输电线路杆塔课程设计

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

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 (17)

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--?=?????=γm Mpa /1079.111102

.618115.5171.175.0625.0)15,0(332

4--?=??

???=γ一、整理设计用相关数据

1、任务书所给参数：

2、气象条件列表：

3、根据任务书提供导线LGJ-150/35的参数，（参考书二）整理后列下表：

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

2）内过电压 v=15m/s, f α=0.75,sc μ=1.1

m 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--?=??

?+???=γ3) 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/σ

γ，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。表 5 - 1

Mpa /103-?

计算临界档距：

=265.97 m

=虚数：

=虚数

临界档距列表如下

因此，档距在0～265.97m 时控制气象条件是最低温，在265.97m ～∞时控制条件是年均气温。

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

7、绝缘子串及金具选取：

表 7 —1 导线绝缘子和金具

]

)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

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 1 QP-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 1 CGU-3

6 铝包带

0.03

1×10

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(kg) 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 XDP 1-7(182)

4 悬垂线夹

5.7

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

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

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 1j 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 ,300

20007.923tan 22

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：

οW 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

(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

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

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

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

.527662

1=+=

+='γ （3）断线张力：LGJ-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 ，△T min =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

.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： △T max = 1.4×4400=6160N ，△T min =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，C30混泥土22/310,/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：

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=+?

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：

38.867

.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：

/96.67.6

125231.07.201.6016

.122

10z s z 0f z s z N V D D W A P A =?+???=?

+?==βμμβμμm

/6.672.6

12525.307.201.6016

.122

20z s z 0f z s z N V D D W A P B =?+???=?

+?==βμμβμμm

/1.580.6

1252417.07.201.6016

.122

30z s z 0f z s z N V D D W A P C =?+???=?

+?==βμμβμμm

/2.786.6

125247.07.201.6016

.122

40z s z 0f z s z N V D D W A P O =?+???=?

+?==βμμβμμ

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

.292001

200,/5.29,/200,250,225,275)1(2

1232202

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

Y N

F q F q M

c B B c

15750177502000211500177500

1515200018210

22=-+?===??-?-?+??=∑ 2．计算各点的弯矩

N M m

N M D c B A ?=?-=??-=?-=??-=?=06750315002

67503150021

022 BC 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：

G M N D

1.4453902

2211500391.331923.413654

5.4301802

-=??+?+?-

-=--

=∑∑

上拔力：

G M

N D

8.6301422

211500391.331923.413654

5.4301802

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

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

1，π

.5N.m 523)9.40.802()9.40.80(24

.962554a a 2a a 24q 2121=+?-=+-=

）（）（I M 2

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