输电线路杆塔课程设计
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三峡大学电气与新能源学院课程设计说明书
学期:
专业:输电线路工程
课程名称:输电杆塔及基础设计
班级学号:
姓名:
指导老师:
《输电杆塔设计》课程设计任务书
一、设计题目:
110KV门型直线电杆设计(自立式带叉梁)
二、设计参数:
电压等级:110kV
避雷线型号:GJ一35
电杆锥度:1/75
电杆根部埋深:3m
顶径:270mm
气象条件:Ⅳ级
绝缘子:7片×一4.5
地质条件:粘土,γs=16 kN/m3,α=20°,β=30°,
三、设计成果要求:
1.设计说明书一份(1.5万字,含设计说明书插图)
2.图纸若干
(1)电杆尺寸布置图
(2)电气间隙效验图
(2)正常运行情况下的抵抗弯矩图
(3)事故时的弯矩图
目录
一、整理设计用相关数据……………………………….……………………..1
1 任务书参数……………………………………………………….………1
2气象条件列表.................................................................... (1)
3导线LGJ-150/35相关参数表..……………………………………..……1
4 导线比载计算................................................................. (1)
5 地线相关参数…………………………………………………………….3
6 地线比载计算…………………………………………………………….3
7 绝缘子串和金选择……………………………………………………….3
8 地质条件………………………………………………………………….4
9 杆塔结构及材料………………………………………………………….4
二、电杆外形尺寸的确定 (4)
1 杆的呼称高度…………………………………………………………….4
2导线水平距离…………………………………………………………….5 3间隙圆校验……………………………………………………………….5
4地线支架高度确定 (6)
5 杆塔总高度……………………………………………………………….7
三、杆塔荷载计算 (7)
1标准荷载………………………………………………………………….7 2设计荷载………………………………………………………………….9
四、电杆杆柱的强度验算及配筋计算......................................... (11)
1配筋计算................... (11)
2 主杆弯矩计算…………..…………………………………………..……11
3 事故情况下的弯矩计算 (12)
4 裂缝计算....................................................... (13)
5单吊点起吊受力计算 (13)
五、基础设计………….……………….………………………………..……..14
1 土壤特性...……………………………………………………………….14
2 抗压承载力计算 (15)
3 底盘强度计算……………………………………………………………15
八、参考文献…………………………………………………………………..16
九、附图
附图1尺寸布置图............ (1)
7
附图2间隙圆校验图 (18)
附图3正常运行最大风情况下的抵抗弯矩图.......................................19附图4事故时弯矩图................................................................... (20)
m MPa /1087.65310)75.117512.36()0,5(333--?=?+=γ)/(1012.5361062
.1810665.89.267610)0,0(333
1m MPa A
qg ---?=??=?=γ)
/(1075.117102
.6181)5.517(5728.27)0,5(332m MPa --?=?+?=γ)/(10625.0),0(32
4m MPa A
v d v sc f -?=μαγm
Mpa /1024.66102
.618110.5171.10.1625.0)10,0(332
4--?=?????=γ
一、 整理设计用相关数据
1、任务书所给参数:
4、 计算导线的比载:
(1)导线的自重比载:
(2)冰重比载:
(3)垂直总比载:
(4) 无冰风压比载:假设风向垂直于线路方向0.1v 110;190sin ,90==?==c K βθθ线路可
以得出下式:
1) 外过电压,安装有风:v =10m /s , f α=1.0,sc μ=1.1
m Mpa /1079.111102
.618115.5171.175.0625.0)15,0(332
4--?=??
???=γm Mpa /102.19351062
.18125.5171.185.0625.0)25,0(332
4--?=??
???=γm Mpa /1056.225102
.618125.5171.161.0625.0)25,0(332
4--?=??
