10 kV及以下配电线路杆塔设计计算及选型研究

邱剑洪，覃 丹，王玫尹，陈奕达

(海南电网有限责任公司， 海口 570100)

0 引 言

海南地区因其地理位置的特殊性，台风频发，易对中低压电网造成较大的经济损失和社会影响，其中架空线路抗风技术能力不足，倒杆(或倾斜)问题尤为严重。为提高10 kV及以下配电网架空线路的防风能力，需对其进行加固措施。目前常规的防风加固措施有加装防风拉线和配置高强度杆塔两种。前者因其占地面积较大，受到现场施工条件和人为因素的限制，应用场合逐渐减少，因此现如今采用更多的方案是配置高强度杆塔。然而由于各家设计院在新建或改造10 kV及以下配电网架空线路的工程中缺少杆塔受力等量化数据，导致业主单位无法校核杆塔弯矩是否满足要求，在安全性和经济成本两方面均缺少管控，因此“以大代小”和“以小代大”的设计方案所造成的质量和效益问题较为突出。

出于安全性与经济性的综合考量，杆塔设计应考虑到海风、台风侵袭等问题，在设计和施工中须对导线和电杆进行受力分析，着重考虑风力、重力和拉力的作用，并以校核结果为基础来进行杆塔选型，设计相应的地基。以往虽有面向输电线路杆塔的风荷载计算研究，但由于35 kV及以上线路杆塔结构的特殊性，其计算过程、受力场景和模型都相对复杂，上述的研究结论并不能在10 kV配电网设计中直接应用[1-4]。文献[5]虽然在计算过程中忽略部分因素，简化了计算过程，但在受力场景和模型方面仍没有结合10 kV线路杆塔的结构特点进一步简化。

充分考虑10 kV及以下线路杆塔结构的特点，简化其受力场景和计算模型，通过计算提供多种典型场景下的杆塔选型，便于在工程实际中应用。

1 配电线路杆塔风荷载分析

杆塔荷载可分为永久荷载与可变荷载，其中永久荷载是导线、地线、绝缘子及其附件的重力荷载，杆塔构件及杆塔上固定设备的重力荷载，土压力和预应力等；可变荷载是风荷载、导线或地线张力荷载、导线或地线覆冰荷载、附件荷载、活荷载等[6]。杆塔防风强度计算及选型仅分析可变荷载。结合海南运行工况，更多考虑的是最大风速、无冰和未断线等条件下的杆塔荷载。

1.1 导线风荷载和张力荷载

导线风荷载分析如图1所示。

图1 导线风荷载示意图Fig.1 wind load diagram of conductor

取一个水平档距内的导线和杆塔为研究对象，如图1所示。其受到的风荷载沿导线均匀分布，当风向与线路垂直时，导线风荷载标准值可按式(1)计算：

Wx=w×Wo×μsc×d×Lp

(1)

式中：Wx为垂直于导线方向的水平风荷载标准值，kN；w为风压不均匀系数，由《架空绝缘配电线路设计标准》确定；Wo为基本风压，kN/m2；μsc为导线的体型系数，线径小于17 mm或覆冰时(不论线径大小)，μsc=1.2，线径大于或等于17 mm时，μsc=1.1；d为导线的外径或覆冰时的计算外径，m；Lp为杆塔的水平档距，m。

此外，导线也会产生张力，可分解为横向水平荷载(角度荷载)和纵向荷载(不平衡张力)。导线的纵向不平衡张力主要是档距、高差不等引起的荷载改变，而配电线路档距较小，此处可忽略其荷载影响，其受力分析如图2所示。

图2 转角杆塔导线张力示意图Fig.2 tension diagram of angle tower conductor

转角杆塔所受导线拉力按式(2)计算。

pJ=T1sinα1+T2sinα2

(2)

式中：T1、T2为杆塔前后导线、地线张力，kN；pJ为导线拉力分量，kN；α1、α2为导线与杆塔横担垂线间的夹角。

1.2 杆塔风荷载

10 kV杆塔类型主要分为混凝土电杆、铁塔和钢管杆。区别于35 kV及以下铁塔结构，10 kV杆塔结构迎风面的投影面积相同，可简化受力场景分析。且10 kV杆塔横担和绝缘子等附件相较输电杆塔附件受力面积较小，其作用可忽略不计[7]，仅分析塔身本身受力情况。

取一基电杆为研究对象，如图3所示。

图3 杆塔风荷载示意图Fig.3 wind load diagram of tower

风向与杆塔面垂直情况的杆塔身或横担风荷载标准值，应按式(3)计算：

Ws=Wo×μz×μs×βz×As

(3)

