110kV架空输电线路的初步设计

前  言 近年来，电网的飞速发展，输电线路的建设，改造投资的加大，客观上对线路设计的速度、质量、准确性和经济性都提出了更高的要求。然而，输电线路设计过程中涉及测量、力学计算、气象条件和电气计算等方面，一直都是电力工程设计中的难点。如果处理不当，就会引起严重的后果。例如，当架空输电线路中的导线和避雷线因常年受到风、冰、低温等气象条件的影响时会造成架空输电线路的导线断股、断线、金具损坏、相间短路、断杆、倒杆等；冬季，由于输电线路大面积覆冰，导致一些输电铁塔不堪重负而倒塔断线，使电力设施遭到毁灭性破坏，供电线路陷于瘫痪，影响生活和生产，造成难以估量的损失。还有由于在施工中对架线弧垂的计算不准确，使配电网线路对地距离达不到要求，造成触电伤亡事故。因此对架空输电线路的设计的深入研究是非常有必要的。 为此本次设计将选取一段110kV架空输电线路工程进行初步的计算和设计。旨在了解输电线路工程设计的一般程序，弄清楚初步设计、施工设计各阶段的基本内容，能够对110kV线路工程设计及其相关的知识有更深入的了解，为以后从事该方面的工作打下坚实的基础。 1.原始资料 1.1 地形与地貌 本线路为宝瑶—桃花110kV线路，沿线地形以丘陵为主，地质以硬塑粘性土为主，夹杂有少量的软塑粘土和风化岩石，海拔在210米～270米之间，地势起伏一般，植被发育较好，植被主要为松、杉、桔树及杂木；线路附近有320国道和207国道以及农村简易公路穿插其中，交通比较方便，便于施工与运行；各种地形所占比例如表1.1与1.2所示。          表1.1 地质情况 地质 岩石 泥水 坚土 碎石土 比例（%） 29.4 9.8 41.2 19.6 表1.2 地貌情况 地形 水田 丘陵 山地 比例（%） 9.8 72.5 17.7 1.2 水文与地质 本线路所经区域无泥石流等不良地质及可能发生山洪爆发的地带；线路跨越资江，但无大的洪涝灾害。线路经过地区的区域稳定，地形为低山丘陵地貌单元，多山丘和林田，山坡上植被稀疏，阔叶林下发育的土壤为黄红壤。 1.3 交通及交叉跨越 本线路工程先后跨越了G320和G207两条国道、资江1次、洛湛铁路1次，另外受城区的限制，线路先后跨越沪昆高速公路2次，重要交叉跨越情况见表1.3所示。 表1.3 重要交叉跨越表 跨越物 条数 35kV电力线 1 10kV及以下电力线 5 通信线路 3 水泥公路 4 砂石公路 4 河  流 1 1.4 气象条件 根据与本线路邻近的220kV长—江线路（设计覆冰为15mm）和110kV宝—大线路（设计覆冰为10mm）的运行情况，该两条线路的最厚覆冰均在15mm以下。全线地处市郊，属丘陵地带，沿线没有发现形成特殊气象条件的地段，历史上也未发生过风灾及冰灾事故。本工程采用湖南省典型气象条件[3]进行设计，各项设计气象条件组合如表1.4所示： 表1.4 设计气象条件一览表                 项目 计算条件 气温（℃） 风速（M/S） 冰厚（MM） 1.4.1 选用组合气象的要求   线路设计所选用的气象条件组合，除应合理地反映一定程度的自然变化规律外，还要适合整个结构上的技术经济合理性及设计计算上的方便性。因此，必须根据线路实际运行中可能遇到的情况，慎重的调查分析原始气象资料，合理的概括出“组合气象条件”。选择组合气象条件[3]的要求如下：   （1）线路在大风、覆冰及最低气温时仍能正常运行。   （2）线路在断线及不平衡张力情况下，不使事故范围扩大，即杆塔不致倾覆。   （3）线路在安装过程中不致发生人身或设备损坏事故。 （4）线路在重冰区及大跨越等特殊区段的稀有气象验算条件下，不致发生倾覆和断线。 （5）线路在正常运行情况下，在任何季节里，导线对地面或与其它地上物保持足够的安全距离。 （6）线路在长期运行中，应保证导线或地线有足够的耐振动性能。 1.4.2 气象条件在线路中的影响 由于高压输电线路常年露置于大气中，经常承受自然界各种气象情况的影响。为了保证在长期运行中高压送电线路的安全，就必须使送电线路的结构强度和电气性能很好地适应自然界的气象变化，特别是这些自然界现象随季节变化的各种组合对线路的影响。一般来说，雨雪对线路危害不大，雷电活动可以用防雷保护的方法解决。因此，风、覆冰和大气温度变化影响较大，这是输电线路设计时应考虑的主要问题。输电线路周围空气温度的变化使导线和避雷线的拉力和弧垂也随着发生变化。风力作用在导线上，在水平方向造成一个附加的机械荷载，使导线拉力增加，在垂直平面内使导线产生振动和舞动。在一定气象条件下产生的覆冰不但使导线垂直方向的机械荷载增加，同时由于导线受风面积增大，也增大了导线水平方向的风力荷载。因此，在进行输电线路的机械荷载计算或设计时，其影响的条件是:空气的最高温度、最低温度、覆冰温度和覆冰厚度、最大风速，以及在这些条件下的温度、风速、覆冰厚度之间的相应组合。 2 线路路径的选择与杆塔的定位 2.1 对路径选择的明确要求   (1)选择输电线路的路径，应认真作好调查研究，少占农田。综合考虑施工、交通运输条件和路径长度等因素，本着统筹兼顾、全面安排的原则进行选择和比较，作到技术经济合理，安全适用。   (2)选择路径应尽量避开重冰区、地质不良地带、原始森林区以及严重影响安全运行的其他地区，并考虑对临近设施如电台、飞机场、弱电线路等的相互影响。   (3)发电厂或变电所的进线走廊，应根据厂、所的总体布置图统一规划，进出线宜采用双回路或多回路共杆塔。耐张段的长度一般采用3～5km。对于超高压输电线路的运行、施工条件许可时、可适当延长耐张段的长度。高差或档距相差非常悬殊的山区和重冰区，应适当缩短耐张段的长度。     (4)有大跨越的输电线路，其路径方案应结合大跨越的情况，通过综合技术经济比较确定。跨越点应避开河道不稳定、河岸受冲刷、地震断裂、崩塌滑坡、海潮、山洪冲击、土地容易流失以及其他影响安全运行的地带，否则映采取可靠措施[5]。 2.1.1 路径的选择 线路路径的选择即为明确了线路的起止点后，在起止点之间选出的一条符合国家建设方针政策，在技术和经济上合理的最佳走线方案。本次设计根据图上地形及实地勘测确定了二个线路路径方案，因线路从变电站出线需要绕过城区，且线路经地区乡村较多，所以本工程只做了一个方案。本次线路工程从220kV宝瑶变508间隔出线，至桃花变电站。   线路前段基本沿已建成的110kV宝-大线西北侧走线；自220kV宝瑶变电站西侧508间隔向西在油榨里山腰左转经南冲、白果塘至背底塘，左转跨过岩头山水库，经车家冲跨过G320至老院子后山，再左转经东茅草、上头院子至滑石板，线路右转经石江至枇杷洞，再次左转在石屋塘西侧跨过茶塘公路接至原110kV宝-大线P41#杆。线路后段基本沿已建成的220kV长-江线路东北侧走线；线路自原110kV宝-大线路P40#左转向东南跨过资江经何家院子西侧的农田跨过沪昆高速公路至白花岭后山脚，线路左转平行220KV长-江线至雷家院子，再次左转跨过洛湛铁路、在雷家院子里选择较稀散的房屋中间穿过再跨过G207至竹鸡塘，线路左转向东北绕过消防支队至秦家冲与110kV江-桃线双回共杆跨过G320高速公路至桃花变电站，线路全长约16.3KM。曲折系数为2.1。路径走向图见附图六。 2.1.2 线路工程概述     该地区现有110kV城南和110kV城西两座变电站，变压器容量分别为（2×31.5）MVA和（31.5）MVA，两座变电站均为该区主城区10kV负荷的主要供电电源。该区域实际用电负荷的增长情况，2002年～2003年负荷的年增长率为7.91%，2003～2004年增长率为8.0%，2004年～2005年增长率为8.02%，2005年～2006年增长率为10.29%，“十五”期间，该供区负荷年平均增长率为9.5%；随着新建的桃花科技工业园的投产，预计到2012年桃花110kV变电站供区学校及大工业用户将新增变压器装机15.0MVA。     根据工程的概况和系统的规划，明确了线路的起讫点以及中途必经点的位置，并通过对线路输送容量、电压等级、回路数和导线标号等设计条件的掌握，在1：50000的地形图上进行线路的选线。在选线过程中需要了解沿线的环境情况，避开不良地带，同时考虑地形、交通条件等因素。 2.2 地形断面图的绘制 线路地形断面图表示沿线路中心线的地形起伏变化的形状、和交叉跨越物的位置及高程。