架空输电线路设计基础知识培训材料.docx

1、架空输电线路设计基础知识培训材料架空输电线路设计基础知识培训材料(内部资料)送电工程部207.7 1、输电线路设计基础知识1.1电力系统的组成电能的生产、输送、分配和使用组成了一个系统，称为电力系统，它主要包括发电厂、电力网、电能客户等。(1)发电厂发电厂是生产电能的工程，它把非电形式的能量转换成电能。发电厂类型很多，根据所利用的能源的不同，有火力发电厂、水力发电厂、原子能发电厂、地热发电厂、风力发电厂、光伏发电厂等。(2)变电站变电站是变换电压和分配电能的场所。变电站主要有主变压器，高低压配电装置，继电保护和控制系统，所用电和直流系统，远动和通信系统，必要的无功功率补偿装置和主控制室等组成。

2、(3)电力网电力网是联系发电厂和客户的中间环节，由各级电压电力线路和联系的变电站组成。其作用是输送电能和分配电能。1.2我国电力系统的电压等级为了使电气设备能实现大批量的生产和在使用中便于互换，电器设备的标准化和系列化使必须的，因此，我国根据国民经济发展的需要和考虑到经济、技术的合理性及电机、电器制造水平等因素，制定出我国的国家标准标准电压(GB156-2007)，规定了我国的标准电压.目前我国常用的交流电压等级：220V、380V、6.3kV、10kV、20kV、35kV、66kV、110kV、220kV、330kV、500kV，750kV、1000kV。电压等级的划分1：安全电压（通常36

3、V以下）；2：低压（又分220V和380V）；3：高压（1kV-220 kV）；4：超高压330 kV -750 kV；5：特高压1000 kV交流、800KV直流以上；1.3输电线路的分类1.3.1 按电压等级分类输电线路，在电网中，从发电厂将电能输送到变电所的高压架空电力线叫做输电线路，电压等级一般为35kV以上，在国家电网公司的管理体制下，通常把35kV及以下的线路称为配电线路，主要担负分配电能的任务，把110-220kV线路称为高压输电线路，在我国东北地区存在66kV的高压输电线路，把330-750kV线路称为超高压输电线路，1000kV以上的交流线路称为特高压输电线路，直流在大于等于

4、800kV线路称为特高压线路，目前世界上电压等级最高的昌吉-古泉1100kV特高压直流输电线路正在建设。1.3.2 按照结构分类(1)架空输电线路。(2)电缆线路，电缆线路又可分为架空电缆线路和地下电缆线路。1.3.3 按照电能性质分类(1)交流输电线路(2)直流输电线路1.3.4 快速识别各电压等级的线路 架空线路的电压等级的识别主要使通过线路上的绝缘子片数进行区分，一般情况下：电压等级10kV35kV110kV220kV330kV500kV750kV绝缘子片数12347-913-1517-1928-3032-36 针对复合绝缘子根据绝缘在的长度进行区分。1.4输电线路的结构组成及部件分类架

5、空输电线路的组成元件主要有导线、避雷线(或称架空地线、简称地线)、金具、绝缘子、杆塔、基础、接地装置等。为了更直观的介绍输电线路的组件，各个组件样式如下图所示：图1 架空输电线路的组成元件示意图下面分别介绍一下各组件的作用和分类1.4.1 导线导线：主要功能是输送电能，线路导线应具有良好的导电性能，足够的机械性能，耐振动疲劳和抵抗空气中化学杂质腐蚀的能力，现在的输电线路多采用中心为机械强度高的钢线，周围是导电率较高的硬铝绞线的钢芯铝绞线，目前主要采用的绞线主要有圆线同心绞线和型线同心绞线，（1）圆线同心绞线在国家标准圆线同心绞架空导线GB1179-2008中定义为：一种用于传输电流的材料，由多

6、根非绝缘单线绞合在一起制成。目前主要应用的导线主要有如下表所示：（2）型线同心绞线我国在2006发布了GBT20141-2006。在标准中提到的生产方法主要有三种：一种是单线在一个工艺过程中被成型，绞合在另一工艺过程中进行；第二种方法是单线成型和单线绞合在一次操作中完成；第三种方法是先绞合一层圆单线，然后将此层紧压成圆形截面，圆形单线的其他层可被绞合和紧压，或成型单线的其他层可被绞合在紧压的芯线上。型线同心绞架空导线的单线，目前主要有梯形的和z字形的，其典型的型式如下图所示。 主要特点为：(1)增大导体截面利用率。型线同心绞架空导线其导体外层采用紧凑型结构，因此，当导线直径相同，但架空导线有效