式中：Ws为杆塔塔身或横担风荷载标准，kN；μz为风压高度变化系数，由《架空绝缘配电线路设计标准》确定；μs为风荷载体型系数，塔架取1.3(1+η)(η为塔架背风面荷载降低系数)，环形混凝土电杆、钢管杆杆身η取0.7；βz为杆塔风振系数；As为杆塔结构构件迎风面的投影面积，m2。

1.3 杆塔受力分析

根据电杆在线路中的作用和地位可分为六种结构，分别为直线杆、耐张杆、转角杆、终端杆、跨越杆和分支杆。《66 kV及以下架空电力线路设计规范》中规定：塔身与导线风荷载在进行受力分析时需分解为垂直线路方向分量和顺线路方向分量。考虑到导线风荷载相比塔身风荷载与导线张力较小，因此在分析转角电杆受力时，可直接使用风向垂直线路时导线风荷载代替。以下为三种杆塔类型的受力情况分析[8]，见图4～6。

图4 直线电杆受力Fig.4 Force on straight pole

图5 终端电杆受力Fig.5 Force on terminal pole

图6 转角电杆受力Fig.6 Force on angle pole

2 最大弯矩计算

直线电杆的最大弯矩计算在文献[7]中已有详细的计算过程，此处不进行讨论。本节主要关注转角电杆和终端电杆的最大弯矩计算。相较于直线电杆受力分析，转角电杆受到导线张力作用。当导线转角超过90°时，会存在迂回供电的问题，因此以90°转角为背景，计算转角电杆最大弯矩。

导线张力的计算式[9]见式(4)、式(5)：

(4)

(5)

式中：F为导线拉断力，kN；λ为导线安全系数；T为导线最大拉力，kN；α为线路转角，其参数均可查阅设计标准《GB/T 1179-2017 圆线同心绞架空导线》[10]。

10 kV及以下配电线路的导线应采用三角排列、垂直排列或水平排列[8]。以10 kV配电线路单回路三角排列架设方式为例，转角杆塔最大弯矩计算式见式(6):

W转角=Wx×h1+Wx×(h1-0.8)×2+Ws×h+pJ×h1

(6)

式中：h1为电杆距地面高度，m；h为电杆自身的风压合力作用点至地面的高度，m，具体计算查阅形心公式。

终端杆塔最大弯矩W终端计算式见式(7)。

W终端=Ws×h+T×h1

(7)

考虑无拉线锥形单杆可按受弯构件进行计算，弯矩应乘以增大系数1.1得到标准杆塔标准弯矩M[5]，见式(8):

M=1.1×W

(8)

3 电杆选型

电杆允许弯矩必须要大于电杆所承受的最大弯矩，并留有一定安全裕度[7]。查阅文献《GB 4623-2014环形混凝土电杆》，列取几种10 kV及以下配电线路常用杆塔标准开裂检验弯矩[11]，见表1。

表1 10 kV及以下配电线路常用杆塔标准开裂检验弯矩表Table 1 Standard cracking inspection bending moment of common poles and towers of 10 kV and below distribution lines

由于10 kV及以下线路中绝缘导线应用更加普遍，以绝缘导线为研究对象，在大风速、无冰和未断线运行工况下分别计算绝缘导线在单回和双回架设中杆塔的最大弯矩，并提出表2～4的推荐值。

表2 10 kV绝缘配电线路单回架空敷设杆塔型号推荐Table 2 Recommended model of single circuit overhead tower for 10 kV insulated distribution line

表3 10 kV绝缘配电线路双回架空敷设杆塔型号推荐Table 3 Recommended model of double circuit overhead tower for 10 kV insulated distribution line

表4 10 kV绝缘配电线路单、双回架空终端电杆型号推荐Table 4 Recommended types of single circuit and double circuit overhead terminal poles for 10 kV insulated distribution lines

4 结 语

10 kV及以下架空线路的杆塔选型是目前设计中容易忽略的盲区，直接影响投资的有效性和线路运行的安全性，且现有配电网设计单位普遍存在人员不足和设计水平参差不齐等问题。综合考虑配电线路杆塔的特点，在满足国家强制技术标准和设计标准的基础上，进一步优化杆塔的受力模型，提高设计计算的实用性和便捷性。结合“本土”环境因素，在计算数据的基础上提出杆塔选型推荐方案，极大地提高了设计和评审人员工作效率，同时也确保了线路的安全运行和投资精细化。