电气专业毕业设计-220kV高压输电线路设计【含CAD图纸、说明书】
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220kV高压输电线路设计
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220KV高压输电线路
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220kV高压输电线路设计摘要随着福建电网的高速建设和发展；以及高速电气化铁路技术在国内的成熟和普及，原有的输电系统在满足现有的负荷需求下能够很好的稳定运行。但随着电气化铁路等其他电气化的基础设施的建设，原先架设的高压输电线路能够输送的电能留有的裕量已经越来越难以满足现代化建设的需求。因此，在未来中国经济快速发展的阶段，传统的高压输电线路架设的数量还会大幅度增加，以满足建设发展用电的需要。绝缘子和金具是线路中电缆和杆塔连接的部分，一般情况下能承受很大的拉力，也能充分保证输电线路带电部分接触的良好。是保证输电力系统正常运行和架空输电线路所经之处社会生产、人员生命安全的重要组成部分。同时，金具的正确选型和安装还能保证在极端天气、地震、甚至战争发生时输电线路的可靠性，保证社会生产的不间断运行。绝缘子根据电力行业的历史发展，从最开始的橡胶绝缘子升级到瓷质绝缘子，再升级到钢化玻璃绝缘子以及现在正在大力推广的复合材料绝缘子。目前，使用最广泛的绝缘子材质是瓷质绝缘子。本次设计任务中，将对其进行选型计算。金具是连接导线和绝缘子，绝缘子串和输电线路杆塔的机械部件之一，正确的选型对维持绝缘子串的电气性能和机械性能有着非常重要的作用，在本次工程设计中，将通过金具生产厂家所给的参数，结合荷载等数据进行选型。关键词：金具，绝缘子，高压输电线路220kV high voltage transmission line designAbstractWith the rapid construction and development of Fujian power grid; and high-speed electrified railway technology in the countrys maturity and popularity, existing transmission system to meet the load requirements under the existing well and stable operation. But with the construction of other infrastructure electrification electrified railway, electricity allowance previously set up high-voltage transmission lines capable of handling leave has become increasingly difficult to meet the needs of modernization. Therefore, in the next stage of rapid development of Chinese economy, traditional high-voltage transmission line construction will be a significant increase in the number, in order to meet the needs of construction and development of electricity.Insulators and fittings are part of the line connecting the cables and towers, under normal circumstances can withstand a lot of tension, but also to fully guarantee the transmission line in contact with live parts is good. Lose an important part of ensuring the normal operation of the power system and overhead transmission lines by the Department of