電氣類,桿塔課程設計(門型無叉梁).doc

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電氣類（輸電線路方向） 《輸電線路桿塔設計》課程設計 設計說明書 題目：110KV—門型直線電桿設計（直立無叉梁） 班級：2007148120 姓名： 學號： 指導老師：文中 三峽大學電氣與新能源學院 年 月 目 錄 一、整理設計用相關數(shù)據(jù)…………………………….. （1）氣象條件表………………………… （2）桿塔荷載組合情況表………………………… （3）導線LGJ-150/8相關參數(shù)表………………… （4）地線GJ-35相關參數(shù)表………………… （5）絕緣子數(shù)據(jù)表…………………….. （6）線路金具的選配表……………….. （7）電桿結構及材料………………….. （8）地質條件……………………….. 二、導地線相關參數(shù)計算………………… （1）導線比載的計算………………….. （2）避雷線比載的計算…………………. （3）導線最大弧垂的計算……………….. 三、電桿外形尺寸的確定………………….. （1）電桿的總高度………………. （2）橫擔的長度…………………. 四、荷載計算……………………… 五、電桿桿柱的強度驗算及配筋計算………………. （1）正常情況的彎矩計算…………… （2）斷線情況時的彎矩計算………… （3）安裝導線時的強度驗算…………… （4）桿柱彎扭驗算……………. （5）正常情況的裂縫寬度驗算……………… （6）電桿組立時的強度驗算………………… 六、電桿基礎強度校驗…………….. 七、拉線及附件設計…………………….. 八、參考文獻……………….. 九、附圖 1整理設計用相關數(shù)據(jù) 1.1整理該典型氣象Ⅳ區(qū)的計算用氣象條件參數(shù)如下表1 表1計算用氣象條件 最大 風速 覆冰 有風 最低 氣溫 年均 氣溫 最高 氣溫 內過 電壓 外過 有風 外過 無風 安裝 有風 氣溫（℃） -5 -5 -20 10 40 15 15 15 -10 風速（m/s) 25 10 0 0 0 15 10 0 10 冰厚（m) 0 5 0 0 0 0 0 0 0 1.2桿塔荷載組合情況 1.2.1正常運行情況的荷載組合如下表2 表2正常情況荷載組合表 運行情況一（大風） 運行情況二（覆冰） 運行情況三（低溫） 氣溫（℃） -5 -5 -20 風速（m/s） 25 10 0 冰厚（m） 0 5 0 1.2.2直線桿塔斷線情況的荷載組合如下表3 表3斷線情況荷載組合 單回線路與雙回線路斷導線 各種回路斷地線 氣溫（℃） -5 -5 風速（m/s） 0 0 冰厚（m） 0 0 斷線情況 斷一相或一相分裂導線，地線未斷 導線未斷，有一根地線出現(xiàn)不平衡張力 1.2.3安裝情況的荷載組合 其氣象條件為：10m/s、無冰、相應氣溫。 