接照图线路走径，进行实地勘测，通过对路径上的地形、地貌、百米桩位及交叉跨越（铁路、公路、河流、电力线路、通讯线、房屋等）等共需要对此条线路进行多个点的累距及高程标注[14]。地形断面图是一张两维平面图，此图的横坐标为线路累距（即将宝瑶变508间隔出线架构设为0点，测点距0点的距离即为该点的累距）；此图的纵坐标为测点的高程（即将全线路高程最低点定为一个基准点，其他测点相对于此基准点的高差）。 2.3 杆塔定位 定位即在已经选好的线路路径上，测绘出平断面并配置杆塔的位置。杆塔定位是送电线路设计的一个重要环节，杆塔定位的质量关系到线路的造价和施工、运行的方便与安全。杆塔定位时要尽量少占耕地良田，避开水文、地质条件不良的地段，需考虑施工的方便性。档距配置时要最大限度地利用杆塔强度，相邻档档距大小不宜相差太大，以免增大不平衡张力，另外应尽量避免出现孤立档。杆塔选用尽可能地选用最经济的杆塔型式和高度，尽量避免特殊设计杆塔。为便于导线对地距离及对障碍物的距离要求配置塔位，按导线安装后的实际最大弧垂形状作成弧垂模板以比量档内导线各点对地及对障碍物的垂直间距[15]。 2.3.1 定位弧垂模板的制定 悬挂的导线呈悬链线状，根据弧垂计算公式/k式，式中k=g/8，可见当g，值一定时，其弧垂形状相同。因此可按不同的K值，以档距为横坐标，以弧垂为纵坐标，以档距中央为坐标原点刻制出一组弧垂曲线[1]。 通用弧垂模板如图2.1所示，对钢芯铝绞线K值一般在4×10-5～15×10-5(l/m)之间。每隔0.25×10-5作一曲线。每块模版上可作2～4条曲线。 定位时所选用的弧垂模板的比例应与断面图的比例一致,若无相同比例尺的弧垂模板时可按下式选择等值模板。                                                      （2.1） 式中，—比例为纵1/、横1/的模板的值；—值换算至模板（或断面图）比例纵为1/ 、横1/的等价值。 图2.1 通用弧垂模板 2.3.2 定位弧垂模板的使用 由于各耐张段的代表档距不同，所用的模板K值亦不同（弯曲度不同），为便于定位时选择模板，可事先根据不同代表档距下，导线最大弧垂时的应力和比载，算出如图2.2所示模板值曲线[1]。 图2.2 模板K值曲线 开始定位时，可先根据地形及常用的各种杆塔排位来估计待定耐张段的代表档距（一般平地估取使用杆塔标准档距的0.8～0.9倍）。整个耐张段定位完毕后，应根据 悬挂点等高的代表档距及悬挂点不等高的代表档距计算实际的代表档距，核对所估选的模板是否正确，其误差应在0.2×10-5～0.05×10-5以内，否则应按实际模板K值重新画弧垂线，并调整杆位、杆高，重新计算代表档距，直至所选用的模板与最终确定的的代表档距相符为止。 2.3.3 杆塔定位高度 杆塔的高度主要是根据导线对地面的允许距离决定的。为了便于检查导线各点对地的距离，通常在断面图上绘制的弧垂曲线并非导线的真实高度，而是导线的对地安全线，即将导线在杆塔上向下移动一段距离值后，画出的弧垂曲线，如图2.3所示 图2.3 杆塔有效定位高度示意图 此时，根据杆塔的呼称高E,确定杆塔的定位高度H。杆塔的呼称高是指杆塔的最下层导线绝缘子串悬挂点到地面的距离。只要画出的弧垂曲线不切地面，就能满足对地距离要求。一般还要考虑到勘测设计的施工误差，定位时应根据档距的大小预留定位裕度。线路平断面图见附图五。 2.3.4 定位结果检查 在初步确定杆塔位置、型式、高度后，应对线路设计条件进行全面检查，以验证是否超过设计规定的容许条件。以保证今后线路运行的安全，检查内容包括： （1）杆塔使用条件检查。杆塔荷载条件及最大档距的检查，包括垂直档距、水平档距、最大档距、转角度数等，根据线路距离的大小，对最大档距进行检查，这些数值均不应超过设计条件允许值。 （2）空气间隙的检验。包括各种运行情况下绝缘子串与杆塔构件间安全间隙检查。对采用绝缘子串的直线杆塔，应保证在各种运行情况下（外过电压、内过电压、正常工作电压及带电检修时），绝缘子串与杆塔构件间保证必要的空气间隙。   （3）导线及架空地线的运行条件检查。对于山区线路，由于高差较大，应检查导线与架空地线悬挂点应力和悬垂角是否超过允许值。对于高差不大的一般路线不必做这项工作。 （4）绝缘子串强度检查。当线路通过山区时，由于地势起伏高差影响，往往垂直档距较大，可能出现导线垂直荷载超过绝缘子串的允许机械荷载的现象，为此，在定位时必须对绝缘子串的机械荷载进行验算。而对于耐张绝缘子串的允许荷载应等于或大于导线最大悬挂点张力。 （5）直线杆塔上拔校验。在悬点不等高的档距中，当导线最低点位于实际档距之外时，低悬点处将产生上拔力，两相邻档距中的低处杆塔上是否存在上拔力，取决于该杆塔的垂直档距是否为负值。若为负值，即说明有上拔力存在。就应校核该塔导线和避雷线进行校验。 （6）交叉跨越距离的检查。当线路跨越其它设施时，按照规程规定导线与被跨越设施应保持一定的安全距离并在断面图上进行检查。 （7）边导线风偏后对地距离的检查。定位时除满足导线对地垂直距离外，在山区尚应注意边线在风偏时对地或对树的净空距离。 3 导线与避雷线的选型及其特性 3.1 导线与避雷线的型号 根据系统论证资料，本线路工程导线采用LGJ—240/30型钢芯铝绞线，避雷线采用XGJ-50/7型锌铝合金镀层钢绞线；其机械物理特性[6]见表3.1所示。 表3.1 导线与避雷线机械物理特性表 导线及霹雷线型号 LGJ—240/30 XGJ-50/7 计算截面(mm2) 铝股 244.29 / 钢股 31.67 49.48 综合 275.96 49.48 计算外径(mm) 21.60 9.0 股数及每股直径(mm) 铝股 24×3.60 / 钢股 7×2.40 7×3.0 单位重量(kg/km) 922.2 423.7 制造长度不小于(m) 2000 2000 瞬时破坏应力(MPa) 260.32 1168.86 温度线膨胀系数α(1/℃) 19.6×10-6 11.5×10-6 弹性模量(N/mm2) 73000 181423 3.2 导线与避雷线的应力弧垂计算 3.2.1 导线与避雷线应力的概念 悬挂于两基杆塔之间的一档导线，在导线自重、冰重、风压等荷载作用下，任意横截面上均有一内力存在。导线单位截面积上的内力，称为应力[11]。由力学知识可知，导线上任一点的应力的方向与导线悬挂曲线的切线方向相同，因此导线最低点的应力方向是水平的。而且对导线任意点作受力分析，依静力学平衡条件推出:一个耐张段在施工紧线时，若不考虑摩擦力的影响，导线各点所受应力的水平分量均相等。因此导线应力一般都指档中导线最底点的水平应力。对于悬挂于两基杆塔架间的一档导线，可推出:弧垂越大，应力越小；反之，弧垂越小，应力越大。因此，从导线安全的角度考虑，应加大孤垂，从而减少应力，以提高安全系数;但与此同时，为保证带电导线的对地安全距离，要么在档距相同的条件下，必须增加杆高，要么在相同杆高条件下，减小档距，结果使线路基建投资成倍增加，而且随着孤垂的增大，运行中混线事故发生的机会增大。 3.2.2 导线与避雷线最大使用应力 实现最大限度地利用导线的机械强度，应尽量减小孤垂，从而降低杆塔的高度。这种思路，既满足了安全性，又保证了经济性。导线机械强度允许的最大应力称为最大允许应力，用表示[11]。架空送电线路设计技术规程规定，导线和避雷线的设计安全系统不应小于2.5，所以，最大允许应力为:                                             （3.1） 式中[](Mpa)、Teal(N)、(Mpa)、A(mm2)、2.5分别为导线最低点的最大允许应力、导线的计算拉断力、导线的计算破坏应力、导线的计算截面积、导线最小允许安全系数。在线路设计、施工过程中，一般我们应使导线在各种气象条件中，出现的最大应力恰好等于最大允许应力[]。但是由于地形或孤立档等条件限制，有时必须把最大应力控制在比最大允许应力小的某一水平上，即>2.5。因此，我们必须把设计时所取的最大应力对应的气象条件时导线应力的最大值称为最大使用应力，用表示，则                                                 （3.2） 式中、分别表示导线最低点的最大使用应力、导线强度安全系数。