学士学位论文--220kv庄慈线架空线路设计.doc

毕业设计说明书(论文)

作 者： 学 号：
系 部：
专 业： 电气工程及其自动化（输配电工程）
题 目： 220kV庄慈线架空线路设计

指导者：

评阅者：

2013年 6 月
摘要

此次毕业设计为220kV庄慈线架空线路设计，参考《电气工程专业毕业设计指南——输配电分册》的相关内容，本着贴近工程实际的原则，本设计主要讲述了架空线路设计的基本原则和做法。
本设计的主要内容有：导线、避雷线的应力弧垂计算，绝缘子、金具的选择，杆塔的选型，线路路径选择和杆塔定位，杆塔荷载计算及塔头尺寸校验，耐张铁塔内力计算，杆塔基础设计及稳定性校验，导线、避雷线防振设计等，对每一个内容都作了详细的论述与计算，力争做到准确、经济、合理。

关键词 线路设计，应力，弧垂，杆塔稳定，杆塔荷载计算

摘要

Title Overhead line Zhuangci power line design of 220kV

Abstract
Design for the graduation of 220 kV overhead line Zhuangci circuit design,Reference "electrical engineering graduate design -- transmission and distribution volumes" relevant to elements of the project close to the actual principles, The main design of overhead lines shows the basic design principles and practices.
The design includes:wire, lightning shielding line sag stress, insulator and fitting selection, tower selection, line routing and positioning tower, tower load calculation and tower head size calibration，tower internal forces, the tower foundation design and stability calibration, wire, lightning shielding line anti-vibration design, and do a lot in calculating,making the design economical and reasonable.

Keywords line design , stress, sag, tower stability, tower load calculation

目录

前言..................................................................................................................................................1
说明书
第一章 架空线的应力弧垂.....................................................................................................2
第二章 避雷线的应力弧垂...................................................................................................10
第三章 杆塔设计.....................................................................................................................12
第四章 线路路径的选择和杆塔定位...............................................................................17
第五章 耐张杆塔头尺寸校验..............................................................................................20
第六章 耐张杆塔头荷载.......................................................................................................23
第七章 耐张杆基础校验.......................................................................................................28
第八章 导线避雷线的防振设计..........................................................................................30
计算书
第一章 架空线的应力弧垂计算..........................................................................................32
第二章 避雷线的应力弧垂计算............................................................................................36
第三章 杆塔定位结果校验.....................................................................................................38
第四章 耐张杆塔头尺寸校验.................................................................................................41
第五章 耐张杆塔头荷载图....................................................................................................43
第六章 耐张杆基础稳定性计算............................................................................................47
第七章 导线避雷线的防振设计............................................................................................48
结论.................................................................................................................................................51
致谢.................................................................................................................................................52
参考文献.......................................................................................................................................53
附录1：外文资料翻译...............................................................................................................54
附录2：附图..................................................................................................................................60

南京工程学院毕业设计说明书（论文）
前言

本设计为220kV庄慈线架空线路设计，为传统的设计题目，主要考察学生所学的知识和灵活应用知识的能力，设计的内容主要有以下特点：
一、注重内容的完整性、条理性和尽量简明扼要，在设计中提供了线路设计的整体思路，详细罗列了设计用公式和相关参数及图表；二、注重工程实践性，设计内容完全按照输电线路总体设计流程，为以后毕业生的工作打好实践基础；三、注重线路设计的合理性，对各个阶段的计算结果做了详细的论证，力争做到设计合理。
本设计的内容有：进行导线、避雷线应力弧垂计算，绘制对应的曲线；制作最大弧垂模板进行杆塔室内定位并在平断面图上作校验；选择杆塔、绝缘子、金具型式；进行绝缘配合设计、杆塔强度计算、基础稳定性计算；导地线防振设计等。
作为一名即将毕业的大学生，毕业设计在大学学习具有非常重要的作用，不仅要求我们具有扎实的专业知识，而且要对所学的知识要有一个系统的认识，比如：排杆定位时要用到弧垂模板的制作的相关知识，而且要学会运用一定的应用软件，例如：AUTOCAD等，会熟练运用它们绘制各种图形。方便对设计内容做一些修改。因而，毕业设计对于我们具有以下目的和意义：
1培养和提高我们综合运用所学的基础理论、专业知识和基本技能，巩固所学的理论知识并且加以深化及应用，能够初步掌握一些实际工作中应该具备的能力。
2 培养我们分析和解决工程实际问题的能力和进行科学研究的初步能力，能对试验的数据进行采集与分析处理。
3 培养我们独立的工作能力和创新能力，学会调查研究，收集、查询和阅读中外文的文献资料，能够进行定性、定量相结合的独立研究和论证。要求我们要使创新精神与科学态度相结合，大胆提出新的设计方案和技术措施。
4 熟悉国内、国际相关专业的发展状况，和我国电力发展的基本方针政策，树立我们工程设计所必须的安全、可靠、经济的观点。