7、截面可增加；当导体有效截面相同的情况下，即可使架空导线的直径更小，从而能够起到降低工程造价、提高输送能力、减少线路损耗的作用。经测算，同等截面型线同心绞架空导线可减小直径10 一15 ；同等直径的导线可增大截面利用率20 25(2)降低导线的弧垂率同等输送能力下，型线产品可使用更多的加强芯，以提高导线的拉重比；而线路设计中采用同等拉重比的情况下，型线产品可以做到导线直径相同而提供的导电截面更多。（3）较好的防腐性能型线同心绞架空导线的紧密结构使雨水、灰尘等电化学物质更不容易进入导线内部，并能有效地保留导线芯部的防腐油脂，使其具有更好的防腐蚀性能。(4) 断线损害小z形型线绞线中每根单线相互交叠

8、，每根单线底部安置在与其相邻单线的顶部，即使有一根断线，也不易造成整根导线散股。梯形导线同样具有紧凑结构，导线不易松散，但当有单线断裂时，单线的楔形断面对其他单线的约束力减弱，造成单线离开导体，最终可能会产生导线的松动和散股。(5) 更好的自阻尼性能(减震性能)从型线的结构特点看，在钢芯与导体之间留有一定的间隙，在导线受力状态下，由风力引起振动时，由于钢芯和导体部分的固有频率各不相同，故能相互干扰，可起到自阻尼减振的作用。(6) 降低风载的影响使用外表面光滑的型线同心绞导线产品所受到的风载比传统导线所受到的风载明显低很多。(7) 降低导线舞动发生的几率在天气连续降温到0度以下，并伴有阴雨过程时

9、，自然降落和被风吹到导线上的过冷却水滴就会冻结成冰，由于导线积冰后重力因素造成导线的回转，使导线积冰后的形状成圆形、椭圆形或梳齿形，随着冰雪的聚积过度，会造成导线的脱冰，造成导线舞动事故的发生 。由于型线架空导线的表面光滑、结构紧凑，过冷水滴、冰雪等不易聚集在导线表面，从而降低在冰雪天导线发生舞动的几率。1.4.2 架空地线输电线路中，除了输送电力的电线外，还有防止雷击输电线路而在杆塔最高出架设的架空地线，雷击杆塔时起到分流作用及对导线的耦合和屏蔽作用，降低导线上的感应过电压。避雷线悬挂于杆塔顶部，并在每基杆塔上均通过接地线于接地体相连接，当雷云放电雷击线路时，因避雷线位于导线上方，雷云首先击

10、中避雷线，并藉以将雷电流通过接地体泄入大地，从而减少雷击导线的几率，保护线路绝缘免遭雷电过电压的破坏，起到防雷保护作用，总结起来，避雷线大致有以下几种作用：(1)防止雷直击导线，(2)雷击塔顶时对雷电流有分流作用，减少流入杆塔的雷电流，使塔顶电位降低。(3)对导线有耦合作用，降低雷击塔顶时塔头绝缘上的电压。(4)对导线有屏蔽作用，降低导线上的感应过电压。目前主要用作地线的材料是镀锌钢绞线，复合架空地线(OPGW)、铝包钢等。1.4.3 绝缘子绝缘子是线路绝缘的主要元件，用来支撑或悬吊导线使之与杆塔绝缘，保证线路具有可靠的电气绝缘强度，用来支持或悬挂导线，并使导线与杆塔之间不发生闪络的元件，是支