???=γm
Mpa /1056.311102.618110)52.517(2.10.1625.0)10,5(332
5--?=???+???=γ2) 内过电压 v=15m/s, f α=0.75,sc μ=1.1
3) 最大风速 v=25m/s,设计强度时,f α=0.85,sc μ=1.1
4)最大风速 v=25m/s ,计算风偏时,f α=0.61,sc μ=1.1
(5)覆冰风压比载计算: v=10m/s,计算强度和强度时,f α=1.0,sc μ=1.2 (6)无冰综合比载
1) 外过电压,安装有风:
m Mpa v /10108.3710624.6512.360
0,0)10,0(33222
4216--?=?+=+=),()(γγγ 2) 内过电压 :
m Mpa /1015.8381079.111512.36)15,0(33226--?=?+=γ
3) 最大风速计算强度时:m Mpa /10711.501092.135512.36)25,0(33226--?=?+=
γ
4)最大风速计算风偏时:
m Mpa /1096.3441056.225512.36)25,0(33226--?=?+=γ
(7)覆冰综合比载:
m Mpa /1075.8541056.31187.65310
,50,5)10,5(332225237--?=?+=+=)()(γγγ 将有用比载计算结果列表:
表 4 - 2 单位:
5、计算比值0/σγ,将计算的结果列入下表:
由于最大风速和覆冰有风比载和气温都相同,故比载小的不起控制作用。 m
Mpa /103-?
=265.97 m
=虚数:
=虚数
临界档距列表如下
均气温。
5、地线GJ -35相关参数列于下表:
6、 地线比载计算:
地线的比载计算同导线比载计算,计算值列于下表:
表 6 单位:m Mpa /10
3
-?
]
)10268.0()10403.0[(80000))]
205(80000108.1704.13604.136[24)
//()]
([2423236---?-??---???+-?=
--+-=
(a a b b a b a b ab E t t E l σγσγασσ]
)10268.0()10429.0[(80000))]20(10(80000108.1704.13603.85[24)//()]([2423236c ac ---?-??--???+-?=
--+-=a a c c a c a E t t E l σγσγασσ]
)10403.0()10429.0[(80000))]
5(10(80000108.1704.13603.85[24)
//()]
([2423236b c bc ---?-??--???+-?=
--+-=
b b
c c b c E t t E l σγσγασσ
外过电压内
过
电
压
设计
强度
计算
风偏
外
过
电
压
内过
电压
设计
强度
计算
风偏
77.872 47.7
68
125.64
0
14.43
5
2
4.
3
5
9
7
6.
68
4
55.03
2
35.
9
35
79
.
1
79
81.
59
3
109.291 9
5.3
55
1
30.6
78
7、绝缘子串及金具选取:
件号名称质量(kg) 数量型号绝缘子组装图
1 挂板0.56 1 Z-7
2 球头挂环0.27 1QP-7
3 绝缘子 5.0 7 X-4.5
4 碗头挂板0.82 1 W-7A
5 悬垂线夹 2.0 1CGU-3
6铝包带0.0331×10
绝缘子串长度λ=1304mm
绝缘子串重量38.68kg
适用导线LGJ-150/35
(2)地线绝缘子串及金具选择:
件号名称质量(k
g)
数量型号+(长度mm) 金具图形
1 挂板0.56 1 Z-7(60)
2 球头挂环0.27 1 QP-7(50)
3 绝缘子 3.3 1 XDP1-7(182)
4悬垂线夹5.7 1 CGU-2(70)
绝缘子串长度λ=362mm
绝缘子串重量9.83kg
适用避雷线GJ-35
8、地质条件:
土的状态γs(kN/m3) α(°) β(°)m(kN/m3) 粘性土软塑16 20 30 48
9、杆塔结构及材料
材料:普通直立钢筋混凝土门型电杆(带叉梁)
电压等级:110kv
电杆锥度:1/75
根部埋深:3m
顶径:270mm
二、 电杆外形尺寸的确定
1、杆塔呼称高度:
(参考书-)公式(3-1)h h f H x ?+++=max λ ① 施工裕度h ?的确定:
根据设计任务书提供的水平档距m L h 240=,查表(3-7)为了更加安全取h ?=0.7m ② x h 为导线到地面及被跨越物的安全距离:
假定此杆塔安装处取居民区,根据(参考书-)x h =7.0m ③
λ绝缘子串的长度:
根据所选择的绝缘子型号及金具确定为1.304m。
④ m ax f 的确定:
根据任务书给的档距,控制气象条件为年均气温。采用状态方程式,用计算机软件算出最高温条件和最后覆冰条件下的弧垂,经过比较,最大弧垂发生在最高气温条件下。经计算,得到最高温气象条件L =260m下最大弧垂m ax f =4.589m 。
则杆塔的呼称高度H =1.304+4.589+7+0.7=13.595m 2、导线水平线间距离确定: 根据参考书目一公式3-3
m f U
D m 14.92589.465.01304.14.065.0110
4.0max =?