1

南 京 工 程 学 院
毕业设计说明书

第一章 架空线的应力和弧垂
1.1 设计用气象条件的组合
架空输电线路设计常年在大气中运行，承受着四季气温、风、冰以及雷电等气象变化的影响，其中风、覆冰和气温对架空输电线路的机械强度和电气间距有较大影响，是线路设计需考虑的主要气象参数，称为气象条件三要素。其值的选取应符合整个线路的技术经济性的要求，并保证架空输电线路安全地施工和运行检修。但是在设计时并不能将三要素出现的最不利情况进行简单叠加，因为线路运行中的实际气象条件虽然是风、覆冰、气温等气象参数的组合，但最大风速、最厚覆冰、最低（高）气温通常并不同时出现。因此，必须根据线路运行、检修和施工中可能遇到的情况和实际运行经验，对原始气象资料慎重地分析，在数理统计分析基础上合理地组合设计气象条件。
1.线路正常运行情况下的气象组合
（1） 最大风速：最大设计风速，无冰，相应的月平均气温。该气象组合主要用于计算架空线和杆塔的强度或刚度，校验工作电压下的电气间距。
（2） 最低气温：最低气温，无冰，无风。该气象组合主要用于架空线的强度设计，悬垂绝缘子串的上扬校验等。
（3） 覆冰有风（最厚覆冰）：最厚覆冰，相应风速，气温-5。根据雨凇形成规律，相应风速一般为10.若该地区最大设计风速很大，可考虑相应的风速为15.
（4） 覆冰无风（最大垂直比载）：最厚覆冰，无风，气温-5。
（5） 最高气温：最高气温，无冰，无风。
2. 线路断线事故情况下的气象组合
（1）一般地区，无风，无冰，历年最低气温月的日最低气温平均值。
（2）重冰区（覆冰厚度20㎜以上），无风，有冰，气温-5℃。
3. 线路安装和检修情况下的气象组合
（1）安装气象：风速10，无冰，最低气温月的平均气温。
（2）带电作业：风速10，无冰，气温，用于带电作业的间距校验。
4. 线路耐振计算用气象组合
由于线路微风振动一年四季中经常发生，故控制其平均运行应力的组合气象条件为：年平均气温，无风，无冰。
4. 雷电过电压气象组合
雷电过电压是指由于雷电的作用在导线上产生的过电压，也称外过电压。
（1）外过有风：温度,相应的风速，无冰。
（2） 外过无风：温度,无风，无冰。
6. 操作过电压气象组合
操作过电压是由于大型设备和系统的投切在导线上产生的过电压，也称内过电压，其气象组合为：年均气温，无冰，0.5倍的最大风（不低于）。
1.2典型气象区
典型气象区作为一种计算气象条件，简化了一个地区的设计工作，便于开展标准化工作。根据我国各地区气象条件的情况，以影响输电线路设计最大的三个因素：风速、温度、覆冰厚度作为整理条件，进行了归纳合并，形成了我国九个典型气象区，此次设计中典型气象区为Ⅱ区，具体的参数如下表。
表1.1 Ⅱ气象区全国典型气象条件
代表情况
大气温度 （）
风速（）
覆冰厚度（）
最高温
+40
0
0
最低温
-10
0
0
最大风
+10
30
0
最厚覆冰
-5
10
5
内过电压
+15
15
0
外过无风
+15
0
0
外过有风
+15
10
0
安装有风
0
10
0
事故气象
0
0
0
年均气温
+15
0
0
1.3架空线的物理特性和比载
1.3.1架空线的机械物理特性
此次设计提供的导线型号为,它的各种物理特性如下表。
表1.2 的物理特性表