11、撑导线并使之与杆塔绝缘的物体，它是由陶瓷或玻璃、塑料制成的绝缘部分和电极部分构成。目前，架空送电线路采用的绝缘子主要有三种，即盘式瓷绝缘子、盘式玻璃绝缘子、复合绝缘子。盘形瓷绝缘子具有良好的绝缘性能、耐气候性、耐热性和组装灵活等特点，被广泛应用于各级电压线路上。瓷绝缘子的一大优点是当需要采用防污产品时，可设计成伞盘下表面光滑的双伞型或三伞型，这种形式由于其良好的空气动力学特性，十分有利于刮风条件下的自洁，积污率低，有效地提高了防污能力，特别适合于干旱、少雨和风沙多的污秽场合。盘形瓷绝缘子属于可击穿型，随着运行时间的延长，其绝缘性能会逐渐降低，即通常所说的瓷绝缘子“老化”现象，尤其当瓷配方不完善

12、、结构设计未尽可能优化和生产工艺控制不严时，该问题比较突出。目前国产瓷绝缘子的平均年老化率约为0.005%，该指标与国际先进产品差距较大，例如国际上具有代表性的厂家日本NGK产品的年老化率低于0.0005%，合资厂唐山NGK产品的保证年老化率低于0.001%。 玻璃绝缘子与瓷绝缘子相比其特点在于：积污状况易于观测；劣化绝缘子自爆，便于发现事故隐患，不需登杆检测不良绝缘子；裙件自爆后仍具有足够的机械强度，不会发生掉串；山区线路可减少清扫运行维护工作。玻璃绝缘子的缺点是因制造工艺所限，防污型只能做成钟罩式。若要提高防污性能，就必须增加棱的数量和高度。因此导致棱槽深、易积污、难清扫、自洁性能差；但近

13、来已有三伞型玻璃绝缘子问世。遇外力破坏时裙件易裂，较瓷绝缘损坏率高，尤为突出的是早期自爆率较高。目前国内生产玻璃绝缘子主要有两家厂商，自贡塞迪维尔公司和南京雷电集团。塞迪维尔公司玻璃绝缘子的平均年自爆率为万分之一，南京电瓷集团生产的玻璃绝缘子还缺乏足够的运行数据判断绝缘子的自爆率。从统计情况看，在运行的第一年自爆率较高，随着运行年限的增加，自爆率下降并趋于稳定。 复合绝缘子具有机电强度高，重量轻，耐污性能好、易于安装和维护工作量小等优点，大量运行经验证实，复合绝缘子具有优异的耐污闪能力，在同样的爬距及污秽条件下，复合绝缘子的污耐压明显高于瓷绝缘子和玻璃绝缘子。在较重污秽地区复合绝缘子的爬电距离

14、可取瓷绝缘子的3/4甚至2/3，即可达到相应的耐污闪能力，这样绝缘子串长大为减少，从而缩小杆塔尺寸，降低工程造价。而且，复合绝缘子价格与瓷或玻璃绝缘子相当，不易破损，不需零值检测，不需清扫，有利于线路的运行维护。复合绝缘子在国际上已有30年的运行经验，经过长期的发展，材料配方不断改善，产品设计逐步完善，生产工艺趋于成熟。据2000年国际大电网会议公布的调查报告表明，复合绝缘子的损坏率为0.035%。但是，复合绝缘子的伞裙易老化(预期运行寿命最高不超过25年)，而瓷和玻璃绝缘子的运行寿命预期在50年以上。另外，据运行单位反映，复合绝缘子抗鸟害(鸟粪、鸟啄)能力较瓷或玻璃绝缘子差。我国复合绝缘子技

15、术研究较国外起步晚，挂网至今约有十余年历史。由于在吸收了国外经验教训的基础上起点较高。目前我国生产复合绝缘子的技术已达到世界先进水平。在海拔1000m以下的重污秽区采用有机复合绝缘子具有明显的优势。目前国内输电线路绝缘子主要型式有瓷、玻璃绝缘子、复合绝缘子等，各型绝缘子优缺点见表1.4.3-1。表1.4.3-1 不同类型线路绝缘子的性能比较常见故障盘形瓷绝缘子盘形玻璃绝缘子棒形复合绝缘子雷击闪络电压高，可能出现“零值”，几率决定于生产商，无招弧装置可能发生元件破损闪络电压高，无招弧装置可能造成元件爆裂，几率决定于生产商闪络电压略低，装均压环一般可使绝缘子免受电弧灼伤污秽耐污差，双伞型可改善自清