由此可知，=2.5时，有=[]，此时，我们称导线按正常应力架设;当>2.5时<[]，此时称为按松驰应力架设。在实际工程中，一般导线安全系数均取2.5，但变电所进出线档的导线的最大使用应力经常是受变电所进出线构架的最大允许拉力所控制的;对档距较小的其他孤立档，导线最大使用应力则往往是受紧线施工时的允许牵引长度控制;对个别地形高差很大的耐张段导线最大使用应力又受导线悬挂点应力控制。这些情况下，导线安全系数均大于2.5，为松驰应力架设。 导线LGJ—240/30型钢芯铝绞线的最大使用应力：按设计规程要求安全系数不小于2.5，导线破坏应力为260.32MPa，在设计冰厚15mm控制条件时，取最大使用应力为104MPa,安全系数为2.5。 避雷线XGJ-50/7锌铝合金镀层钢绞线的最大使用应力：按杆塔地线支架高度及导线与避雷线水平位移距离，在气温为15℃、无风、无冰条件下，导线与避雷线在档距中央的距离不小于(0.012L+1)的要求下，可推算出避雷线XGJ-50/7最大使用应力为389.26Mpa。 3.2.3 导线悬链线解析方程 若把悬挂在杆塔上的导线看成是一条理想的柔软的、荷载沿导线长均匀分布的悬链线，则导线上任一点的拉力的方向与该点的切线方向相一致。如图3.1所示，假设导线悬挂在A,B两点，导线最低点O的应力为,沿导线均匀分布的比载g，则导线悬链线方程为：                                                     （3.3）     式中，y——任意点P的纵坐标；x——导线最低点O至任意点P的水平距离（m）。 上式是精确计算导线应力和弧垂的基本方程式。 导线最低点O至任意点P的线长，可按下式计算：                                                         （3.4） 图3.1导线在档距中的受力状态        当x=l/2时，由式                            （3.5） 得y=（弧垂），即                                                       （3.6） 由上式得：                                      （3.7） 导线任意点P的应力δx，可按下式计算：                                                           （3.8） 当x=l/2时，导线悬点应力δ为：                                                 （3.9） 式中，y——导线悬点等高时，悬点的纵坐标。从上式中可以看出，导线悬点处的应力比导线最低点的应力δ0大于gy的值。 在工程设计中，当悬点高差（h）与档距（）之比/h＜0.1时，可将式（3.3）、（3.4）和（3.9）综合三个公式按级数展开后略去高次项，得到导线任意点（x）的纵坐标、线长和应力的平抛物线近似计算公式[14]：                               （3.10）                                             （3.11）                                               （3.12） 3.2.4 导线悬点等高弧垂计算 导线悬挂曲线上任意一点至两悬挂点连线的铅垂距离，称为该点的弧垂[1]。档中央的弧垂则称为中点弧垂。工程上所说的弧垂，一般系指档距中央弧垂。导线垂有水平弧垂和斜弧垂之分，如果导线两悬点等高，连线是水平的，其相应各点弧垂称为水平弧垂；如果两悬点不等高，连线是倾斜的，其相应的弧垂则称为斜垂。由于水平弧垂和斜弧垂是近似相等的，因此，所谓弧垂均可泛指为斜垂。如档距中央的弧垂，也可以说是档距中央的斜弧垂。 3.2.5 中点弧垂的计算 如图3.2所示的悬点等高情况，当式（3.3）中的x=/2时，则得到中点弧垂的精确计算公式，即： 图3.2 悬点等高的弧垂                                                                （3.13） 式中，—档距中央导线的弧垂（m）；δ0—导线最低点的应力（N/mm2）；g—导线的比载[N/(m.mm2)]；—档距（m）。 同理，当悬点高差（）与档距（）之比＜0.1时，在式（3.10）中以x=l/2代入，则得中点弧垂的近似计算公式（平抛物线计算公式），即：                                                                                           （3.14） 3.2.5 任意点弧垂的计算 如图3.2所示，导线任意点的弧垂可表示为，利用式（3.6）和式（3.14） 代入（3.14），经过整理，即得到任意点的弧垂精确计算式：                                       （3.15） 当悬点高差（h）与档距（）之比＜0.1时，可利用式（3.14）和式（3.10） 进行计算，可得到任意点（x）的弧垂近似计算式：                                                             （3.16）                                                                     （3.17）                                                         （3.18）                                                         （3.19）                               （3.20） 式中，                                                      （3.21） 3.2.6 悬点不等高时弧垂计算   导线悬点不等高时，设档距为,比载为g，最低点O的应力为δ0。这时导线最低点不在档距中央，而是偏向悬点B侧，偏离的水平距离为m。在曲线上取一点A’与A对称，取一点B’与B对称，则AA’之间的悬挂曲线称为悬点A的等效悬挂曲线，其相应的档距l称为悬点A的等效档距，中央弧垂称为悬点A的水平弧垂。同理，BB’的导线悬挂曲线称为B点的等效悬挂曲线，称为B点的等效档距，称为悬点B的水平弧垂、的中点，就是等效档距的导线最低点。 悬点不等高时任意一点的弧垂和中点弧垂，根据式（3.10）                                                             （3.22）                                                             （3.23） 悬挂点A、B的高差△h为：                                       （3.24） 式中，xA，xB——分别为悬点A、B至导线最低点O的水平距离。 图3.3 悬点不等高的导线 根据图3.3的几何相似关系，导线任意一点的高差△h为：                                                 （3.25） 将式（3.24）代入上式得：                                                 （3.26） 由图3-3可见，导线任意一点的弧垂为：                                                       （3.27）                                               （3.28）                                                               （3.29）     式中，x，y——分别为导线任意一点对导线最低点O的横 纵坐标；，—分别为悬点A、B至导线任意一点的水平距离。     