截面积（mm2）
导线直径
（mm）
温度线性膨胀系数（）
温度线性膨胀系数（）
计算重量
（kg/km）
计算拉断力
（N）

安全系数
324.33
23.43
20.9
63000
1002
75680
2.5
抗拉强度

许用应力

年均应力上限

221.68
88.67
55.42

在上述表中数据抗拉强度，许用应力，年均应力上限计算原理如下：
（1） 抗拉强度的计算：
（2） 架空线的许用应力
架空线的最大使用应力又称许用应力，是指架空线弧垂最低点所允许使用的最大应力，应按下式计算：
式中　　—— 架空线的最大使用应力，N/mm2；
　—— 架空线的瞬时破坏应力，N/mm2；
—— 导线、避雷线的安全系数。设计规程中规定≥2.5。
(3) 架空线的年均应力上限
在线路设计中，为了保证架空线路长期运行的安全可靠性，除了满足在任何气象条件下，架空线的最低点处的使用应力不能大于许用应力外，还应满足年平均运行应力的要求，防止导线因振动而出现断股和断线。
架空线的年平均运行应力一般取瞬时破坏应力的25%，即。这是由于架空线的年平均运行应力的上限一般按加防振措施考虑。
1.3.2架空线的比载
作用在架空线上的机械荷载有自重、冰重和风荷载。这些荷载可能是不均匀的，但为方便计算，一般按均匀分布考虑。根据架空线上作用的荷载的不同，相应的比载有自重比载、冰重比载、风压比载等。根据作用方向的不同，比载可分为垂直比载、水平比载和综合比载。
（1）自重比载

式中——架空线的单位长度质量，
——架空线的截面积，
——重力加速度，
（2） 冰重比载

式中——覆冰厚度， ——架空线的外径，；
（3） 垂直总比载

（4） 无冰风压比载

（5）覆冰风压比载

（6） 无冰综合比载

（7）覆冰综合比载

表1.3 各气象条件下比载结果图
名称
符号
结果
自重比载

30.28
冰重比载

12.15
垂直总比载

42.43
无冰风压比载（强度）

33.52
无冰风压比载（风偏）

27.27
无冰风压比载

4.97
无冰风压比载

8.38
覆冰风压比载

7.73
无冰综合比载（强度）

45.17
无冰综合比载（风偏）

40.75
无冰综合比载

30.69
无冰综合比载

31.42
覆冰综合比载

43.13

1.4架空线的应力和弧垂计算
1.4.1应力弧垂曲线
架空线的应力弧垂曲线表示了各种气象条件下应力（弧垂）与档距之间的变化关系。在确定出档距以后，很容易从曲线上得到各种气象条件下的应力与弧垂值。在制作架空线应力弧垂曲线时一般按照以下顺序：
（1） 确定工程所采用的气象条件；
（2） 依据选用的架空线规格，查取书中有关参数和机械物理性能，选定架空线各种气象条件下的许用应力（包括年均运行应力的许用值）；
（3） 计算各种气象条件下的比载；
（4） 计算临界档距，并判断有效临界档距和控制气象条件；
（5） 判断最大弧垂出现的气象条件；
（6） 以控制条件为已知状态，利用状态方程式计算不同档距、各种气象条件下架空线的应力和弧垂值（导线一般只计算最大弧垂气象和外过无风气象下的二条弧垂）；
（7） 在电脑中利用Excel绘制出应力弧垂曲线图。
应力弧垂曲线计算项目表如下：
表1.4 架空线应力弧垂曲线计算项目
计算项目
最高气温
最低气温
最大风强度
最大风风偏
覆冰无风
最厚冰强度
最厚冰风偏
内过电压
外过无风
外过有风
安装情况
事故气象
年均气温
导线
△
△
△
△
△
△
△
△
△
△
△
△
△
避雷线