16、洗性能，调爬方便耐污差，防雾型可提高耐盐雾性能，调爬方便表面憎水性，耐污闪性能好，一般不需调爬鸟害需采用防护措施需采用防护措施需采用防护措施风偏“柔性”好，风偏小“柔性”好，风偏小“柔性”较好，风偏大断串概率大小决定于生产商概率极小概率大小决定于生产商劣化劣化速率决定于生产商基本不存在劣化硅橡胶老化速率和芯棒“蠕变”决定于生产商和使用条件外力易损坏，残垂强度大易损坏，残垂强度较大不易损坏现场维护检测维护工作量大，双伞型易人工清扫，检“零”麻烦清扫周期短、工作量大维护简便，缺陷检测困难表1.4.3-2导线钢化玻璃/瓷绝缘子机械电气特性绝缘子型 号机械破坏负荷kN不小于1h机电负荷试验值(kN)公

17、称结构高度H绝缘件公称直径 D最小公称爬电距 离50雷电冲击闪 络 电 压(峰值)kV不小于工频电压(有效值)kV不小于单件重量kgmm湿闪络击穿U70B/146（普通玻璃）7052.5146255320110451103.7U70BP/146D（耐污瓷质）7052.5146280450120401107.5U120B/146(普通玻璃)12052.5146255320130401204.5U120BP/146D（耐污瓷质）12052.5146280450120401104.5.5表1.4.3-3 导线绝缘子主要尺寸和机电特性绝缘子型号机械破坏负荷kN不小于公称结构高度H最小电弧距离最小公称爬

18、电距 离雷电全波冲击耐受电压kV不小于工频1分钟湿耐受电压kV不小于单 件重量 kgmmFXBW-220/10010022401900630011755408.7表1.4.3-4地线绝缘子主要尺寸和机电特性绝缘子型 号主要尺寸(mm)机 电 特 性质量(kg)高度H盘径D爬电距离L工频击穿电压(kV)20mm间隙工频放电电压(kV)15mm间隙2500V时熄弧电流(A)额定机电破坏负荷(kN)上限值下限值感性电流容性电流U70CN2001601601103083520704.21.4.4 金具 送电线路金具，按其性能、用途大致分为悬垂线夹、耐张线夹、联结金具、连续金具、保护金具和拉线金具等六大

19、类。（1）悬垂线夹用于将导线固定在直线杆塔的悬垂绝缘子串上，或将避雷线悬挂在直线杆塔上，也可用于换位杆塔上支持换位导线以及非直线杆塔上跳线的固定。悬垂线夹承受导线垂直方向或顺线路方向的荷载，要求悬垂线夹对导线应有一定的握力。（2）耐张线夹是用来将导线或地线固定在耐张绝缘子串上，起锚固作用，耐张线夹主要有三大类：液压型耐张线夹；螺栓式耐张线夹；楔形线夹。a、液压型耐张线夹主要是由铝管与钢锚组成，钢锚用来连续和锚固钢线铝绞线的钢芯，然后套上铝管本体，以压力使金属产生塑形变形，从而使线夹与导线结合为一整体，采用液压时，应用相应规格的钢模以液压机进行压缩，使线夹与导线结合为一整体。b、螺栓式耐张线夹是

20、借用U型螺丝的垂直压力与线夹的波浪形线槽所产生的摩擦效应来固定导线。（3）联结金具 这类金具又称为通用金具，多用于绝缘子串与杆塔之间、线夹与绝缘子之间、以地线线夹与杆塔之间的联结。主要包含：U形挂环、二联板、ZS挂板、延长环、U形螺丝等；球头挂环和碗头挂板是用来联结球窝形绝缘子的专用金具。（4）连续金具主要包括接续管(圆形、椭圆形)、补修管、并沟线夹。（5）保护金具保护金具主要包含防振锤、预绞丝护线、预绞丝补修条、重锤、间隔棒。（6）拉线金具拉线金具主要包含：UT形线夹、楔形线夹、拉线二联板。1.4.5 杆塔杆塔是支撑架空线路导线和地线，并使导线与导线之间，导线与地线之间，导线与杆塔之间，以及