直線型荷載組合有：1）提升導線、地線及其附件時發(fā)生的荷載 2）導線及地線錨線作業(yè)時，導線及地線的錨線張力 1.3導線LGJ-150/8相關參數(shù)， （參考《架空線路設計》）整理后列下表4 表4導線LGJ-150/8參數(shù) 截面積A (mm2) 導線直徑d(mm) 彈性系數(shù)E (MPa) 溫度膨脹系數(shù) (1/C) 計算拉斷力(N) 計算質量(Kg/km) 抗拉強度[]MPa 安全系數(shù)K 許用應力 []Mpa 年均應力上限 []MPa 152.8 16 66000 21.210-6 32860 461.4 204.3 2.5 81.72 51.075 1.4地線GJ-35相關參數(shù) （參考《架空線路設計》）整理后列下表5 表5 地線GJ-35參數(shù) 截面積A (mm2) 導線直徑d(mm) 彈性系數(shù)E (kg/) 溫度膨脹系數(shù) (1/C) 公稱抗拉強度(Mpa) 計算質量(Kg/km) 最小破斷力KN) 37.2 7.8 18508 11.510-6 1470 275 54.63 1.5導線絕緣子串數(shù)據(jù) 根據(jù)任務書上的相關要求選有7片X—4.5絕緣子， 根據(jù)參考書4，查得絕緣子串組裝圖和每組絕緣子串材料表分別如圖1和表6 圖1絕緣子串組裝圖 表6每組絕緣子串材料表 件號 名稱 質量(kg) 數(shù)量 型號＋(長度mm) 1 掛板 0.56 1 Z-7（60） 2 球頭掛環(huán) 0.27 1 QP-7（50） 3 絕緣子 5 7 X-4.5（146） 4 懸垂線夾 2.0 1 CGU-3（102） 5 預絞絲 0.2 1 FYB-150/8 絕緣子串長度 ＝1012mm 絕緣子串重量 35.0kg 適用導線 LGJ-150/8 1.6地線金具選配數(shù)據(jù) 根據(jù)參考書4，查得金具組裝圖和每組金具材料表分別如圖2和表7 圖2送電線路地線懸垂串組裝圖 序號 1 名 稱 地 線 個 數(shù) 單 重 （kg） 長 度 （mm） 總 重 (kg) 長 度 （mm） U型掛環(huán) 1 0.5 80 2 掛環(huán) 1 0.55 100 3 懸垂線夾 1 1.40 82.5 2.45 262.5 1.7電桿結構及材料 根據(jù)任務書上的要求，電桿的結構為：電桿采用離心法制造，選用頂徑270mm，電桿根部埋深為3m，錐度為1/75的拔梢桿，電焊連接。電桿的材料：當壁厚大于35mm時，離心混凝土等級不得低于C40,鋼筋宜采用Ⅰ級、Ⅱ級、冷拉Ⅲ級鋼筋或冷拔鋼絲（參考書5）。所以當選用壁厚為50mm的電桿時，可選用混凝土等級為C40，采用Ⅱ級鋼筋。 1.8地質條件 一般電桿基礎為粘性土，選用塑型指標，液性指數(shù)，空隙比e=0.8，計算容重。查參考書5可知，土的上撥角，土的計算內摩擦角,土的承載力特征值。 其參數(shù)列于下表8 表8地質參數(shù)表 參數(shù) （kN/） ( (kN/) 數(shù)值 13 0.5 0.8 17 25 35 220 2導地線相關參數(shù)計算 2.1導線比載計算 2.1.1導線的自重比載 2.1.2冰重比載 2.1.3垂直比載 2.1.4水平比載 假設風向垂直于線路方向即，，110kV線路。由下式可以得到不同情況下的水平比載。 1）外過電壓，安裝有風：，，，所以 2）內過電壓：，， ，所以 3）最大風：，計算強度時， ，，所以 計算風偏時，，所以 4）覆冰風壓比載：，計算強度和計算風偏時候的相同，，，所以 2.1.5事故比載 事故情況：無冰無風，所以其比載為導線的自重比載。 