social production, the safety of personnel. At the same time, the correct selection and installation of fittings can also ensure that extreme weather, earthquakes, wars and even when the reliability of transmission lines to ensure uninterrupted operation of social production.Insulator according to the historical development of the power industry, from the beginning of the rubber insulator upgrade to porcelain insulators, then upgrade to glass insulators and composite insulators are now being heavily promoted. Currently, the most widely used material is a ceramic insulator insulator. The design of the task, which will be the selection calculations.Fitting the connecting wires and insulators, insulator string of mechanical components and transmission line towers, the correct selection for the maintenance of the electrical insulator strings and mechanical properties has a very important role in the design of this project will be produced by the fittings the manufacturers specifications, with load and other data for selection.Key Words: Fittings, Insulator, High Voltage Transmission Line.目 录第1章 绪论11.1 研究背景11.2 研究意义11.3 研究内容11.4 论文组织1第2章 线路沿线气象条件22.1 主要的气象条件22.2 设计气象条件选择原则32.3 风速32.4 气温32.5 覆冰32.6 雷暴日42.7 设计气象条件4第3章 线路荷载53.1 自重力荷载53.2 冰重力荷载53.3 风荷载53.4 设计荷载6第4章 绝缘子材质的选定94.1 绝缘子型号的表示方法94.2 瓷质悬式绝缘子94.3 钢化玻璃绝缘子104.4 复合绝缘子114.5 设计绝缘子材质12第5章 悬垂绝缘子与耐张绝缘子强度选定135.1 最小公称爬电距离135.2 悬垂绝缘子串强度计算135.2.1 单联布置的强度计算135.2.2 双联布置的强度计算155.3 耐张绝缘子串强度计算17第6章 悬垂串、耐张串金具的选定216.1 悬垂串金具的选定216.1.1 单联布置悬垂串金具的选定216.1.2双联布置的悬垂串金具的选定236.2 双联布置耐张串金具的选定23结论26参考文献27谢辞28附录1 绝缘子串材料汇总表29附录2 金具组装图30III220kV高压输电线路设计第1章 绪论1.1 研究背景福州电网现有3座500kV变电站，分别是东台变、福州变、洋中变。220kV变电站25座，总容量达9120MVA。220kV电网已形成以西部水口水电站、东部华能福州电厂、北部福州500kV变电站、南部东台500kV变电站为主电源，沿闽江下游两岸，以福州市区为中心的环网结构6。并且由于高速电气化铁路的普及和建设，合福电气化铁路的牵引站需要新增外部供电电源，以确保将来合福铁路和福建省电网的高效，稳态运行。为海峡西岸经济区的建设提供一份保障。1.2 研究意义 根据闽电2011年的311号文件关于合福电气化铁路（福建段）牵引站外部供电方案的审查意见，为提高白沙牵引站的供电接入需要以及电气化铁路供电的可靠性，需提前建设220kV关西开关站，为将来提供充足的供电带宽，白沙牵引站的供电从220kV关西开关站不同母线段的2回独立架设的220kV线路获得。