++?=++
=λ
3、间隙圆校验:
(1)规程规定最小间隙:工频电压时为0.25m,操作过电压时为0.7m,雷电过电压时为1.0m,考虑带电作业时需增加0.5m 。 (2)绝缘子串基本风压: 1)正常运行最大风时:()
22/91.301600
25m KN ==正
θω 2)内过电压时:()
22/41.101600
15m KN ==操
θω 3)外过电压时:()
22/63.001600
10m KN ==雷θω (3)绝缘子串所受风压:
()()()()N
P N P N P m A n n A n n P j j j j j
z J 6.31403.063.0095.01715.13203.041.1095.01715.18903.091.3095.017103.00.95, 风压变化系数
出,5-2查参考书目一表, 13m 绝缘子串的位置高度为,7,112
z 21021=???+?==???+?==???+?=====+=雷操正得μωμ (4)导线风荷载计算
N
P N P N P d d d 3.728824062.18110624.68.248724062.18110179.118.8110024062.1811056.225333=???==???==???=---雷操正外过电压时:内过电压时:工频电压最大风时:
(5)导线自重比载计算
N G D 7.2238736062.18110
512.363
=???-=正
(6)绝缘子串风偏角,即?
??
?
??++=-2/2/tan 1
j d j d G G P P ?计算,即 ?
=??
? ??++=?=??? ??++=?
=??? ??++=---55.62/2.33797.223872/6.3143.7288tan 05.112/2.33797.223872/15.3228.487tan 97.232/2.337927.23872/5.1898.81100tan 1'
1'1雷
操正???
(7)杆塔横担长度的确定:
(参考书目一)公式3-12 :)sin (21b R D h ++=?λ
其中R 为最小空气间隙,1λ为绝缘子串长,
?为风偏角,b 为杆塔上脚钉外露部分加杆径一
半的长度。根据规程,R 取1.00m,1λ=1.304m,?取最大风偏值23.97o,b 偏于安全考虑,取0.3m。计算得到 :h D =2×(1.00+1.304×97.23sin +0.3)=3.660m
由于三相导线呈水平排列:则横担长度: D=2×h D =2×3.660=7.320m
考虑到杆塔半径影响,取横担长度为8.00m
(8)根据CAD 作图进行间隙圆校验,起控制作用的是带电作业情况,导线与杆塔间隙满足带电作业要求。
4、地线支架高度的确定
(1)防雷保护角:根据规程规定,可取防雷保护角α=25o。根据下图,取a =0.3m,b 根据横
担结构,取b=2.0m (参考书一公式
3-8 )3823.65m m ,30020007.923tan 2
2
2
=-=-=?=H H H a b Tan 可以求出α
(2)计算地线支架高度:
(参考书目一公式3-7)H1=H2-λ1+λ2=3823.65-1304+362=2881.65mm 取整后,地线支架高度取3.0m,此时防雷保护角减小,有利于防雷。 (3)地线之间水平距离校验:
(参考书目一公式3-9)D=4000+2×300=4600mm ≤5×3823.65=19118.25mm,符合要求。
5、杆塔总高度确定:
杆塔总高=总H H+H1+H2=13.595+3.0+3.0=19.595m
根据杆塔的分段,可取杆塔总高度为21.0m(加入地下埋深),分段为9m+6m +6m 。
三、杆塔荷载计算
(一)、杆塔标准荷载
1、运行情况Ⅰ:最大设计风速,无冰、未断线。 (1)地线重力为:
G B=N G L A jB v B B 86.113780665.983.936015.371072.87731=?+???=+-γ
(2)地线风压:
N L A P P B B B 1.7683240.15371084.6763)25(4=???==-γ
(3)导线重力:
N G L A G JD V D D D 9.5276680665.9.68383602.61811012.53631=?+???=+=-γ
(4)绝缘子串风压:
W A P J JD z 211
n n μ)(+==()N 5.18903.091.3095.0171=???+? (5)导线风压:
N P L A P JD P D D D 3.116235.1892402.61811092.1353)25(4=+???=+=-γ 2、运行情况Ⅱ:覆冰、相应风速,未断线。