2.1.6無冰綜合比載 1）外過電壓，安裝有風，有 2）內過電壓，有 3）最大風：計算強度時，有 計算風偏時，有 2.1.7覆冰綜合比載 計算強度和計算風偏時大小相等，有 將各種情況氣象條件下的比載計算值匯于下表9 表9 LGJ-150/8導線的比載(單位:) 項目 自重 覆冰 無風 無冰 綜合 無冰綜合 無冰綜合用于強度 無冰綜合用于風偏 覆冰綜合用于強度 數(shù)據(jù) 29.6125 48.6664 30.6362 32.4427 51.1621 42.1114 50.3119 備注 2.2地線比載 同理可得地線在各種情況下的比載，結果如表10 表10地線GJ-35（）比載(單位:) 項目 136.935 數(shù)據(jù) 83.997 131.764 85.404 90.899 117.413 2.3導線的最大弧垂計算 2.3.1計算臨界檔距，并確定控制條件 1）計算可能的應力控制氣象條件的，并排序 ，如下表11。 表11可能的應力控制條件 最大風速 最厚覆冰 最低氣溫 年均氣溫 許用應力（MPa） 81.7199 81.7199 81.7199 51.0749 比載 0.050312 0.051162 0.029612 0.029612 （1/m） 0.0006157 0.0006261 0.0003624 0.0005798 溫度t(℃) -5 -5 -20 10 由小到大編號 c d a b 2）按等高懸點考慮，計算個臨界檔距為 根據(jù)臨界檔距的計算公式： （1） 如兩種氣象條件下架空線許用應力相等，則上式為 （2） 由上述兩式計算各臨界檔距為 3）判斷有效臨界檔距，確定控制條件。 將各臨界檔距值填入有效臨界檔距判別表12，容易看出m為有效臨界檔距。實際檔距，則年均氣溫為控制條件。 表12有效臨界檔距判別表 可能的控制條件 a(最低氣溫) b(年均氣溫) c(最大風速) d(最厚覆冰) 臨界檔距（m） 1363.8233 2.3.2計算最大弧垂 當檔距為270.00m、高差為0時，控制氣象條件：年均氣溫。最大弧垂出現(xiàn)的氣象條件為最高溫或覆冰無風。 根據(jù)參考書（《架空線路設計》教材）中相關確定最大弧垂發(fā)生氣象條件的方法可得，當控制比載、用應力、t=10℃時，計算的臨界溫度℃>t_max,則最大弧垂發(fā)生在覆冰無風氣狀態(tài)：，f_max=7.432m 求外過電壓狀態(tài)的弧垂，用于檔距中央導線與地線的垂直距離計算：f_max= 5.283m 3桿塔外形尺寸的確定 3.1電桿呼高計算 根據(jù)參考書5中相應計算公式： （3） 式中 絕緣子串的長度，；最大弧垂， ；導線考慮其對非居民區(qū)的高度，則；施工裕度（參考書5，表3-7）。所以 電桿的呼高，可取電桿呼高H=15.5m。 3.2電桿塔頭尺寸 3.2.1計算導線支架長度 由于為門型桿，則導線的排列方式為水平排列。單回路導線之間的水平距離由（4）式確定（參考書5）。 （4） 根據(jù)條件有，，考慮一定的裕度可選擇導線之間的水平距離，，導線支架長度。 3.2.2電桿橫擔長度的確定 1）計算外過電壓、內過電壓、運行電壓、帶電作業(yè)，四種情況絕緣子的風偏角 這四種情況在110kV下，帶電部分與桿塔構件間的最小間隙分別為： 、、（參考書3）。絕緣子風偏角的計算公式如下式（5） (5) 這四種情況的氣象條件為：按運行電壓校驗間隙，采用最大風速及相應氣溫；按內過電壓和外過電壓校驗間隙，采用其相應風速和氣溫；校驗帶電作業(yè)間隙時，應采用風速10m/s及氣溫15℃ (參考書3)。 