第八章-杆塔结构设计基础

212第八章杆塔结构设计基础第一节杆塔结构型式及外形尺寸一、杆塔的型式及分类架空线路使用的杆塔按使用材料分为钢筋混凝土电杆和铁塔；按受力特点和用途分为直线杆塔、耐张杆塔、转角杆塔和终端杆塔。直线杆用于线路的直线段上，线路正常运行时有垂直荷载及水平荷载，能支持断线或其它顺线路方向的张力。在顺线路方向的张力作用下，直线杆塔的悬垂绝缘子允许偏斜，杆塔也允许有一定的挠度。耐张杆塔除承受垂直荷载及水平荷载之外，还能承受更大的顺线路方向的张力，如支持断线时的张力或施工紧线时的张力。耐张杆塔使用耐张绝缘子串，在断线时能耐受断线张力，限制断线事故范围，起隔离事故的作用。直线杆塔和耐张杆塔，一般均用于线路的直线段上，不兼转角。但在特殊情况下需要兼转角时，其转角度数对直线杆塔不应超过3°，耐张杆塔不应超过5°，否则应按转角杆塔设计。转角杆塔用于线路转角处，其受力特点与耐张杆塔相同，但其水平荷载包括角度合力，所以水平荷载值较大。终端杆塔用于线路首末端，可以是耐张型或转角型的，受力特点与耐张或转角杆塔相同，但在正常运行情况下需承受单侧顺线路张力。图8-135kV等径拉线单杆图8-2110kV等径拉线单杆图8-335kV拔梢单杆图8-4110kV拔梢单杆8-5110kVA型直线杆图8-6110kV门型直线杆1.常用直线杆的杆型。35~110kV线路，广泛使用带拉线的和不带拉线的上字型钢筋混凝土单杆，有的地区还采用A型钢筋混凝土电杆。213带拉线的直线杆，一般采用φ300mm等径钢筋混凝土杆段，杆的基础采用浅埋式，杆型如图8-1、图8-2所示。在雷电活动强烈的南方地区使用时，可在上横担反侧加装对称的耦合地线横担和吊杆，如图8-2虚线所示，以便悬挂耦合地线，提高电杆的耐雷水平。不打拉线的直线单杆，常用梢径φ190~φ230mm的拔梢钢筋混凝土电杆，杆型如图8-3、图8-4所示。由于不带拉线，电杆的基础采用深埋式，抗风能力和杆高的利用比拉线单杆差，故使用档距较小。除上字型单杆外，当导线截面较大或档距较大时，可采用A型或门型双杆直线杆，如图8-5、图8-6所示。线路常常需要通过山区、跨越铁路、电力线、公路等，往往需要具有更大的使用档距和更高高度的直线杆。因此，除了一般高度的直线杆外，还需要加高直线杆。如35kV线路，除了采用15m单杆外，还需要18m及以上的单杆和门型杆。2.常用耐张杆的杆型。架空线路的杆塔除了大部分直线杆塔外，还需要有耐张、转角、终端等耐张型杆塔。35~110kV线路的耐张型杆塔，在平地和丘陵地区一般采用门型钢筋混凝土电杆，如图8-7、图8-8所示。不同电压等级线路用的杆型大致相似，只是根开与杆高不同。这类杆型一般采用φ300mm等径杆段和平面横担。35~110kV线路的转角杆与耐张杆相似，只是拉线的方向因转角不同而不同，如图8-9、图8-10所示。图8-735kV耐张杆8-8110kV耐张杆二、杆塔外形尺寸的确定1.确定杆塔外形尺寸的基本要求。杆塔外形尺寸的确定，应符合以下基本要求：（1）确定杆塔高度时，应满足导线对地面及交叉跨越物的距离要求。（2）导线与塔身的距离应满足操作过电压、雷电过电压及正常运行电压的间隙要求，并满足带电作业的间隙要求。图8-935kV转角杆图8-10110kV转角杆图8-11杆塔的呼称高214（3）导线间的水平距离或垂直距离应满足档距中央接近程度所需的距离。（4）地线的布置应满足导线防雷保护的要求。2.杆塔呼称高的确定。杆塔的最下层导线绝缘子串悬挂点到地面的垂直距离H，称为杆塔的呼称高，如图8-11所示。平地杆塔的呼称高H按下式计算H=λ+fmax+h+h（8-1）式中H—杆塔的呼称高度，m；λ—悬垂绝缘子串的长度，m；fmax—导线的最大弧垂，m；h—导线最大弧垂时至地面的最小距离，m；h—考虑测量和安装误差的裕度，一般档距取0.5~0.7m。由式（8-1）可知，对一定电压等级的架空线路，其、h及h为定值。