Ⅳ级气象区,从规程中查得:V=10m/s,t =-5℃,b =5mm 。 (1) 设计冰厚为5mm ,覆冰系数取K=1.075,则地线重力为
()[(1)]
123
3
(77.87210
37.1536096.40)[47.76810
37.15360(1.0751)96.40]
1137.86690.4()
G A L G A L K G B B V JB B V JB B B N γγ=+++---=???++???+-?=+
(2)地线风压为
3
35.9351037.15240320.40()
5P A L N B B B P γ-==???= (3)导线重力为
()[(1)]
1233
(36.51210181.62360379.32)[17.17510181.62360(1.0751)379.32]
2766.601151.413918.00()
G A L G A L K G D D V JD D V JD D D N γγ=+++---=???++???+-?=+=
(4)绝缘子串风荷载为
2
10(1)1(17)0.950.0314.36()
120 1.6P n n A W N JD Z J μ=+=?+???=
(5)导线风压为
3
11.35610181.6224014.36509.35()5P A L P N D D D P JD γ-=+=???+=
3、断导线情况Ⅰ、Ⅱ:断一根导线荷载组合情况为无冰无风。
(1)地线重力:N G B 6.81137= (2)导线重力:
未断导线相:N G D 9.52766=
断导线相为:N G L A G JD V
D D D
2.617622.33792
9
.527662
1=+=
+='γ (3)断线张力:LG J-150/35型导线计算拉断力为Tp=65020N 导线最大使用张力为
65020
26008()
max 2.5
T P T N D K C === 导线最大使用张力百分比为35%,则
N X T T D D .89102%3526008%max =?==
地线支持力: △T max = 4400N ,△Tmin =4300N. 4、断地线情况:荷载组合情况为无冰、无风、导线未断。 (1)导线重力:N G D 9.52766=
(2)地线重力:N G G B B
3.3665.4962
86
.11370.4962=+=+=' (3)断线张力:GJ-35最小破断拉力Tp=43424N
地线最大使用张力为
16082.96()
max 2.7
43424
T
P T N D K C
==
=
地线最大使用张力百分比值为20%,则
N X T T D D 3216.59%206.916082%max =?== 5、安装情况:荷载组合情况为有相应风速、无冰。 《规程》中查得:V=10m/s,t=-5℃,b=0 (1)地线重力:6.81137=B G
地线风压为:N L A P P B B B 0.71282405.1371035.4143
)25(4=???==-γ (2)导线重力:N G D 9.52766=
导线风压:N L A P P D D D 3.728824062.1811024.663
)10(4=???==-γ
(二)杆塔设计荷载
1、运行情况Ⅰ:最大设计风速,无冰、未断线。
(1)地线重力为:N G B 3.4136586.1137.21=?='
(2)地线风压为:N P B
9.19571.7683.41=?='
(3)导线重力:N G D
1.933199.52766.21=?=' (4)导线风压:N P D
8.322723.11623.41=?=' 2、运行情况Ⅱ:覆冰、相应风速,未断线。
Ⅳ级气象区,从规程中查得:V=10m /s,t=-5℃,b=5mm 。 (1) 设计冰厚为5mm ,覆冰系数取K=1.075,则地线重力为
1.21137.86 1.4690.42331.99()G N B
'=?+?=
(2)地线风压为
1.4320.40448.56()P N B
'=?=
(3)导线重力为
1.22766.60 1.41151.413319.921611.974931.89()
G N D
'=?+?=+=
(4)导线风压为
1.2509.35611.22()
P N D '=?=
3、断导线情况Ⅰ、Ⅱ:断一根导线荷载组合情况为无冰无风。
(1)地线重力:N G B
3.413656.81137.21=?=' (2)导线重力:
未断导线相: N G D
1.933199.52766.21=?=' 断导线相为:N G D
4.121152.61762.21=?='' (3)断线张力:
N T D
12743.92.89102.41=?=' 地线支持力: △Tm ax = 1.4×4400=6160N ,△T m in =1.4×4300=6020N.