絕緣子的水平分壓荷載計算式為（參考書5式（2-13）） （6） （7） 根據(jù)（6）、（7）式計算這幾種狀況下的絕緣子的水平風壓，式中，，，（參考書5），有 根據(jù)5式計算四種狀況的絕緣子風偏角分別為 2）計算導線橫擔長度 根據(jù)電桿的橫擔計算式： （參考書5） （8） 按（8）式計算上述四種狀況時的橫擔長度分別為 所以橫擔的長度可取2m，即. 所以最終確定導線支架的長度 3.2.2地線支架高度 地線支架高度是指地線金具掛點到上橫擔導線絕緣子串掛點之間的高度，。 計算公式為（5）式（參考書5） （9） 根據(jù)參考書5，110kV其防雷保護角宜為25， 則可取電桿的保護角α=25。 由式（參考書5）得出地線與導線間的垂直投影距離， 按（9）式計算地線支架高度，有 所以，地線支架的高度可取2.5m 地線之間的水平距離 3.3確定電桿高度 電桿的總高度，。電桿的結構布置圖如附圖1，到此電桿的外形尺寸確定完畢，其總高度為21m；橫擔長度為2m 3.4電氣間隙校驗 其電氣間隙遠如附圖2所示。 4荷載計算 4.1計算荷載標準值 4.1.1運行情況 （1）運行情況Ⅰ：根據(jù)表2，其氣象條件為：，℃，。 1）地線重力為 24.03 =867.696（N） 2）地線風壓為 3）導線重力為 4)導線的風壓為 （2）運行情況Ⅱ：根據(jù)表2，其氣象條件：，℃，。 1）設計冰厚為5mm，覆冰系數(shù)取K=1.075，則地線重力為 2）地線風壓為 3）導線重力為 4）導線風壓 （3）運行情況Ⅲ：根據(jù)表2.其氣象條件為，，t=-20℃,b=0. 1）地線重力為 2）導線重力為 圖3（a）、（b）分別表示運行情況Ⅰ、運行情況Ⅱ荷載圖 4.1.2斷線情況 （1）斷線情況Ⅰ、Ⅱ，根據(jù)表2，氣象條件為無冰、無風。 1）地線重力: 2）導線重力。 未斷導線相: 斷導線相為 3）斷線張力。LGJ-150/8型導線的計算拉斷力。 導線最大使用張力為 導線最大使用張力百分比值為35%，則 地線的支持力：,。 圖3（c）、（d）為斷導線荷載圖。 （3）斷地線情況：斷地線荷載組合為無冰、無風、導線未斷。 1）導線重力： 2）地線重力： 3）地線的斷線張力。GJ-35的最小破壞力 地線最大使用張力為 地線最大使用張力百分比值為20%，則 圖3（e）為地線荷載圖 4.1.3安裝情況 安裝情況Ⅰ：提升導線、地線及其附件時發(fā)生的荷載，荷載組合情況從《規(guī)程》查得：，t=-10℃，b=0 1）地線重力： 2）地線風壓： 3）導線重力： 4）導線風壓: 正在起吊導線時橫擔的重力（采用裝向滑輪掉線方式）為 4.1.4桿身風壓的計算 根據(jù)已知條件：風壓高度變化系數(shù)取，結構體形系數(shù)取，桿塔風荷載調整系數(shù)取（參考書5） 1）正常情況大風時 橫擔處單位長度桿身風壓為 電桿接頭處單位長度桿身風壓為 地面處單位長度桿身風壓為 2）安裝情況。 橫擔處單位長度桿身風壓為 電桿接頭處單位長度桿身風壓為 地面處單位長度桿身風壓為 4.2荷載設計值計算 計算荷載分別以分項系數(shù)和荷載組合系數(shù)可由公式（10）計算 （10） （1）運行情況Ⅰ：其永久荷載分項系數(shù),可變荷載組合系數(shù)，可變荷載分項系數(shù)，有 1）地線重力為 2）地線風壓為 3）導線重力為 4)導線的風壓為 （2）運行情況Ⅱ： 1）地線重力為 2）地線風壓為 3）導線重力為 4）導線風壓 （3）運行情況Ⅲ： 1）地線重力為 2）導線重力為 圖4（a）、（b）分別表示運行情況Ⅰ、運行情況Ⅱ荷載圖 4.1.2斷線情況 （1）斷線情況Ⅰ、Ⅱ，其永久荷載分項系數(shù),可變荷載組合系數(shù)，可變荷載分項系數(shù)，有 1）地線重力: 2）導線重力。 