上两个方程式完全一致，是计算悬点不等高时，导线任意一点的斜弧垂近似计算公式。 将==l/2代入式（3.20），即可得到悬点不等高时的中点斜弧垂，即：                                                                 （3.30） 3.3 导线的状态方程式 3.3.1 孤立档的状态方程 悬挂在两杆塔间的导线，其应力和弧垂是随档距和气象条件的变化而改变的， 求不同气象条件下的导线的应力必须要借助于导线的状态方程式。孤立档的状态方程式近似公式为                       （3.31） 式中，、—分别为已知气象条件和待求气象条件下的比载[N/（m.mm2）]； —待求气象条件下，温度为和比载为时导线最低点应力(N/mm2）；—已知气象条件下，温度为和比载为时导线最低点应力(N/mm2）；α—导线的线膨胀系数（1/℃）；β—导线的弹性伸长系数（mm2/N）,为弹性系数E的倒数；—档距(m)。 3.3.2 连续档的状态方程式                               （3.32） 式中，为耐张段的代表档距。应力的计算对于不考虑高差影响的状态方程式，若令                       （3.33） 则可变形为：                                                   （3.34） 3.4 导线的临界档距 架空线路的导线应力是随档距和气象条件的变化而改变的，且无论档距和气象条件如何变化，导线的应力均不会超过控制应力，控制应力有两个：最大使用应力和年平均运行应力[15]。导线控制应力确定后，还必须知道出现控制应力时相应的气象条件。各种档距并非是同一控制条件控制。当大于某一档距时，由一种条件控制；小于某一档距时，则由另一控制条件控制。两种控制条件的分界点，称为临界档距。在临界档距时，两种均为控制条件，这时两种控制条件的应力为同一数值。因此，在计算导线应力弧垂特性曲线时，首先应确定控制条件，求出各种控制条件的临界档距，并判别出各种控制条件下所控制档距的范围，便可计算其它气象条件下的导线应力。这样按照控制条件和控制档距范围计算的导线应力，在任何档距或任何气象条件下均不会超过控制应力。 3.4.1 临界档距的计算方法 （1）两种控制气象条件下，导线应力不相同（即m≠n）时，临界档距可根据导线状态方程导出：                             （3.35） （2）两种控制气象条件下，导线应力相同时，根据临界档距的定义，两种情况都起控制作用时导线应力只有一个控制应力。根据导线状态方程式可推导出两种控制条件导线应力相等的临界档距为：                                                       （3.36）             3.5 线路的代表档距   前面分析了孤立档距内导线受力和弧垂的计算公式，下面分析连续档的代表档距的计算，即在一个耐张段内（两基相邻的耐张杆塔间）具有若干悬垂点的直线杆塔（非耐张杆塔）的连续档距中，各档导线最低点应力是按统一值架设的。当气象条件变化时，由于各档距线长和高差不一定相同，各档应力变化就不完全相同，从而使直线杆塔上出现不平衡张力差，使悬垂绝缘子串产生偏斜。偏斜的结果又使各档应力趋于基本一致，这个应力称为耐张段内的代表应力，其值是用耐张段的代表档距（也称为规律档距）代入导线的状态方程中求出。代表档距分为悬挂点等高和悬挂点不等高两种情况。 3.5.1 悬挂点的代表档距                                               （3.37）                                                           （3.38） 式中——代表档距(m)；，,…———耐张段内各档的档距(m)。 4 导线的机械物理特性与荷载的计算 4.1 导线的机械物理特性     一般指抗拉强度、弹性系数、线膨胀系数及密度[8]。 4.1.1 导线的抗拉强度     导线的计算拉断力与导线的计算截面积的比值称为导线的抗拉强度或瞬时破坏应力。                                                                                                                （4.1） 式中，参数p、、A分别表示导线的抗拉强度（N/mm2）导线的计算拉断力（N）和导线的计算截面(mm2)。 4.1.2 导线弹性系数     指在弹性限度内，单位截面上作用一单位应力时，导线单位长度上所产生伸长值的倒数值。导线的弹性系数按下式计算：                                         （4.2） 式中，、、m、分别表示钢芯铝绞线的弹性系数（N/mm2）、钢的弹性系数（N/mm2）铝对钢的截面比、铝的弹性系数（N/mm2）。 4.1.3 导线的线膨胀系数     导线温度升高1℃时，导线单位长度的伸长值。按下式计算：                                                                                                                                        （4.3）      式中，、分别表示钢和铝的线膨胀系数。 4.1.4 导线的密度     导线是由单质材料构成的多股绞线，其密度就是原材料的密度。钢芯铝绞线的钢部与铝部截面比不同，其导线密度随钢铝截面比而定，一般不列出钢芯铝绞线的密度。 4.2 导线、避雷线荷载 导线单位面积、单位长度的荷载称为比载。比载在导线的荷载计算中是最合适 的参数。在线路的设计中，常用的比载共有7种，计算方法如下： 4.2.1 自重比载   由架空线本身自重引起的比载，按下式计算：                                                         （4.4） 式中, 、A分别表示导线自重比载[N/（m.mm2）]、导线单位长度质量（kg/m）和导线截面积（mm2）。 4.2.2 冰重比载     架空线上覆冰后，冰重除以架空线长度及架空线截面积即为架空线的冰重比载。计算式如下：                                     （4.5） 式中，γ0=0.9、b、d分别为冰的比重（g/cm3）、导线覆冰厚度(mm)、导线的计算直径(mm)。 4.2.3 覆冰时导线的垂直总比载     是架空线自重比载g1与冰重比载g2之和。可按下式进行计算：                                                               （4.6） 4.2.4 无冰时导线风压比载     无冰时导线每单位长度、每单位截面上的风压载荷，计算式如下：                                         （4.7）     式中，g4、α、C、d、v、θ分别为无冰时导线风压比载[N/（m.mm）]、风速不均匀系数、风载体型系数、导线计算外径(mm)、设计风速（m/s）、风向与架空线轴线之间夹角。 4.2.5 覆冰时的风压比载     覆冰导线每单位长度、每单位截面上的风压载荷，可按下式计算                                                   （4.8） 4.2.6 无冰有风时的综合比载     在导线上垂直方向作用着的自重比载与风压比载的几何和。计算式如下：                                                 （4.9） 4.2.7 有冰有风时的综合比载   在导线上垂直方向作用着自重和冰重的比载与在水平方向作用着覆冰风压比载的几何和。计算式如下：                         （4.10） 5 导线的防振设计 当风雪作用于张紧在空中的导线上时，导线会呈现出具有不同特征的振动现象。随着实践经验的不断积累，目前已知的架空线发生的振动类型主要有：微风振动、次档距振动、脱冰跳跃和摆动、电晕舞动、短路振荡等。