4、断地线情况:荷载组合情况为无冰、无风、导线未断。
(1)导线重力: N G D
1.933199.52766.21=?=' (2)地线重力:N G B
0.47983.3665.21=?=' (3)断线张力(地线不平衡张力): N T D 3.245033216.59.41=?= 5、安装情况:荷载组合情况为有相应风速、无冰。
《规程》中查得:V=10m/s ,t=-5℃,b =0 (1)地线重力: N G B 3.4136586.1137.21=?='
地线风压为:N P B
8.11800.7128.41=?=' (2)导线重力: N G D
1.933199.52766.21=?=' 导线风压:N P D
2.2404
3.7288.41=?='
四、电杆杆柱的配筋计算及强度验算
1、配筋计算:
初步选用配筋为1412φ,C 30混泥土2
2
/310,/5.16mm N f mm N f y cm ==二级钢筋 断面外半径:
2221278500)225275(14.3,225,275mm A mm r mm r =-?===混泥土的面积
钢筋的面积:
m
N M A f A f A f a r A f r r A f M mm A g y cm g y g g y cm g ?=?+???++??=<=??+??=+=++=--=?=4.113028014
.3234.0180sin )2225275184631022225275785005.16(3
.0234.018463102785005.161846
3102sin )22(,966,184********)
(按受弯构件计算:根据参考书三公式ππα
2)设计处的剪切力V: m N f tD V N V T m T V t D Q D Q ?=?=<=??==??===26.18.17.07.005.40550
502.113380
2.1133801274375.04.1,75.0,4.1,为断线张力
=其中ψγψγ 剪力由混泥土承受,环形截面的螺旋筋仅按配置构造。
2、正常情况下的弯矩计算:
设杆身厚度为50mm ,则根据图示尺寸计算:
244cm 2.04739)1.73.741(1.74324
.13=-??=
C W
244cm 9.58030).3423.52(52.3324
.13=-??=O W
零点弯矩位置:
.97m 29
.580302.047392
.04739.08=+?
=Z
弯矩为零处杆径为:
m 47.075
03.157.2075h 101=+=+
=D D 2、主杆弯矩计算:
(1)杆身风压计算
高度变化系数取,1z =μ构件体形系数,.60s ,=μ杆塔风荷载调整系数 1.0z =β。 A 点单位长度杆身风压为
B点单位长度杆身风压为
C 点单位长度杆身风压为
O 点单位长度杆身风压为
(2) 各段风压合力作用点高度:
m
/96.67.6
125231.07.201.6016
.122
2
10z s z 0f z s z N V D D W A P A =?+???=?
+?==βμμβμμm
/6.672.6
12525.307.201.6016
.122
2
20z s z 0f z s z N V D D W A P B =?+???=?
+?==βμμβμμm
/1.580.6
1252417.07.201.6016
.122
2
30z s z 0f z s z N V D D W A P C =?+???=?
+?==βμμβμμm
/2.786.6
125247.07.201.6016
.122
2
40z s z 0f z s z N V D D W A P O =?+???=?