未斷導線相: 斷導線相為 3）斷線張力。LGJ-150/8型導線的計算拉斷力。 導線最大使用張力為 導線最大使用張力百分比值為35%，則 地線的支持力：,。 圖4（c）、（d）為斷導線荷載圖。 （3）斷地線情況：斷地線荷載組合為無冰、無風、導線未斷。 1）導線重力： 2）地線重力： 3）地線的斷線張力。GJ-35的最小破壞力 地線最大使用張力為 地線最大使用張力百分比值為20%，則 圖4（e）為地線荷載圖 4.1.3安裝情況 安裝情況Ⅰ：其永久荷載分項系數(shù),可變荷載組合系數(shù)，可變荷載分項系數(shù)，有 1）地線重力： 2）地線風壓： 3）導線重力： 4）導線風壓: 正在起吊導線時橫擔的重力（采用裝向滑輪掉線方式）為 5電桿桿柱的強度驗算及配筋計算 5.1計算條件（整理前面的結果） 1）線路電壓110kv 2）導線型號LGJ-150/8,地線型號GJ-35 3） 設計水平檔距270m,垂直檔距390m 4） 采用固定線夾和固定橫擔 5） 主干采用離心法制造。全長21000mm,按（12mm+9mm）分段,壁厚50mm,主桿采用電焊連接，混泥土采用C40,Ⅱ級鋼筋. 6）桿塔的呼稱高度15.5m 7）荷載計算設計值如下表13所示 表13塔頭荷載設計值 情況 氣象，荷載及張力 正常 安裝 斷線 覆冰 最大風 最低溫 氣象條件 氣溫C －5 -5 －20 -10 -20 冰厚mm 5 0 0 0 0 風速m/s 10 25 0 10 0 水平荷載 (N) 導線 758.1 2887.9 3275.3 地線 495.5 1153.6 垂直荷載 (N) 導線 4193 2565.1 2565.1 5821.7 3606.34 地線 2014 1041.2 1041.2 760 地線張力(N) 5098.8 斷導線殘存張力(N) 6440.56 5.2彎矩計算 根據(jù)錐度1/75，則桿的根徑。嵌固點的深度為3000/3=1000mm。 計算荷載分別剩以分項系數(shù)和荷載組合系數(shù)所得有 （1）運行情況運行情況Ⅰ（大風）時：,， （2）安裝情況下：，， 5.2.1正常情況的彎矩計算 桿頭荷載如圖4（a）所示，截面0、1、2、3、4、5處分別在地線支架處、導線橫擔處、連接處、地面處、嵌固點處和桿根處（見圖5）。截面（見圖5）0、1、2、3、4、5處的彎矩可由下式（１１）計算得 　　?。ǎ保保? 按梯形面積的重心高度計算，Z計算公式為 （12） 按（12）式計算各段風壓作用點高度 　?。保┻\行情況Ⅰ（大風） 運行情況Ⅰ（大風）的彎矩圖示于圖6 ２）運行情況Ⅱ（覆冰） 因為運行情況Ⅱ的計算方法同，因為非重冰區(qū)，故不是控制條件，計算略去。 5.2.2斷線情況 因為斷邊導線對桿身產(chǎn)生的彎矩比斷中導線要大的多（即斷邊導線起控制作用），故只計算斷邊導線時桿柱的彎矩。 計算門型電桿斷線情況各點的彎矩可以根據(jù)下式（12）（參考書5） （12） 根據(jù)參考書5，（表2-11）查得；（表2-4）查得則有。 1）斷邊導線情況 首先計算斷導線時的設計荷載。 斷導線張力為 地線最大支持力為 地線最大支持力為 地線的不平衡張力為 橫擔處的彎矩根據(jù)式（12） 嵌固點處的彎矩為 斷邊導線時的彎矩圖示于圖7 2）地線不平衡張力引起的彎矩 因為在嵌固點的彎矩最大，故只計算此點的彎矩為 彎矩示圖8 5.3配筋計算 從以上計算可知，主桿彎矩由運行情況Ⅰ（最大風）控制?？