△
△

△

△

△
△
△
导线
△

△

△

避雷线

△

1.4.2计算临界档距，判断控制条件
（1） 可能控制条件的有关参数见表

表1.5 可能的应力控制气象条件

最大风速
最后覆冰
最低气温
年均气温
许用应力
88.67
88.67
88.67
55.42
比载

5.09
4.86
3.41
5.46
温度
+10
-5
-10
+15
编号
B
C
D
A

（2） 按等高悬点考虑，计算各临界档距
气象条件变化时，架空线的应力也随之变化。为了保证架空线在任何气象条件下的应力都不超过许用应力，必须使架空线在长期运行中可能出现的最大应力等于许用应力，因此，需要找出出现最大应力时的控制气象条件来。档距不同，控制气象条件也不同，我们把以上条件各种情况中有两种气象条件下导线均达到各自允许应力最大值时的档距称为临界档距。
临界档距的计算公式：

计算有：
虚数，虚数，虚数，265.05m,573.39m,144.62m
（3） 由计算结果知年均气温控制全程档距。

1.4.3 架空线应力和弧垂计算原理
以各气象条件为待求条件，已知参数如下表：
表1.6 待求各气象条件及已知参数

最高气温
最低气温
年均气温
事故
外过有风
外过无风
内过电压
安装
覆冰无风
覆冰有风强度
覆冰有风风偏
最大风强度
最大风风偏

40
-10
15
0
15
15
15
0
-5
-5
-5
10
10

0
0
0
0
0
0
0
0
5
5
5
0
0

0
0
0
0
10
0
15
10
0
10
10
30
30

30.28
30.28
30.28
30.28
30.69
30.28
31.42
30.69
42.43
43.13
43.13
45.17
40.75

利用状态方程：

弧垂公式：

求得各待求条件下的应力和弧垂。
此次设计在此环节进行了创新，利用C语言程序对该状态方程进行了编译，得到了的档距的指定的应力和弧垂计算结果如下表。在Excel软件中出图。
表1.7 导线的应力弧垂计算表
档距
最高气温
最低气温
年均气温
事故
安装
应 力MPa
弧垂m
应 力MPa
应 力MPa
应 力MPa
应 力MPa
50
28.14
0.34
87.18
55.42
74.31
74.33
100
34.68
1.09
83.92
55.42
71.98
72.09
150
39.53
2.16
79.32
55.42
68.94
69.17
200
43.07
3.52
74.39
55.42
65.96
66.32
250
45.66
5.18
70.03
55.42
63.50
63.96
300
47.6
7.16
66.62
55.42
61.65
62.19
350
49.05
9.45
64.10
55.42
60.29
60.88
400
50.16
12.07
62.27
55.42
59.30
59.93
450
51.02
15.02
60.93
55.42
58.57
59.23
500
51.7
18.30
59.94
55.42
58.02
58.69
550
52.24
21.92
59.18
55.42
57.60
58.29
600
52.68
25.87
58.60
55.42
57.27
57.97

档距
外过无风
外过有风
内过电压
覆冰无风
应 力MPa
弧垂m
应 力MPa
应 力MPa
应 力MPa
弧垂m
50
55.42
0.17
55.47
55.56
81.58
0.16
100
55.42
0.68
55.59
55.88
81.11
0.65
150
55.42
1.54
55.71
56.23
80.53
1.48
200
55.42
2.73
55.82
56.52
79.97
2.65
250
55.42
4.27
55.90
56.74
79.51
4.17
300
55.42
6.15
55.96
56.91
79.14
6.03
350
55.42
8.37
56.00
57.03
78.86
8.24
400
55.42
10.93
56.03
57.12
78.64
10.79
450
55.42
13.83
56.06
57.19
78.47
13.69
500
55.42
17.07
56.08
57.24
78.34
16.93
550
55.42
20.66
56.09
57.28
78.24
20.51
600
55.42
24.59
56.10
57.31
78.16
24.43