+?==βμμβμμ
m
38.86
7
.407.207.407.202303.15h 2.871m
5
.307.205.307.20236h m
66.411.307.201.307.20233h 0B =++??==++??==++??=弯矩为零处时
A (3)各段弯矩计算:
3580.09N/m .303.4136566.4136.96739.1957=?+??+?=A M
m 18942.54N/71.8266.672238.32272369.195720.55=???+??+???=)(B M m 17667.66N/7.92.11)38.861.580238.227239.19572(0.55=????+?+??=C M N/m
5.430180)97.28(.11)38.862.786238.227239.19572(0.55=-????+?+??=O M 3、事故情况下弯矩计算:
事故断边导线荷载已列于荷载设计值图中。荷载系数为0.75,地线支持力△T max = 1.4×4400=6160N ,△T min =1.4×4300=6020N.则杆根弯矩为:
N/m 5.497727)196020162.9127432.1(5.70=?-???=O M
横担处主杆弯矩:
13545N/m 5.7036020=??-=A M
正常大风时弯矩图 事故时弯矩图 4、裂缝计算:
小,故不会开裂。
,比最大风荷载时:计算裂缝宽度
)计算开裂弯矩
(采用光面配筋取螺距已知参数:
cr S d tk cr tk s d s E c c s E c s s M m KN M m KN W f M mm KN f r r mm r A r r W mm A A A E E v mm S mm N E mm N E mm r mm r mm r ?=?=??====?-=-==??+=+==?-+=-+===========8.130)3(.6375.3112576180.267.12/0.27.61275
2254.024
.025257618.311250
489169)225275(4)
(891691846)18.6(78500)1(.8
65
.292001
200,/5.29,/200,250,225,275)1(2
1232202
22
1202221γγαα
5、单吊点起吊受力计算:
取横担和绝缘子串总重为4000N ,将锥形电杆自重按等径电杆均布荷载,取电杆比重为1.5KN/m 计算,电杆起吊组装图如下图所示,B 点为起吊点,C点为支称点。起吊中两杆受力相同,故可只计算一根杆受力。
1.求支座反力
N
Y N
F q F q M
c B B c
15750177502000211500177500
32
1
15
152********
22=-+?===??-?-?+??=∑ 2.计算各点的弯矩
m
N M m
N M m
N M m
N M D c B A ?=?-=??-=?-=??-=?=06750315002
1
67503150021
022 B C段产生的最大弯矩:m N M ?=.851770max 从上面结果可以看出,吊装杆塔时是安全的。
吊装弯矩图
五、基础设计
1、土壤特性:γs=16 kN /m3,α=20°,β=30°,承载力特征值
kpa 263f ak =。
2、抗压承载力计算
(1)杆塔传给基础的荷载为:
下压力:N
G M
N D
1.4453902
2
211500391.331923.413654
5.4301802
b 1
-=??+?+?--=-
-=∑∑
上拔力:
N
G M
N D
8.6301422
2
211500391.331923.413654
5.4301802
b
2-=??+?+?-=-
=
∑∑
故此电杆不会对基础产生上拔力。 (2)底盘压应力计算
选取规格为0.8×0.8×0.18的底盘,质量为277kg,体积为0.1153m 底盘上方土重为:
KN V G 4.46)4
5.504.133.80.80(162
s =?-???==γ土
(参考书一公式11-61) 2
3m /.9625540.8
0.89.8)
27710(6.44.211.445390N A
G
N P G =??+??+=+=
∑γ
(3)底盘承载力验算
由于基础埋深超过0.5m,故计算时
kpa h s d 303)5.03(160.10263)5.0(3-b f f 0b ak a =-??++=-++=γηγη)
( kpa f 40475.0/303/f P a ==='γγ
P 62..554kpa P '≤=,则底盘抗压承载力符合要求。
3、底盘强度计算
(1)(参考书一公式11-63)P m D ==?=?=q 9.404
0.55.1434a 2
2
1,π
.5N.m 523)9.40.802()9.40.80(24
.962554a a 2a a 24q 2121=+?-=+-=
)()(I M 2
6
0s mm 3.81510
21018.0875.05.52375.80=???==
y I f t M A s 22s mm 6400m 4.60.80.80A A ≥==?='
故底盘强度符合要求。
参考文献
1.陈祥和,《输电杆塔及基础设计》
2.孟遂民,《架空输电线路设计》
3.东北电力设计院,《电力工程高压送电线路设计手册》第二版
4.DL_T5092-1999(110-500KV架空送电线路设计技术规程)5.懂吉锷,《电力金具手册》2001第二版,中国电力出版社
6,周泽存,《高电压技术》第二版,中国电力出版社