显然，随着设计档距的增加，导线弧垂增大，所用杆塔的呼称高也随之加大，但杆塔总数量将减少；反之，设计档距减小，导线弧垂减小，所用杆塔的呼称高也随之减小，但杆塔总数量将增多。因此，对某电压等级的线路，必然存在一个经济的呼称高和相应的档距，使线路总投资最低。此呼称高称为经济呼称高。各电压等级线路的杆塔经济呼称高见表8-1。表8-1架空线路杆塔的经济呼称高（m）线路电压（kV）35110220钢筋混凝土电杆10~121321铁塔1515~18233.杆塔头部尺寸的确定。杆塔的头部尺寸主要决定于电气对空气间隙和线间距离的要求。（1）空气间隙的校验。海拔高度不超过1000m的地区，在雷电过电压、操作过电压及正常工作电压情况下，绝缘子串风偏后导线对杆塔接地部分的空气间隙不得小于表8-2的数值。海拔高度超过1000m的地区，海拔高度每增加100m，操作过电压和运行电压的间隙，应较表8-2所列数值增大1%。表8-2带电部分与杆塔构件（包括拉线、脚钉等）的最小间隙（m）线路电压（kV）35110220330500750运行电压间隙e3I串0.100.250.550.901.201.301.801.90操作过电压间隙e2边相I串0.250.701.451.952.502.703.804.00中相V串4.604.80雷电过电压间隙e10.451.001.902.33.303.304.20(或按绝缘子串放电电压0.80配合)注：1.按雷电过电压和操作过电压情况校验间隙时的相应气象条件。2.按运行电压情况校验间隙时采用基本风速修正至相应导线平均高度的值及相应气温。3.因高海拔而需增加绝缘子数量时，雷电过电压最小间隙也应相应增大。4.500kV和750kV空气间隙栏，左侧数据适用于海拔高度不超过500m地区；右侧适用于超过500m但不超过1000m的地区。直线杆塔的绝缘子串的受力情况如图8-12所示。绝缘子串风偏角可按式（8-2）计算410.5tan0.5jhjvPplGpl（8-2）20.625(1)jjPnAv（8-3）式中lh—水平档距，m；lv—垂直档距，m；p1—导线自重单位荷载，N/m；p4—导线风压单位荷载，N/m；Gj—绝缘子串的重力，N；Pj—绝缘子串的风压，N；图8-12间隙圆图215Aj—一片绝缘子的受风面积，一般单裙绝缘子取0.03m²，双裙绝缘子取0.04m²；n—每串绝缘子的片数，金具零件按一片绝缘子的受风面积考虑；v—计算情况下的风速，m/s。在雷电过电压、操作过电压及运行电压情况下，分别求出绝缘子串的风偏角θ1、θ2、θ3，然后绘出间隙圆图，如图8-12所示。由图中的间隙距离e1、e2、e3，即可得知各种情况下的空气间隙是否满足表8-2所列数值。三种情况的间隙圆图中，对杆身间隙起控制作用的一般为操作过电压或雷电过电压两种情况。从图8-12可以看出，操作过电压的间隙圆对下导线横担起控制作用，而正常情况风速较大，绝缘子串风偏角较大，对杆身间隙不起控制作用，但在强风地带需校验此时对横担下沿的间隙。为了带电检修的需要，有时还需给出带电作业的间隙圆图，如图8-12中的e4。在海拔高度1000m以下的地区，按气温+15℃、风速10m/s为计算条件，带电作业的杆塔，其带电部分（包括等电位操作人员）对接地部分（包括地电位操作人员）风偏后的间隙应满足表8-3的距离要求。对于带电作业的人员停留或工作的部位，还应考虑0.3～0.5m的人体活动范围。表8-3带电作业，带电体对接地体的校验间隙线路电压(kV)35110220330500750校验间隙(m)0.61.01.82.203.204.00/4.30(边相I串/中相V串)海拔高度不超过1000m的地区，在塔头结构布置时，相间操作过电压最小间隙和档距中考虑导线风偏工频电压和操作过电压相间最小间隙，宜符合表8-4的数值。