档距
覆冰有风强度
覆冰有风风偏
最大风强度
最大风风偏
应 力MPa
应 力MPa
应 力MPa
应 力MPa
50
81.63
81.63
63.38
62.81
100
81.31
81.31
66.34
64.61
150
80.91
80.91
69.40
66.53
200
80.53
80.53
71.99
68.18
250
80.21
80.21
74.06
69.47
300
79.96
79.96
75.67
70.47
350
79.77
79.77
76.92
71.24
400
79.62
79.62
77.89
71.82
450
79.51
79.51
78.65
72.28
500
79.42
79.42
79.26
72.64
550
79.34
79.34
79.74
72.92
600
79.29
79.29
80.14
73.15

第二章 避雷线的应力弧垂曲线
2.1避雷线的应力和弧垂计算
避雷线是先根据防雷要求——在大气过电压气象条件（，无风，无冰）时，导线与避雷线在档距中央应保持的间距，此处为档距。计算出此时的应力，然后将此应力作为已知条件，求得其他各气象条件的应力。

式中 ——导线、避雷线在杆塔上悬挂点间的水平距离和垂直距离，。
——导线、避雷线的自重比载，；
——导线、避雷线在，无风，无冰时的应力，；
——档距。
由上式计算得，代入状态方程的各个气象条件下的避雷线的应力与弧垂大小，应力弧垂曲线在Excel中出图。
表2.1 避雷线的应力弧垂结果
档距
最低气温
年均气温
事故
外过无风
安装
应 力MPa
应 力MPa
应 力MPa
应 力MPa
弧垂m
应 力MPa
50
163.21
157.93
161.10
157.93
0.166
161.11
100
163.11
157.93
161.04
157.93
0.664
161.09
150
162.95
157.93
160.94
157.93
1.495
161.06
200
162.74
157.93
160.81
157.93
2.658
161.01
250
162.50
157.93
160.66
157.93
4.153
160.96
300
162.23
157.93
160.50
157.93
5.980
160.90
350
161.94
157.93
160.33
157.93
8.140
160.84
400
161.66
157.93
160.16
157.93
10.631
160.78
450
161.38
157.93
159.99
157.93
13.455
160.72
500
161.12
157.93
159.83
157.93
16.611
160.67
550
160.87
157.93
159.68
157.93
20.100
160.62
600
160.63
157.93
159.54
157.93
23.920
160.57

档距
覆冰有风强度
最大风强度
应 力MPa
应 力MPa
50
162.80
159.62
100
164.56
161.41
150
167.21
164.10
200
170.46
167.38
250
174.03
170.98
300
177.73
174.70
350
181.42
178.40
400
185.01
181.99
450
188.44
185.42
500
191.68
188.65
550
194.72
191.68
600
197.57
194.51

第三章 杆塔设计
3.1 杆塔型式的选择
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、运行和施工经验，择优选用技术先进、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，线路经过地区的气象条件，以及地形地质情况等。进行一条线路的设计，必须结合工程的特点，确定出杆塔所采用的型式。
杆塔按照在线路的用途分为六类：直线杆塔、耐张杆塔、转角杆塔、换位杆塔、终端杆塔、跨越杆塔。一条线路的线路路径上分成若干个耐张段，每个耐张段两端为耐张杆塔，中间使用直线杆塔。
铁塔是高压送电线路上最常用的支持物，大多采用热轧等肢角钢制造，用螺栓连接组装成空间桁架结构。根据结构型式和受力特点，铁塔可分为拉线铁塔和自立塔。铁塔主要用于110～500kV送电线路上。
此次架空输电线路设计为220KV庄慈线架空线路设计，采用铁塔进行设计。
表3.1 杆塔的有关参数
编号
塔型
塔名
呼称高度/m
定位高度/m
1
ZT102
直线塔
25
14.02
2
2C-J1
耐张杆
27
18.5
3.2绝缘子和金具的选择
送电线路的绝缘配合设计具体内容：
（1）按正常运行电压、内过电压、外过电压确定绝缘子型号和片数以及导线对杆塔的空气间隙距离。
（2）按内过电压、外过电压的要求确定导线对地及对各被跨越物的最小允许间隙距离；超高压线路还应满足地面静电场影响所需对地最小间隙距离的要求。
（3）按外过电压的要求确定挡距中央导线与间的空气间隙距离。
（4）按正常运行电压及导线振荡情况确定不同相导线间的最小距离。
3.2.1地区污秽等级
地区污秽等级主要根据地区的污湿特征、运行经验以及外绝缘表面污秽物的等值附盐密度三个因数综合确定。我国污秽等级分为5级，本设计中所用的污秽等级为Ⅱ级。
表3.2 污秽等级标准
污秽等级
污秽特征
盐密（mg/cm2）
泄露比距（cm/kV）
中性点直接接地
中性点不直接接地
2级
大气中度污染地区：盐碱地区，离海岸3~10km地区，在污闪季节中潮湿多雾（含毛毛雨）但雨量较少时
0.05~0.1
2.0~2.5
2.4~3.0