紤]到主桿分段配筋，參考電桿抵抗彎矩圖（參考書5圖5-16），初步估算1、2、3、4、5截面的配筋分別為12φ14、18φ14、24φ14、24φ14、24φ14 現(xiàn)分別驗算1點及4點強度。 1）上段（）主桿強度驗算：，采用C40混凝土，混凝土的抗彎強度；Ⅱ級鋼筋，;斷面外半徑，內半徑，則 混凝土斷面面積 斷面鋼筋為12φ14，則。 據(jù)式（13）按受彎構件計算（參考書5（4-8）） （13） 2）上段（）主桿強度驗算：，采用C40混凝土，混凝土的抗彎強度；Ⅱ級鋼筋，;斷面外半徑，內半徑，則 混凝土斷面面積 斷面鋼筋為24φ14，則。 由此得 5.4安裝導線時的強度驗算 根據(jù)導線安裝情況時引起的荷載對桿柱進行強度驗算，即檢查桿柱在安裝荷載作用下各處彎矩是否滿足配鋼筋的抵抗彎矩。安裝導線時桿頭設計荷載如圖4所示。 安裝導線時各處的彎矩 1）安裝邊導線時 2)安裝中間相導線時 安裝時產(chǎn)生的最大彎矩<，故安全。 5.5桿柱彎扭驗算 橫擔內力有斷邊導線控制，斷導線后會對1截面處桿柱產(chǎn)生剪力V和扭矩T 1）計算剪力V和扭矩T 式中（參考書5表2-11），則 2）計算截面是否符合要求 其內徑： 由式參考書5中式（4-27）得 全部拉應力可由混凝土承擔，螺旋鋼筋可只按構造要求來配置。 5.6正常情況的裂縫寬度驗算 由5.3節(jié)可知嵌固點處配制24φ14光面Ⅱ級縱向鋼筋。采用φ6Ⅱ級螺旋鋼筋，螺距S=100mm。 嵌固點處外半徑，內半徑，，，， 光面鋼筋ν=1， 1）驗算裂縫寬度應采用彎矩標準值（即荷載標準引起的彎矩） 2）計算開裂彎矩 3）計算裂縫寬度 滿足要求 5.7電桿組立時的強度驗算 電桿除了要進行各種工作狀態(tài)下的強度和抗裂計算外，還應根據(jù)實際組立起吊方法進行起吊驗算。各地的施工單位均有自己的起吊方法和成套經(jīng)驗，下面以單點起吊法進行強度驗算。 圖9起吊圖 如圖9所示，以橫擔B點處為起吊點起吊電桿。已知橫擔B點的集中荷載為橫擔上部分和絕緣子重量，估計為900N；整個單電桿重30600N（電桿起吊布置如圖9所示）。為了方便計算并注意安全，將錐形電桿的自重按等徑電桿均勻荷載計算，即每米電桿自重 5.7.1支點反力 設作用O點的支持力為，作用B點的拉力為，則有 由，有 5.7.2主桿起吊時各點截面的剪力： 1）O點截面處的剪力為 在OB段內的剪力位零的截面E點距離為 2）B點的剪力為 3）電桿起吊時各O、B、E的彎矩計算為 4）求零矩點的位置 1）OB斷：設零矩點的位置距C點的距離為，則 解上面方程得 2）BA斷：零距點位置離C點的距離為，同理可得 根據(jù)求出的各點彎矩和零彎矩的位置，畫出彎矩圖，如圖9。從彎矩圖中可以看出，安裝引起的彎矩小于電桿的抵抗彎矩，安全。單桿安全，則門型桿安全。 圖9以橫擔B為起吊點剪力、彎矩圖 6電桿基礎強度校驗 此處采用下壓基礎，基礎型號為DP12-2，適合主徑為400mm的桿，計算參考圖見附圖，基礎圖，下面進行強度驗算計算 6.1設計條件 1）工程土質： 一般電桿基礎為粘性土，選用塑型指標，液性指數(shù)，空隙比e=0.8，計算容重。查參考書5可知，土的上撥角，土的計算內摩擦角,土的承載力特征值。 2）基礎作用力： 基礎上部結構傳至基礎的豎向力N N= 地盤下壓力為