在以上的各种震动中，微风振动最为常见，持续时间最长，危害性最大，所以需要着重注意微风振动的问题。 5.1 微风振动的形成 当均匀的微风吹向导线时，在导线的背风面产生上下交替变化的气流漩涡，即“卡门漩涡”，从而使导线受到一个上下交替的作用力，当这个脉冲力的频率与架空线的固有振动频率相等时，产生的谐振，即产生微风振动。 微风振动频率一般频率较高，常见频率范围为10～120Hz，振幅较小，一般不超过导线的直径。振动持续时间较长，振动时间达全年时间的30%～50%左右。微风振动的危害是造成导线在线夹出口断股甚至断线和金具绝缘子的损伤等。 5.2 导线的振动方程 导线的振动波形为沿导线分布的驻波，同一频率的振动波其波节和波腹位置不变，该振动波为                             （5.1） 式中，——为最大的振幅；λ——为振动波波长；——为导线的自振频率。 5.3 影响导线振动的因素 导线振动的主要影响因素有悬挂点的高度、风向、线路金国地区的地理条件、档距大小及导线应力大小等。 导线悬挂点越高，地面对风的均匀性破坏程度就越小，风振动的风速范围将较大，因而振动持续时间较长，振幅较大[18]。在平坦开阔地区导线与引起风速振动的范围如表5.1所示。      表5.1  开阔地区引起风振动的风速范围 档距（m） 150-250 300-450 500-700 700-1000 导线悬挂高度(m) 12 25 40 70 风速范围（m/s） 0.5-4.0 0.5-5.0 0.5-6.0 0.5-8.0   经过观测试验表明，风向对导线的震动有很大的影响。当风向与线路成450～900角时，导线产生稳定的振动，当风向与线路成300～450时，振动不连续且少有稳定振动，当夹角小于200时，一般不会出现振动。 当线路经过平坦、开阔地区时，风的均匀性不易受到破坏，最易产生持续振动因此对于经过河流、湖泊、旷野的线路，应加强防振措施。 档距大小对振动也有较大的影响，当档距在75～100m以下时不需安装防振措施。当档距较大时，风输入给导线的振动能量加大，振动加剧。从而表明风给与导线的振动能量与档距成正比。 导线应力大小与振动有较密切的关系，结合国内外线路运行的实际情况可得，提高导线应力会导致振动频率增加，容易使导线过早疲劳从而加速了断股和断线的事故。因此为了限制导线振动的危害性，规程规定，导线和避雷线的平均运行应力的上限和相应的防振措施，应符合表5.2要求[18]：                       表5.2  线的平均应力的上限和防振措施 情况 防振措施 平均运行应力的上限 （瞬时破坏应力的%） LGJ GJ LJ 档距不超过500m的开阔地区 不需要 16 12 17 档距不超过500m的非开阔地区 不需要 18 18 20 档距不超过120m 不需要 18 18 20 不论档距大小 护线条 22 — — 不论档距大小 防振锤（阻尼线）或另加护线条 25 25 25 5.4 主要的防振措施   （1）减弱产生振动的条件，如尽量避免导线通过开阔地带，降低导线的运行应力等。   （2）加强导线自身的耐振能力，如采取疲劳强度极限高的导线、安装护线条、改善线夹结构等。 （3）吸收导线的振动能量，降低振动强度，如安装防振锤和阻尼线。采用阻尼大的导线。 5.5 防振锤选取与安装 在架空线路上安装防振锤是目前广泛采用的防振措施之一，防振锤的安装设计需要确定防振锤的型号，安装个数和安装位置[20]。 5.5.1 防振锤个数的选择 防振锤的型号需与导线和避雷线相匹配，他们的配合关系如表5.3所示。 表5.3 防振锤与架空线的配合表 防振锤 型号 FD-1 FD-2 FD-3 FD-4 FD-5 适用导、地线型号 LGJ-35～50 LGJ-70～95 LGJ-120～150 LGJ-185～240 LGJ-300～400 LGJQ-300～400 防振锤 型号 FD-6 FG-35 FG-50 FG-70 FG-100 适用导、地线型号 LGJQ-500～630 GJ-35 GJ-50 GJ-70 GJ-100 防振锤的安装个数与档距有关，档距越大，需要安装的防振锤数量就越多，它们之间对应关系见表5.4所示。 表5.4 防振锤个数选择表 防振锤个数 1 2 3 架空线直径（mm） 档距范围（m） 档距范围（m） 档距范围（m） d＜12 ≤300 ＞300～600 ＞600～900 12≤d≤22 ≤350 ＞350～700 ＞700～1000 22＜d＜37.1 ≤450 ＞450～800 ＞800～1200 5.5.2 防振锤安装距离的确定 防振锤的安装位置应在驻波的波腹处,以便最大限度的消耗能量。然而,对于不同的风速，导线具有不同的振动频率和波长,为了使防振锤在各种稳定振动的风速下均有良好的防振效果,防振锤的位置应顾及到最长和最短的稳定振动波。 振动波的最大半波长为                           （5.2） 振动波的最小半波长为                                       （5.3） 式中  、——稳定风速的上、下限，m/s ； ——最低气温时导线的最大应力， N/mm2 ；——最高气温时导线的最小应力，N/mm2。 为了对最大波长和最小半波长具有相同的防振效果，防振锤的安装距离为:                                               （5.4） 式中， ——防振锤距线夹出口的距离（m）。 5.5.3 防振锤的安装方法 当防振锤的个数不止一个时，采用的安装方法有等距离安装和不等距离安装两种方法。等距离安装即防振锤之间的距离均为，这种方法可能会使有的防振锤安装在波节或波节附近，起不到防振的作用。 不等距离安装防振锤常用的方法有两种：   （1）方法一。当需要安装两个防振锤时，若两个防振锤同型号，则                         ,                    （5.5） 若两个防振锤不同型号，则                 ，                  （5.6） （2）方法二。当需要安装两个以上防振锤时                                 （5.7） 式中 ---防振锤的安装数量；---防振锤序号。 按照设计规程规定，钢芯铝绞线年平均运行应力大于破坏应力的16%，钢绞线年平均运行应力大于破坏应力的12%，即需采取防振措施。据此，本工程设计冰厚15mm地段均需采取防振措施。本工程采用防振锤防振，导线采用FD-4型防振锤，避雷线采用FD-1型防振锤。 6 杆塔型式的选择 6.1 杆塔塔型选择的要求 输电线路杆塔型式的确定，应根据国家经济建设发展水平，不断总结杆塔设计、运行和施工的经验，择优选取技术先进、经济合理、安全适用的杆塔型式。线路杆塔型式是多种多样的，一条线到底选用何种杆塔外型结构，主要取决于线路的电压等级、线路的回路数、线路经过地区的气象条件以及地质情况等。进行一条线路的设计，必须结合工程特点，确定杆塔所采用的型式[9]。 6.2 杆塔在线路中的分类和用途 6.2.1 直线杆     直线杆塔的杆型用于线路直线段，它承受线路正常运行时的垂直荷载和横向水平风荷载，在顺线路方向也有一定承载能力，以支持断线或其他情况的纵向张力。     平地和丘陵地区的110kV的线路广泛采用不带拉线的钢筋混凝土单杆，常用的杆头型式有上字型、鸟骨型和斜三角型。 6.2.2 耐张杆   一般指直线耐张杆或小于50的转角杆是一种坚固、稳定的杆型,在正常运行时受到的载，基本与直线杆相同。不同的是它将两侧的线路从机械结构上分隔为两个区段，从而便于施工和检修，同时限制线路机械事故的范围。 6.2.3 转角杆     转角杆用于线路的转角向处，分直线型和耐张型。35kV以上的转角500以下用耐张型。转角杆比直线杆多承受沿分角线方导线张力的合力，合力大小随转角角度增大而递增。为平衡此合力，必须加强杆型材料或在转角反方向侧增加拉线。 6.2.4 终端杆   终端杆为承受单侧拉力的耐张杆，它位于线路的首末两端，即发电厂或变电站出线或进线的第一基杆。 6.2.5 跨越杆   跨越杆位于通讯线、电力线、河流、山谷、铁路等交叉跨越的地方。