本工程为关西白沙牵引站回220kV线路工程，通过课内所学的电力系统专业的相关内容与工程实际相结合，不仅巩固了专业知识，也为现采用的工程解决方案提出自己的见解，为福建电网的最优化发展奉献一己之力。1.3 研究内容关西白沙牵引站回220kV输电线路的绝缘子和金具的选型和组装。1.4 论文组织一共分为六章，第2、第3章通过介绍气象条件来决定荷载值；第4章主要不同材质绝缘子的不同特性；第5章和第6章分别是绝缘子和金具的选型；最后得出结论并总结。第2章 线路沿线气象条件2.1 主要的气象条件高压架空输电线路属于室外输电方式，这种输电方式的优点在于可以实现超长距离大容量输电，并且户外金具、绝缘子的投资低，经济型较好。土木建设方便，建设速度快，在加上现场巡线人员、现代化的直升机巡线和巡线机器人的应用可以在最短的时间内发现故障发生点，也很容易判断故障发生原因并迅速安排维修任务。但缺点在于对天气条件的变化敏感，线路由于采用架空输电方式，因而特别容易遭遇直击雷。雷电的形成在于大气中积雨云中所带的正电荷和云下方所带的负电荷迅速中和放点的一种过程。由于架空输电线路杆塔高度较高，很容易将地面上的负电荷带到雷云附近，提前进行中和放电，这样一来就对输电线路造成了直接雷击。因此常规情况下，输电线路都带有避雷针，但是避雷针的保护范围是一种伞形范围，随着距离避雷针越远的地方，保护角度也随之下降，在保护角降低时，雷电就存在绕过避雷针直接对线路雷击的可能性，这种雷击叫做绕击雷。因而就算装有避雷装置，也不可避免的，一定概率遭遇绕击雷。因此，在电网事故中，输电线路事故占有绝大多数，输电线路事故中又以雷击事故占有绝大多数的比重，尤其在山区此起彼伏的地形中，因为雷击引起的继电保护装置跳闸的事件是由雷电引起的。所以防止雷击跳闸可以大大降低故障的发生率，降低事故发生的可能性。避免或减少雷击的可能性是设计输电线路中必须考虑的内容。再者，福建沿海虽然风电资源丰富，但是这样的气象条件反而不利于输电线路的安全，输电线路的导线在受风时会产生摇摆，在摇摆过程中会对输电线路的荷载、金具连接等可靠性造成不利影响，严重时会造成钢筋铝绞线电缆从线夹中脱出，直接落地造成对地短路，或与其他相的导线碰撞或搭在一起，造成相间短路等事故，损害电网的稳态运行，造成大面积停电的后果，危害社会生产的安全。因此在连接金具的选型中，必须对风力、风偏等因素进行综合考虑。2008年元月，我国南方大部分地区遭遇了冰雪自然灾害的天气，部分导线的覆冰厚度达到了60mm，是设计厚度的4倍。覆冰从最直观的影响是增加了导线的部分线径大小，增加的线径必然增加荷载；同时冰雪天气必然伴随着大风，覆冰过后的导线对风荷载、对风偏更加敏感，对金具、绝缘子、杆塔的正常运行形态造成巨大压力，因此在那场雪灾中，110kV500kV高压和特高压输电线路中，倒塔8000基以上，输电线路中断近120条，220kV输电线路近350条停止运行，造成湖南，江西两省大面积停电断水。通过当时对Google地图影像的观察，整个福建省以闽北往上的全国大部分地区都被冰雪覆盖，因此在本次设计中，必须考虑覆冰对输电线路荷载的影响。当输电线路温度在0摄氏度以下，风速在515m/s，湿度在80%以上时就满足了覆冰形成的条件，当空气中的水汽遇到0摄氏度以下的输电线路时，迅速释放水汽自身热量，最终在导线表面冻结成冰。覆冰密度大约在，冻成浑然一体透明装的冰壳，具有很强的附着能力。南方地区湿度较大是因为西南暖湿气流的作用和高海拔山区增大了空气湿度造成的。2.2 设计气象条件选择原则本次工程设计中，设计气象条件的选择不仅要能反映线路沿线气象在一定重现期内的极端变化情况，还应符合现行设计规程及有关指导性文件的要求。为了更好的适应自然环境的变化，应当根据现有的各种气象资料确定好设计气象条件。对设计成果的准确性、合理性、安全性、可靠性和计算参考性具有十分重要的意义。气象条件确定有以下四个条件决定，即：确保设计的可靠性，原始气象资料的统计和分析；通过使用概率处理办法来处理历史气象数据，与现今的气象条件资料及线路所经地区的历史自然灾害调查相结合，本工程将依此选择合理气象条件。2.3 风速在我国，现行的线路设计可靠性标准是以电压等级来区分。根据国家标准110kV750kV架空输电线路设计规范GB50545规定：“220kV线路工程的基本风速应取30年一遇，离地面10m高，10分钟时距的平均最大风速”，同时规定：“110330kV输电线路的基本风速不宜低于23.5m/s”。根据相关气象资料和统计，该地区设计风速选定为33m/s1。