和規范要求 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約鋼材 自重輕 承載抗裂性能好等優點 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 結構簡單等優點 預應力鋼筋混凝土電桿基本組成結構示意圖 2 按受力狀態劃分 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 事故斷線時產生不平衡張力 允許在不平衡張力作用下桿塔發生傾斜 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 六角型 桿塔 c 角鋼結構 貓頭型 桿塔 耐張桿塔 控制線路連續檔長度 便于線路施工和維修 控制桿塔沿線路縱向可能發生串倒的范圍 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 在發生事故斷線時 導線懸掛點不產生位移 以限制事故斷線影響范圍 干字型羊角型 部分 鐵塔耐桿塔實景圖例 3 按用途不同分類 轉角桿塔 支承導 地線張力 改變線路走向 導 地線不開斷為懸垂轉角桿塔 導 地線開斷為耐張轉角桿塔 終端桿塔 線路起始或終止處的桿塔 線路一側導 地線耐張連接在終端桿塔上 另一側不架線或以小張力與門型構架相連 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 按回路數劃分 單回多回 二回 三回 四回 5 按桿塔結構型式劃分 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 鐵塔結構型式與選用原則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 鐵塔構造 1 主材 主材的坡度一般為1 6 1 10 坡度大 塔橫向穩定性好 對基礎下壓作用力小 但耗材多 坡度小 與上相反 2 斜材 輔助材 保證鐵塔主柱的幾何不變性和桿件的穩定性及減少構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 節點 斜材與主材的連接或斜材與輔助材的連接的連結處稱為節點 各桿件縱向中心線的交點稱為節點中心 相鄰兩節間的桿件部分稱為節間 兩節點中心間的距離稱節間長度要求 各桿件的軸線應匯交于節點形成的節點中心 桿件軸線應是型鋼的形心軸線 3 鐵塔結構選擇 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1 4 1 5直線型1 6 1 8 優點 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 1 12 1 14 b h 優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 這對于山區可減輕運輸量和基礎土石方開挖量 且適用于地耐力較差的地區 窄基塔可簡化結構 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 三角形排列的優點 電氣對稱性好 上字型鐵塔 鳥骨型結構簡單 重量較輕 采用單根避雷線 節約鋼材水平排列排列的優點 桿塔低 防雷較好 脫冰或導線舞動時所造成的碰線機會大大減少 適應重冰區 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 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線路建設經驗 1 山區水平排列的鐵塔為優 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 其穩定性一般也比三角形排列的塔型好 2 多雷區 重冰區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 脫冰不會產生導線碰撞 3 從經濟方面來說 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 如果進行技術 經濟全面比較時 為了節約鋼材 除重冰區 多雷區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 地震引起的地震荷載 以及在山區或特殊地形地段 由于不均勻結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一般分項系數 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 避雷線的自重荷載無冰時覆冰時式中n 每相導線子導線的根數 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 設計冰厚5mm時 K 1 075設計冰厚10mm時 K 1 150設計冰厚15mm時 K 1 225 桿塔自重荷載桿塔自重荷載可根據桿塔的每根構件逐一統計計算而得 也可根據設計經驗 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 避雷線不產生不平衡張力 但當氣象條件發生變化時 或因檔距 高差不等引起荷載改變 從而產生縱向不平衡張力 2 事故斷線時在縱向產生斷線張力 轉角桿塔 耐張型桿塔 導線 避雷張力引起的荷載是角度荷載和不平衡張力轉角桿塔 耐張型桿塔張力分解成橫向水平荷載 稱角度荷載 和縱向水平荷載 稱不平衡張力 1 角度荷載 橫向水平荷載如圖2 PJ T1sin 1 T2sin 2式中 桿塔前后導 地線張力 導 地線與桿塔橫擔垂線間的夾角 當 1 2 2時 為線路轉角 則PJ T1 T2 sin 2當 0時PJ 0為直線型桿塔 2 不平衡張力 產生縱向荷載 如圖3 T T1COS 1 T2COS 2當 1 2 2時則 T T1 T2 cos 2當T1 T2時 T 0 當 0時 為直線型桿塔 3 斷線張力荷載產生縱向水平荷載 1 直線桿塔 按 規程 規定了直線桿塔的導線 地線的斷線張力分別取各自最大使用張力乘以一個百分比值 TD TDmax X 式中TD 斷線張力NTDm