跨越杆是较高的直线型杆或耐张型杆。 6.3 钢筋混凝土电杆 钢筋混凝土电杆充分利用了钢筋和混凝土两种材料的特性,具有经久耐用、节约钢材、运行维护方便、施工方便等优势。 6.3.1 它的设计应该达到的要求   （1）杆塔各部分尺寸必须满足电器条件的要求；   （2）必须满足强度、变形、稳定和抗裂的要求；   （3）设计电杆应考虑制造、运输和施工安装的方便性。 6.3.2 结构的基本规定   （1）挠曲度。在荷载的长期效应组合（无冰、风速5m/s及年平均气温）作用下，设h为自地面起至计算点处高度；杆塔计算挠曲度不应超过下列数值： ①直线型无拉线单根钢筋混凝土电杆，5h/1000； ②直线型拉线塔塔顶，4h/1000； ③直线型拉线塔，拉线点以下塔身为拉线点高低的2/1000。   （2）裂缝允许宽度。在考虑荷载的短期效应组合并长期效应组合的影响下，普通和部分预应力钢筋混凝土构件的计算裂缝允许宽度分别为0.2mm和0.1mm；预应力钢筋混凝土构件的混凝土拉应力限制系数应小于1.0。   （3）长细比。构件允许最大的长细比见表6.1所示。 表6.1 构件允许最大的长细比 钢筋混凝土直线杆 180 预应力钢筋混凝土直线杆 200 耐张转角和终端杆 160 6.4 杆塔荷载的计算 6.4.1 导线、避雷线的垂直荷载 荷载按受力的方向一般分为垂直荷载、横向荷载和纵向荷载。垂直荷载G是指垂直于地面方向的荷载；横向荷载P是沿横担方向的荷载；纵向荷载T是指垂直于横担方向的荷载[21]。 有冰时                                        （6.1）无冰时                                        （6.2） 式中 ——自重比载；——垂直总比载；——导线、避雷线的计算截面面积；——垂直档距；——绝缘子串及金具的重量；——覆冰时绝缘子串及金具的重量； ；设计冰厚15mm时，=1.225。 6.4.2 杆塔风荷载的标准值                                                             （6.3）     式中：—风向与杆塔面相垂直时，杆塔风荷载标准值，kN；—构件的体型系数，他的取值为：环形截面钢筋混凝土电杆为0.7；—构件承受风压投影面积的计算值，；d —圆断面杆件直径，m；—杆塔风荷载的调整系数；—塔身背风面荷载降低系数 见表6.2所示。 表6.2 塔身背风面荷载降低系 /A 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 >0.6 b/h 1 1.0 0.85 0.66 0.50 0.33 0.15 2 1.0 0.90 0.75 0.60 0.45 0.30 6.4.3 杆塔承载能力的极限状态 结构或构件达到最大承载能力或不适应继续承载的变形。其表达式为                                     （6.4）     式中——结构重要性系数。特别重要的杆塔结构取1：1；110kV电压线路的各类杆塔取1.0；临时使用的各类杆塔取0.9；—永久负荷的分项系数，对结构受力有利时，取1.0；不利时取1.2；—第i项可变负荷的分项系数；—永久负荷标准值；—第i项可变负荷标准值；—可变负荷的组合系数；、—分别为永久荷载和可变负载效应系数；—结构构件的抗力设计值。 本工程线路仍沿用在湖南省内通用的110KV杆塔型式。本工程全线地形以丘陵为主，在交通允许的情况下，可打拉线，有排杆场地，杆高在电杆使用范围内，优先采用了钢材耗量少，施工方便且有运行经验的预应力钢筋混凝土电杆，分别为Z21、Z22、Z23、Z24、Z25直线杆，J21、J22-18转角耐张杆；在超过电杆使用条件，排杆、立杆、打拉线困难的地方及重要交叉跨越处、线路通道狭窄处，采用自立式铁塔。共采用5种塔型，分别是：47Z2直线塔，FZ1-37.5直线跨越塔，JG1-18、JG2-18 、JG3-18转角塔。所选杆塔形式见表6.3所示。 表6.3全线杆塔型估算数量及技术条件 序号 塔型 类别 转角度 设计档距（米） 数量 水平 垂直 1 Z21-21 直线杆 350 440 12 2 Z22-24~27 直线杆 350 440 8 3 Z23-21 直线杆 500 625 3 4 Z25-24~27 直线杆 450 550 10 5 J21-18 转角杆 0°~30° 400 350 3 6 J22-18 转角杆 30°~60° 400 350 4 7 47Z2-25 直线铁塔 450 650 3 8 47Z2-30 直线铁塔 450 650 10 9 FZ1-35.7 直线跨越铁塔 450 700 2 10 110JG1-18 转角铁塔 0°~30° 350 500 2 11 110JG2-18 转角铁塔 30°~60° 350 500 2 12 110JG3-18 转角终端铁塔 60°~90° 350 500 2 合计 61     本次工程所用到的杆塔见附图二、三。 7 杆塔基础的设计 7.1 杆塔基础基本要求   杆塔基础承受着杆塔荷载传递到基础顶面的外力作用。随着杆塔所受到的荷载的变化，基础所受到得作用力随之变化。因此杆塔基础的设计应满足杆塔在各种受力情况下，杆塔不倾覆，杆基不下沉、不上拔，使线路能长期安全可靠地运行。 通常，线路所经过地区的地域辽阔，地形、地质情况不同，所使用的杆塔形式亦不同，所使用的杆塔形式亦不同，因此设计时应结合施工特点和杆塔受力情况来确定采用何种形式的基础[7]。 7.1.1 基础设计荷载 基础设计荷载指杆塔在各种气象条件下线路的运行情况、断线情况和安装情况所承受的荷载传至基础顶面的作用力。     宽基铁塔基础的作用力有是上拔力、下压力和水平力。窄基铁塔基础的作用力有水平力、垂直力、和倾覆力矩。拉线杆塔的基础作用力有拉线的上拔力和柱体的下压力。 7.1.2 设计安全系数 基础设计采用允许承载力方法和安全系数法计算。基础作用力采用荷载标准值。基础的上拔和倾覆稳定设计用安全系数按表7.1取值。基础强度的设计安全系数按表7.2取值。 表7.1  上拔和倾覆稳定设计的安全系数 杆塔类型 上拔基础 倾覆稳定 K1 K2 K3 直线型 1.6 1.2 1.5 悬垂转角型、耐张型 2.0 1.3 1.8 转角型、终端型、大跨越型 2.5 1.5 2.2                   表7.2  强度设计安全系数 2 受  力  特  征 强度设计安全系数 符号 数值 混凝土 结构 按抗压强度计算的受压构件、局部承压 K4 1.7 按抗压强度计算的受压、受弯构件 K5 2.7 钢筋混凝土结构 轴心（偏心）受拉（压）、受弯、受扭、局部承压、斜截面受剪 K4 1.7 受冲切、无腹筋斜截面受剪 K6 2.2 7.2 杆塔基础的材料 7.2.1 基础材料     包括混凝土、钢筋、石材、钢材、螺栓、焊条等[7]。 （1）混凝土。混凝土基础的混凝土强度等级不宜低于C10。钢筋混凝土基础的混凝土强度等级不宜低于C15，当采用Ⅱ级、Ⅲ级钢筋或预制钢筋混凝土构件时，混凝土的强度等级不宜低于C20。 （2）钢筋。钢筋混凝土基础一般采用Ⅰ级～Ⅲ级钢筋。对C15强度等级混凝土的钢筋混凝土基础宜采用Ⅰ级钢筋，多数用于现场浇制。对C20强度等级混凝土的钢筋混凝土基础宜采用Ⅱ、Ⅲ级钢筋。 （3）石材。石材主要用于作电杆的底盘、拉线盘和卡盘等。 （4）钢材、螺栓和焊缝。基础设计所用的钢材、螺栓和焊缝计算均采用允许应力的计算。 7.3 杆塔基础型式 （1）“大开挖”基础。预先挖好基坑，将基础埋于其中或现场浇制基础，用回填土填实。回填土的土重用来保持基础的上拔稳定。 （2） 掏挖扩底基础。人工或机械掏挖成扩底土膜后，把钢筋骨架放入模内，然后注入混凝土。这类基础利用天然土体的强度和重量来保持上拔稳定。适用于无地下水影响的粘性土地区。 （3） 扩桩基础。以爆扩成土模，在扩大端放入钢筋骨架注入混凝土。适用于可以爆扩成型的硬塑、可塑状态粘性土中。 （4）石锚桩基础。在岩石上钻凿成孔，放入钢筋并注入水泥砂浆或混凝土。这类基础在山区采用。 （5） 孔灌注桩基础。专门的钻具钻较深的孔，以水头压力货水头压力泥浆护壁，放入钢筋并浇注混凝土。在杆塔跨河的软弱地基可考虑使用。 （6）倾覆基础。