3.2.2 绝缘子串型号
确定绝缘子串的型号，应按线路的运行电压、绝缘子的允许机电荷载和拟承受的外荷载，考虑一定的安全系数来选择，设计中的绝缘子串型号为，参数如下表。
表3.3 绝缘子的有关参数
型号
高度(mm)
盘径(mm)
泄漏距离(mm)
机电破坏荷重

146
255
295
≥70

3.2.3 绝缘子串片数
按工频电压泄漏比距要求选择绝缘子片数。其计算公式为：

式中　　n—— 每串绝缘子所需片数；
—— 线路额定线电压，kV；
—— 不同污秽条件下所需泄漏比距,cm/kV；
—— 每片绝缘子几何泄漏距离，按产品目录选取；
—— 绝缘子泄漏距离的有效系数。

经过计算得到，绝缘子片数选择15片。

3.2.4 绝缘子串联数
（1）悬垂绝缘子。悬垂绝缘子串联数由以下两个条件计算，其中：
a.按导线最大综合比载计算为

式中　　—— 悬垂绝缘子串联数；
—— 悬式绝缘子1h机电荷载；
—— 悬式绝缘子在运行情况下的机械强度安全系数， =2.0；
—— 作用在绝缘子串上的综合荷载，N。
b.按导线断线条件计算为

式中　　——悬式绝缘子1h机电荷载,；
——悬式绝缘子在断线情况下的机械强度安全系数，=1.3；
——导线的断线张力,。
在此设计中, ， N取1。
1)耐张绝缘子。它应承受导线的全部张力，因其联数计算公式为

式中　　—— 悬式绝缘子1h机电荷载, ；
—— 悬式绝缘子在运行情况下的机械强度安全系数，=2.0；
—— 导线的最大使用张力, 。
在此设计中, , N取 2。
3.2.5　金具的分类和用途
金具是将杆塔、导线、绝缘子联结起来所用的金属零件。金具可分为：悬垂线夹、耐张线夹、联结金具、保护金具和拉线金具等。
3.2.6绝缘子串元件的主要特性及绝缘子串的组装
在此设计中,导线绝缘子串金具由参考书[1]和[5]查询获得。

表3.4 导线单联悬垂绝缘子的组装设备材料
编号
名称
型号
每组数量
(个)
每个重量(kg)
共计重
(kg)
总重
(kg)
1
U型挂板
UB-10
1
1.08
1.08
79.85
2
球头挂环
QP-7
1
0.27
0.27
3
悬式绝缘子
XP-70
15
4.7
70.5
4
悬垂线夹
XGU-5A
1
5.7
5.7
5
预绞丝
FYH-300/20
1
2.3
2.3
6
绝缘子串长度
2477mm

表3.5 耐张绝缘子的组装设备材料
编号
名称
型号
每组数量(个)
每个净重(kg)
共计重
(kg)
总重
(kg)
1
U型挂环
U-10
3
0.54
1.62
89.89
2
挂环
PH-10
1
0.49
0.49
3
悬式绝缘子
XP-70
2×14
2.595
72.66
4
碗头挂板
WS-7
2
0.97
1.94
5
联板
L-1040
2
4.43
8.86
6
挂板
Z-7
2
0.56
1.12
7
球头挂板
QP-7
2
0.27
0.54
8
耐张线夹
NY-300/40
1
2.66
2.66
9
绝缘子串长度
2974mm

3.2.7 避雷线的规格及其金具
在此设计中,避雷线规格和金具由参考书[1]和[5]查询获得。
3.2.8 避雷线的规格

表3.6 避雷线与导