21、导线对大地和交叉跨越物之间有足够的安全距离。1.4.5.1 常规杆塔型号的表示方法以国家电网公司通用设计模块为例介绍杆塔编号说明，本着唯一性、兼容性、方便性和扩展性的原则，国网通用设计将相同电压等级、回路数、导线型号的模块化为一个模块，每个模块根据风速、覆冰、海拔高度不同划分为若干子模块，对用模块、子模块、杆塔命名规定如下：目前国网杆塔通用设计版本如下：(1)国家电网公司输变电工程 通用设计 110kV输电线路分册（2011年版）(2)国家电网公司输变电工程 通用设计 220kV输电线路分册（2011年版）(3)国家电网公司输变电工程 通用设计 500(330)kV输电线路分册（2011年版）

22、(4)国家电网公司输变电工程 通用设计110kV330kV窄基钢管塔分册(在数据库中)1.4.5.2 杆塔分类 架空线路的杆塔一般根据材质、用途、导线回路数、结构形式等进行分类。(1)按材质分类：钢筋混凝土电杆、钢管杆、角钢塔、钢管塔。(2)按用途分类：直线杆塔、耐张杆塔、终端杆塔、直线转角杆塔、特种杆塔(钻越杆塔、换位塔、电缆终端塔等)(3)按回路数分类：单回路、双回路、三回路、四回路、多回路。(4)按结构形式分类：拉线型铁塔、自立式铁塔、自立式钢管塔。图1.4.5.2-1 双回路直线塔图1.4.5.2-2 单回路猫头直线塔图1.4.5.2-3 单回路干字型耐张塔图1.4.5.2-4 四回路

23、耐张塔及直线塔图1.4.5.2-5 单回路直线转角塔图1.4.5.2-6 单回路拉V直线塔图1.4.5.2-7 单回路酒杯型直线塔图1.4.5.2-8 单回路酒杯耐张塔图1.4.5.2-9 双回路终端塔图1.4.5.2-10 双回路换位塔 图1.4.5.2-11 双回路钢管杆 图1.4.5.2-12 钢管塔1.4.6常用基础型式1.4.6.1 开挖类基础该基础型式施工方法简便，在交通条件许可的情况下一般可以采用挖掘机进行基坑开挖，施工速度快，是目前工程设计中最为常用的基础型式，适用于各种岩土地质情况。根据其基础外形及受力机理的不同，主要有以下几种型式： (1) 刚性台阶基础(见图1.4.6-1

24、) 刚性台阶基础，即混凝土台阶基础，基础底板的台阶高宽比不小于1.0，基础底板内不配置受力钢筋的混凝土基础。虽然基础耗钢量是较少的，但混凝土用量却是最大的，相应运输量大，综合造价高。本基础型式用于基础作用力很小的线路基础具有一定的优势，并且施工简单。图1.4.6-1 刚性台阶基础(2) 柔性台阶基础(见图1.4.6-2)钢筋混凝土板式基础的一种，主柱为直柱，底板为台阶式，基础与铁塔之间采用地脚螺栓连接。台阶高宽比2.5. 主要特点是适用的地质范围较广，对比刚性台阶式基础，混凝土的用量较小，耗钢量较大，综合造价较低，也是目前线路中应用广泛的基础型式。对于具备一定承载力的软塑及淤泥质粘性土、地下水

25、位较高的砂类土地区，可采取基础浅埋方式来降低基坑施工开挖难度图1.4.6-2 柔性台阶基础(3) 柔性扩展基础(见图1.4.6-3)就是在柔性台阶基础上的改进型，将基础底板由台阶改为连续变截面，避免了基础底板多层配筋，降低了混凝土耗量和钢筋量。图1.4.6-3 柔性扩展基础(4) 斜柱柔性台阶基础(见图1.4.6-4)斜柱式基础将主角钢插入基础倾斜的主柱中，其特点是基础主柱坡度与塔脚主材坡度一致，基础轴力直接沿主材轴线传至基底中心，可有效减小由水平力作用产生的主柱、底板弯距，降低了主柱及底板配筋，减小基础外型尺寸，降低混凝土耗量。与直柱台阶式基础相比，可省去塔脚板和地脚螺栓，耗钢量有所降低，对