指埋置在填实的回填土中承受较大倾覆力矩的电杆基础、窄基塔基础和宽基塔基础[9]。 7.4 基础的上拔计算 “大开挖”基础和掏挖扩底基础称为普通基础。普通基础的上拔计算通常采用“土重法”计算。 阶梯形基础上拔的稳定计算： “土重法”计算上拔稳定时T为                                               （7.1） 式中  T—上拔力；—基础自重；—土的计算容量；、—基础上拔稳定安全系数；—深度内的基础体积；—水平力的的影响系数； V—上拔土锥体体积。 上拔土锥体体积V的计算方法分两种，其中： （1）当时 方形底板                        （7.2） 圆形底板                        （7.3） （2）当时 方形底板                （7.4） 圆形底板              （7.5） 式中 B——方形底板边长；D——圆形底板的直径；a——回填土的计算上拔角；——回填抗拔土体的临界深度。按表7.3取用                       表7.3  临界深度 土类 土的状态 临界深度 圆形底板 方形底板 砂石类 稍密、密实 2.5D 3.0B 粘性土 坚硬、硬塑 2.0D 2.5B 可塑 1.5D 2.0B 软塑 1.2D 1.5B   本工程设计根据土质及铁塔型式采用现浇台阶式刚性基础和掏挖式基础混合使用，在土质较好、无地下水及非硬质岩石的直线塔和小转角铁塔采用掏挖式基础，其他地方基础采用现浇台阶式刚性基础；这两种型式基础施工简便，工期短，质量易保证。混凝土强度等级均采用C20级，胶结材料采用425#普通硅酸盐水泥；钢材：A3（Q235）。基础型式及技术经济指标详见附图四。 8 绝缘子串和金具 8.1 绝缘子串的选取 本工程绝缘子采用FXBW4-110/100型合成绝缘子，结构高度1240mm，直线杆塔全高超过40m，复合绝缘子长度采用1440mm。绝缘子爬电距离不小于3150mm。耐张串采用双联绝缘子串，跳线采用单串绝缘子串。合成绝缘子在高压侧加装均压环，跳线串采用配重式均压环。导线绝缘子串组装型式如表8.1所示，绝缘子机电特性如8.2所示，绝缘子主要尺寸如8.3所示[12]。 表8.1 导线绝缘子串组装型式表 组 装 型 式 绝缘子型号及片数 悬    垂 单 串 1× FXBW4-110/100 双 串 2× FXBW4-110/100 耐    张 单 串 1× FXBW4-110/100 双 串 2× FXBW4-110/100 跳    线 单 串 1× FXBW4-110/100（重锤式） 表8.2  绝缘子机电特性表 型    号 机械破坏负荷（不小于)kN 冲击耐受电压(不小于)(kV) 1分钟湿耐受电压（不小于）kV 最小击穿电压 （不小于）kV FXBW4-110/100 100 550 230 110 表8.3  绝缘子主要尺寸 型    号 公称结构高度 H（mm） 最小电弧距离（mm） 公称爬电距离S（mm） 连接型式标记 单重重量 （kg） FXBW4-110/100 1440±30 1200 3300 16R 4.8 本次工程中悬垂绝缘子串在跨越高等级公路、河流，跨越35kV高压线路时采用双串，其它均采用单串，耐张绝缘子串均用双串。 8.2 挂线金具 本工程挂线金具采用1997年国标定型金具，主要金具见8.4表所示： 表8.4  挂线金具 金具名称 型号 破坏荷重不小于 (KN) 备注 悬垂线夹 XGU-4 40 用于LGJ-240/30 悬垂线夹 XGU-2 40 用于XGJ-50/7 耐张线夹 NY-240/30 握着力不小于70 用于LGJ-240/30 耐张线夹 NY-50G 握着力不小于60 用于XGJ-50/7 接续管 JYD-240/30 握着力不小于70 用于LGJ-240/30 接续管 JY-50G 握着力不小于60 用于XGJ-50/7 防 振 锤 FR-3 用于LGJ-240/30 防 振 锤 FR-1 用于XGJ-50/7 导、避雷线接续金具均采用液压连接，导线与避雷线金具见附图五。 8.3 空气间隙 绝缘子串相配合的线路带电部分对杆塔的最小空气间隙值见表8.5所示： 表8.5 最小空气间隙值表 运行情况 大气过电压 内部过电压 运行电压 最小空气间隙(MM) 1000 700 250 9 防雷与接地 9.1 防雷设计 本线路地处某市近郊，雷电活动较少，该区域的110KV及以上线路运行情况良好，因此本工程按通用设计全线采用双避雷地线，并逐基直接接地。杆塔上地线对边导线的保护角在25°左右。为防止雷击档距中央反击导线，在+15℃无风情况下。档距中央导线与地线间距离应满足下列校验公式的要求： S≥0.012L+1                    （9.1） 式中：S—导线与地线间距离（m） L—档距（m） 根据DL/T 621-1997《交流电气装置的过电压和绝缘配合》6.1.3条规定，有避雷线的110kV线路,在一般地壤电阻率地区,其耐雷水平不低于40-75kA。本工程使用的杆塔经耐雷水平计算。在一般土壤电阻率地区是符合规程要求的。 9.2 接地设计 根据DL/T 621-1997《交流电气装置的接地》标准，每基杆塔均应接地，杆塔接地装置采用水平放射型。在雷季干燥时，每基杆塔的工频接地电阻应满足下表9.1所示。 表9.1  杆塔的接地电阻 土壤电阻率 （Ω·米） 100及以下 100~500 500~1000 1000~2000 2000以上 工频接地电阻 （不小于） 10 15 20 25 30 注：为保护变电设备提高进出线的耐雷水平，进出线2KM范围内已加大接地装置使接地电阻控制在10Ω以下，平地丘陵地区需采用防盗型接地装置。在线路中间土壤电阻率很高的地区,采用换土的方法，确保接地电阻不大于20Ω。 居民区和水田中的接地装置，宜围绕杆塔基础敷设成闭合环形。利用自然接地极和外引接地装置时，应采用不少于两根导体在不同地点与杆塔接地网相连接。水平接地体的间距不宜小于5m。接地装置的导体，应符合热稳定的要求。《交流电气装置的接地》标准规定，按机械强度要求的接地圆钢最小直径为Φ8mm，杆塔接地装置引出线的截面不应小于50mm2，并应热镀锌。接地引线与接地体的连接、接地体之间的连接应焊接，其搭接长度必须为圆钢直径的6倍（双面焊）。 本工程杆塔装设接地装置，接地装置采用φ10圆钢以水平放射方式敷设，在耕作区深度一般埋深不应小于0.8米，在山区一般埋深不应小于0.5米。接地引下线全部采用φ12热镀锌圆钢。 水田采用普通型接地装置，有人员经常活动的山地和丘陵地区采用防盗型接地装置。 9.3 避雷线绝缘设计 为便于变电站接地网电阻的测量，在变电站线路两端，门型避雷器挂线金具串采用一片带保护间隙的绝缘子XDP-70C与构架隔开，其余地段避雷线均直接接地。 10 导线对地和交叉跨越距离 根据《110—500kV架空送电线路设计技术规程》DL/T 5092-1999规定的要求，导线在地面、建筑物、树木、铁塔、道路、河流、管道、索道及各种架空线路的距离，应根据最高气温情况或覆冰无风情况求得的最大弧垂和最大风情况或覆冰情况求得的最大风偏进行计算。 计算上述距离，可不考虑由于电流、太阳辐射等引起的弧垂增大，但应计及导线架线后塑性伸长的影响和设计、施工的误差。大跨越的导线弧垂应按导线实际能够达到的最高温度计算。 导线对地及交叉跨越物的最小允许距离见表10.1所示。 表10.1  导线对及交叉跨越物的最小允许距离 被交叉跨越物名称 净距（米） 备注 居民区 7.0 非居民区 6.0 公路 7.0 弱电线路、电力线路 3.0 建筑物   垂直距离 5.0 边线最大风偏后 净空距离 4.0 最大计算风偏 树木 垂直距离 4.0 考虑自然生长高度 最小净空距离 3.5 最大计算风偏 经济作物(最小垂直距离) 3.0 导线对各类被跨物的最小垂直距离见表10.2所示。 表10.2  导线对各类被跨物的最小垂直距离 被跨越物 最小垂直距离（m） 备注 铁路 至标准铁路轨顶 7.5 至电气铁路轨顶 11.5 至承力索或接地线 3.0 高速公路、1级公路 至路面 7.0 2-4级公路 通航河流 至五年一遇洪水位 6.0 至最高航行水位的最高船桅顶 2.0 不通航河流 至百年一遇洪水位 3.0 至特殊管道任何部分 4.0 至索道任何部分 3.0 至电力线路 3.0 至弱电线路 3.0 在跨越档内，导线及避雷线均不得接头，并采用双串绝缘子,跨越须满足DL/T 5092-1999 《110kV-500kV架空送电线路设计技术规程》中要求。 