表8-4工频电压和操作过电压相间最小间隙(m)线路电压(kV)110220330500750备注工频电压0.50.91.602.202.80操作过电压塔头1.22.43.405.207.70*单回路紧凑型模拟塔头试验值档距中1.12.13.004.605.40（2）导线的水平线间距离。当各相导线水平排列时，对1000m以下的档距，导线的最小水平线间距离，根据运行经验可按下式计算max0.65110jUDkf（8-4）式中D—导线的最小水平线间距离，m；kj—悬垂绝缘子串系数：I-I和I-V串kj=0.4，V-V串kj=0；λ—悬垂绝缘子串长，m；U—线路标称电压，kV；fmax—导线最大弧垂，m。当导线按三角形排列时，其等效水平线间距离按式（8-5）计算，结果也需满足式（8-4）的要求。224()3dhvDDD（8-5）式中Dd—导线三角形排列时的等效水平线间距离，m；Dh—导线间的水平投影距离（即水平偏移），m；Dv—导线间的垂直投影距离，m。双回路及多回路杆塔，不同回路的不同相导线间的水平或垂直距离，应比计算值增加0.5m。（3）导线垂直排列的垂直距离和水平偏移。导线垂直排列的垂直线间距离，宜采用按式（8-4）计算结果的75%。使用悬垂绝缘子串的杆塔，其垂直线间距离不宜小于表8-5所列数值。对多回路杆塔，不同回路的不同相导线间的水平或垂直距离，应比上述的线间距离大0.5m，35kV线路还不应小于3.0m。表8-5使用悬垂绝缘子串杆塔的最小垂直线间距离标称电压(kV)35110220330500750垂直线间距离(m)2.03.55.57.510.012.5导线垂直排列时，为防止导线在不均匀脱冰时引起事故，杆塔上下层导线间和导线与地线间应有一定的水平偏移，其偏移值不应小于表8-6所列数值。216表8-6上下层相邻导线间或地线与相邻导线间的水平偏移(m)标称电压(kV)35110220330500750设计冰厚10mm0.20.51.01.51.752.0注：无冰区可不考虑水平偏移，设计冰厚5mm地区，上下层相邻导线间或地线与相邻导线间的水平偏移，可根据运行经验适当减少。（4）地线布置。为保证地线对导线的防雷保护作用，地线悬挂点应满足以下条件：1）地线对边导线的防雷保护角α(见图8-13)的数值应符合设计规定。防雷保护角α按式(8-6)计算1tanah（8-6）式中α—导线和地线间的水平投影距离，m；h—导线和地线间的垂直投影距离，m。2）双地线间的水平距离d≤5h。3）地线和导线在档距中央的接近距离，在+15℃、无风时应满足下式要求s≥0.012l+1(8-7)式中s—地线和导线在档距中央的接近距离，m；l—档距，m。图8-13地线悬挂点位置第二节杆塔结构设计的基本规定一、杆塔荷载的计算条件1.各类杆塔均应计算线路正常运行情况、断线情况、不均匀覆冰情况和安装情况下的荷载组合，必要时尚应验算地震等稀有情况。2.各类杆塔的正常运行情况，应计算下列荷载组合：1）基本风速、无冰、未断线（包括最小垂直荷载和最大水平荷载组合）。2）设计覆冰、相应风速及气温、未断线。3）最低气温、无冰、无风、未断线（适用于终端和转角杆塔）。3.直线型杆塔（含悬垂转角杆塔，不含大跨越直线塔）的断线，应按-5℃、有冰、无风的气象条件，计算下列荷载组合：（1）对单回路杆塔，单导线断任意一相导线(分裂导线任意一相导线有纵向不平衡张力)，地线未断；断任意一根地线，导线未断。（2）对双回路杆塔，同一档内，单导线断任意两相导线(分裂导线任意两相导线有纵向不平衡张力)，地线未断；同一档内，断任意一根地线，单导线断任意一相导线(分裂导线任意一相导线有纵向不平衡张力)。（3）对多回路塔，同一档内，单导线断任意三相导线(分裂导线任意三相导线有纵向不平衡张力)，地线未断；同一档内，断任意一根地线，单导线断任意两相导线(分裂导线任意两相导线有纵向不平衡张力)。4.耐张型杆塔的断线情况，应按-5℃、有冰、无风的气象条件，计算下列荷载组合：（1）对单回路杆塔和双回路杆塔，同一档内，单导线断任意两相导线（分裂导线任意两相导线有纵向不平衡张力）；同一档内，断任意一根地线