26、降低工程投资有一定意义，是目前我国应用广泛、施工工艺成熟、先进的基础型式。图1.4.6-4 斜柱柔性台阶基础(5) 斜柱柔性扩展基础(见图1.4.6-5)就是在柔斜柱柔性台阶基础上的改进型，将基础底板由台阶改为连续变截面，避免了基础底板多层配筋，降低了混凝土耗量和钢筋量。图1.4.6-5 斜柱柔性扩展基础1.4.6.2 原状土掏挖基础原状土掏挖基础主要有掏挖基础、桩基础和岩石基础三大类。由于减少了对原状土的扰动，能充分发挥地基土的承载性能，可大幅度的节约基础材料和施工费用，因此均在输电线路工程中有广泛的应用。1.4.6.2.1 掏挖式基础掏挖式基础施工时以土代模，直接将基础的钢筋骨架和混凝土浇

27、入掏挖成型的土胎内。由于减少了对原状土的扰动，能充分发挥地基土的承载性能，可大幅度的节约基础材料和施工费用。适用于地质条件便于掏挖成型的硬塑、可塑性粘土，并且在掏挖和混凝土浇注期间无水渗入基坑的地段。目前主要采用的原状土基础有直掏挖基础、人工斜掏挖基础等。适用于地质条件便于掏挖成型的硬塑、可塑性粘土，并且在掏挖和混凝土浇注期间无水渗入基坑的地段。(1) 直掏挖基础直掏挖基础又分为全掏挖基础和半掏挖基础。当基础作用力较大时，必需采用较大的基础底板尺寸才能满足要求，全掏挖基础底板受掏挖量限制，增大基础底板就会导致主柱随之增加，这在埋深加大的高露头时尤为突出，半掏挖基础可以有效地解决这一问题，可以减

28、小主柱的混凝土量，可见半掏挖基础适用于荷载较大的直线塔与转角塔，综合指标介于全掏挖基础和开挖式基础之间。图1.4.6-6 全掏挖基础、半掏挖基础示意图对直掏挖基础，为有效减小或消除水平力产生的弯矩，直接有效的措施是对基础预加一定的反向弯矩，而采取地脚螺栓偏心放置则可达到这一效果。采用预偏心基础后，相同的基础可适用于地基强度较差的塔位，但由于预偏心，考虑构造要求，对基础主柱的直径要求较大，因此该措施只适用于基础作用力较大的塔位。(2) 人工斜掏挖基础人工斜掏挖原状土基础是近几年发展起来的一种新型杆塔基础型式，它既具有传统直掏挖原状土基础特点，又具有斜立柱主角钢插入式基础的结构特点，因而使得基础抗

29、拔和抗倾覆稳定性得到大幅度的提高，在适宜土质条件下，如覆盖层较厚的硬、可塑粘性土和强风化地基岩中均可采用。(a) 上拔 (b) 下压图1.4.6-7 斜掏挖基础上拔下压受力示意图斜掏挖基础在降低工程量的同时对地耐力的适应性更强。但其主柱采用人工斜掏挖而成，施工难度大，安全性差，施工工艺尚需进一步完善。因此，通常仅对部分基础作用力大、易于掏挖成型、有良好护壁措施的强风化岩石区的塔位采用该类基础型式。1.4.6.2.2岩石基础 该基础型式充分发挥了岩石力学性能，具有较好的抗拔性能，地基变形比其它类型都小,它以水泥砂浆或细石混凝土和锚筋灌注于钻凿成型，从而大量地降低了基础材料的耗用量，特别是运输困难

30、的高山地区更具有明显的经济效益。 岩石基础主要有三种形式，分别是直锚式、承台式和嵌固式。 图 1.4.6-8 直锚式锚杆基础 图 1.4.6-9 承台式锚杆基础1.4.6.2.3钻孔灌注桩基础 钻孔灌注桩是一种深基础型式，以其适应性强、成本适中、后期质量稳定、承载力大等优点广泛地应用于公路桥梁及其它工程领域，近年来在电网建设行业也得到广泛应用。钻孔灌注桩有单桩、双桩承台、多桩承台和四桩连梁等多种形式，在实际设计上要根据地质情况和基础作用力做方案比较，以取得经济性和安全合理性的最佳结合。图1.4.6-10 单桩 图1.4.6-11 单桩连梁和双桩承台图1.4.6-12三、四桩承台1.4.6.3 其他基础型式(1)装配式基础(2)联合基础(3)复合沉井基础(4)人工挖孔桩基础(5)PH