11 利用WCAD for autoCAD软件的计算   由于对工程线路中的导线和避雷线的应力弧锤的计算涉及到许多的参数的计算，手工计算的过程相当繁杂，因此本次设计将通过“架空电力线路辅助设计（WCAD for autoCAD）”这个软件来进行应力和弧锤的曲线计算。用 WCAD软件计算应力弧垂曲线的步骤： 11.1在WCAD for autoCAD中计算参数的步骤     （1）进入WCAD for autoCAD软件后在主菜单中选择“导线计算”，打开后进入“计算参数”部分，将各类计算参数的原始数据对应输入 ，打开界面如图11.1所示。 图11.1  导线计算参数界面 （2）然后输入工程所在地区的气象条件如图11.2所示，包括：最低气温、最大风速、最大覆冰、大气过电压等等。 图11.2 气象条件窗口 （3）根据工程选定的导线和避雷线的型号，了解到导线和避雷线的各类参数，并将其输入到软件中，导线参数结果如图11.3所示，避雷线参数结果如图11.4所示。               图11.3 导线的参数                                                                                                   图11.4  避雷线的参数     （4）输入完数据后，点击运行程序，使其进行导线的计算，可以得出导线的各种参数。导线的比载计算得出:                      ①自重比载G1(kg/m.mm.mm):0.003342 ②冰重比载G2(kg/m.mm.mm):0.003238 ③覆冰时导线的垂直总比载G3(kg/m.mm.mm):0.006579 ④风压比载G4(kg/m.mm.mm):0.000587 ⑤最大风压比载G4(kg/m.mm.mm):0.003119 ⑥覆冰时风压比载G5(kg/m.mm.mm):0.001131 ⑦无冰有风时的综合比载G6(kg/m.mm.mm):0.003393 ⑧有冰有风时的综合比载G7(kg/m.mm.mm):0.003593 ⑨覆冰综合比载G8(kg/m.mm.mm):0.006676 ⑩其有效临界档距为153.02m。 (5）最后激活软件在autoCAD中生成导线的特性曲线和安装曲线，导线特性曲线如图11.5所示，导线安装曲线如图11.6所示。 图11.5  导线特性曲线 图11.6  导线安装曲线 同理也可以得到避雷线的特性曲线和安装曲线，避雷线特性曲线如图11.7所示，避雷线安装曲线如图11.8所示。 图11.7  避雷线特性曲线 图11.8  避雷线安装曲线 11.2 导线的曲线模板的计算 输入导线的档距和比率的参数，再利用软件导出并在autoCAD中生成曲线，计算结果如图11.9所示。 图11.9 曲线模板界面 导出得到曲线如图11.10所示。 图11.10 导线曲线 结论     本设计通过对该地区架空线路的部分原始数据的综合分析，初步设计了一段110kV架空输电线路。主要内容包括线路路径的选取，导线和避雷线的应力弧垂的计算，线路的防振，杆塔的基础设计和选型等。本次设计的内容包含了部分非本专业的知识的计算，具有一定的挑战性，同时也是对自学能力的一次考验。     本文主要是对110kV架空输电线路进行初步设计，在具体的实施过程中主要完成了以下工作。    （1）路径的选取和杆塔的定位。通过对原始数据的分析和工程规章的规定，对线路的路径走向进行合理的选取，并在断面图上进行杆塔的初步定位。   （2）对线路导线和杆塔的选型，杆塔的基础，导线、避雷线的防振进行了初步的设计，并得出一个初步的结果。   （3）对输电线路的气象条件、导线的应力和弧垂、杆塔的荷载进行了初步的计算。      通过这次毕业设计，我对架空输电线路的设计的过程有了一个较完整的概念。更重要的是它使我学到了怎样去独立思考问题，解决问题，提高了解决问题的能力，为我今后的工作奠定坚实的基础。归纳起来，主要有以下几点： (1)学会了怎样去利用工具书、去查阅资料。在当今社会里，知识总量激增，一个人无法了解所有知识。因此，在设计过程中需要用到一些不曾学过的东西时，就要去有针对性的查找资料，然后去加已吸收利用，以提高自己的应用能力，增长见识，补充最新的专业知识。 (2)毕业设计起到了对以前所学知识加以巩固和对新学的知识进一步消化的作用。 (3)进一步加强自己的实际应用能力。比如提高我对CAD制图的熟练掌握能力，及其论文的排版格式等实践能力。 (4)培养了我严谨务实的工作作风和实事求是的科学态度，养成吃苦耐劳的习惯，同学之间的合作精神也在毕业设计中充分体现出来。 由于我的水平有限，设计中仍发现有许多不足，考虑问题欠全面之处，敬请老师们批评指正。希望能够在以后的工作中更好的磨练自己，提高自己。 参考文献 [1]黄俊杰，王身丽,陈早明等.架空输电线路弧垂计算的计算机实现[M].湖北电力，2003. [2]孟隧民，李光辉.架空输电线路设计[M].北京:中国屯峡出版社，2000. [3]许建安.35-110KV输电线路设计[M] .中国水利水电出版社.2007. [4］曾宪凡．高压架空线路设计基础[M].北京：水力电力出版社，1995. [5］张万椿．高压架空输电线路设计与计算[M].成都：四川科学技术出版社1986. [6]SDGJ94-90．架空送电线路杆塔结构设计技术规定[S]．水利电力出版社．1990. [7]SDGJ62-84．送电线路基础设计技术规定[S]．水利电力出版社．1984. [8]DL/T 5092-1999．110～500kV架空送电线路设计技术规程[S]．电力工业部．1999. [9]35～220kV送电线路铁塔通用设计型录．东北电力设计院[M]．1990. [10]DL/T620-97．交流电器装置的过电压保护和绝缘配合[M]．电力工业部．1997. [11]邵天晓，架空送电线路的电线力学计算[M]，水利电力出版社，1987. [12]董吉谔．电力金具手册．水利电力出版社[S]．1987. [13]郭喜庆．架空送电线路设计原理[M].北京：农业出版社，1992. [14]曾宪凡．高压架空线路设计基础[M].北京：水力电力出版社，1995. [15]李瑞祥．高压输电线路设计基础[M].北京：水力电力出版社，1994. [16]张殿生．电力工程高压送电线路设计手册[S].北京：中国电力出版社，.2002. [17]张万椿．高压架空输电线路设计与计算[M].成都：四川科学技术出版社，1986. [18]梅丽佳.架空线路导线振动的危害及防振[M].江西电力出版社，2005. [19]张殿生.电力工程高压送电线路设计手册(第二版)[S].北京:中国电力出版社，2002.10 [20]邵天晓.架空送电线路的电线力学计算北京[N]:中国电力出版社.2003. [21]高学廉.110一500kV架空电力线路施工及验收规范北京[M]:中国出版社1991. [22]华东电力设计院.DL/T5092一1999.110一50OkV架空送电线路设计技术规程[S]北京:中国电力出版社.1999.1. [23]魏锦丽.耐热铝合金导线的力学性能的研究.[D]河北保定:华北电力大学.2006. 致 谢 回首四年求学经历，不由深感幸运，求学路上得到众多老师、同学、朋友的真诚指导和帮助，使我的内心得到历练。值此毕业论文完成之际，对各位表示深深感谢！ 通过近四个月的毕业设计，我看到了自己所掌握的专业知识还不够牢固，在分析设计时遇到了很多麻烦，但在指导老师王晓芳教授的帮助下，让我顺利地完成了这次毕业设计。从论文选题开始到论文最后定稿的过程中，无不凝聚着导师的心血。老师无论从基础理论知识、分析方法、实现手段乃至论文的撰写方法，都给予了极大的帮助，在此，向老师表示深深的谢意! 最后在此我还要感谢我的母校以及电气工程系的所有领导和老师们，他们让我有一个成长的平台，授予我了丰富的知识，对我完成学业起来巨大的推动作用。 再一次向所有帮助过我的人们表示最诚挚的谢意！ 致谢人：林康泉