2.4 气温根据询问当地的气象局所得到的天气统计得，所有气象站所记录的年最高气温为40.6，出现该温度的概率低，并且持续时间短；历史最低气温为-4.0。故该工程设计全线最高气温取41，最低气温取-5。年平均气温大多在18.420.5之间。参考110kV750kV架空输电线路设计规范GB50545-2010的相关规定：“如地区年平均气温在小于3和大于17时，分别按年平均气温减少3和5后，取与此气温值临近的5的倍数值。”同时参考沿线电力线附近气象站年平均气温记录取值情况，本工程年平均气温取值15。2.5 覆冰根据询问气象局所获得的资料，闽侯县境内出现结冰的情况往往出现在海拔高度大于750m以上的山区，结冰时间一般在每年的腊月底到下一年的元月底，最快出现在11月下旬，最迟结束于3月下旬。境内全年降雪的情况很少，平原地形大约每1015年出现一次小规模的降雪，山区则每年局部出现12次。出现时间和结冰出现的时间基本一致，并且该地区积雪少，融雪快。本工程沿线经过的地区地形属于福建省常见的江-岸丘陵地形，海拔高度在650m以内。根据长期观察，鲜有电线结冰的现象，但是为了安全起见，根据福建省电力勘测设计院编制的福建省电网冰区图划分分析相关覆冰厚度取值参考数值，本次工程线路附近区域冰区覆冰厚度平均值在010mm区间。同时参考临近常年安全运行的线路覆冰取值，本工程线路工程设计覆冰厚度取10mm。2.6 雷暴日根据询问气象局所获得的资料，本工程线路经过地区近20年平均雷暴日数在4070天。地形地貌对雷暴日的多少有一些影响，地形此起彼伏的地区要多于其他地区。因此，参考沿线已建成稳定运行的输电线路工程设计雷暴日数，本工程设计雷暴日取65日。2.7 设计气象条件综上所述，经过总结，以及参考其他线路的运行情况为范例，本工程设计条件如下3：气象要素项目温度（）风速（m/s）冰厚（mm）基本风速15330低 温500平均气温1500高 温4000操作过电压15180雷电过电压（有风）15150雷电过电压（无风）1500年平均设计雷暴日数65日表2-1 设计气象条件组合表第3章 线路荷载3.1 自重力荷载导线自身产生重力所造成在导线上每个单位长度(m)所受的力(N)称为自重力荷载，其数学计算式为5： 公式(3-1) p1电线单位质量； 9.80665力学重力加速度值。3.2 冰重力荷载与自重力荷载类似，导线覆冰情况下，导线表面的覆冰层产生的重力所造成在导线上每个单位单位长度(m)所受的力(N)称为冰重力荷载，其数学计算式为： 公式(3-2) 导线覆冰厚度，mm； d导线直径，mm；因此，如果工程所经沿线属于覆冰区，该工程设计总重力荷载()就为自重力荷载()加上冰重力荷载()，数学表达式为： 公式(3-3)3.3 风荷载风荷载通常是导线受风面积与风压的关系，但为了更精确计算，风作用于导线上产生的横向风荷载，导线的体型系数、导线有冰和无冰情况、与导线大小呈负相关的风压不均匀系数、与电压等级和风速大小呈正相关的风载调整系数、与电线平均高度呈正相关非线性的风速高度变化系数以及风向与导线轴向夹角的影响等。综上所述，导线无冰时风荷载(g4)和导线有冰时风荷载(g5)的数学计算式为： 公式(3-4) 公式(3-5) 导线所在高度风速平均值m/s； 电线风压不均匀系数； 电线体形系数。表3-1 电线受风体形系数表面情况无冰时覆冰时电线外径不论大小表3-2 电线风压不均匀系数基准高度的风速a 计算杆塔所受张力和风荷载时1.01.00.850.750.7校验电气间隙计算张力和风荷载时1.00.750.610.610.613.4 设计荷载根据本工程的设计说明书获悉，本工程采用的导线截面为2400，结合福建省内的地形地貌，上述设计气象条件，决定导线的型号为JL/G1A-400/35型钢筋铝绞线。其技术指标如下表：表3-3 JL/G1A-400/35导线技术指标型号JL/G1A-400/35结 构股数/直径铝48/3.22钢7/2.5续表 3-3截面积铝390.88钢34.36总计425.24外径()26.64计算重量()1347.5弹性系数()65000线膨胀系数(1/)计算拉断力(N)103670 综合以上所分析出的设计条件结果以及导线技术指标，将数值代入公式(3-1)，本工程设计自重力荷载g1为：； 将表中数值代入公式(3-2)，冰重力荷载g2为： 将表中数值代入公式(3-3)，自重力加冰重力荷载g3：将表中数值代入公式(3-4)，无冰时风荷载g4： 将表中数值代入公式(3-5)，覆冰时风荷载g5： 以上所有计算式中， v风速取33； 风压不均匀系数取0.61； usc电线受风体形系数取1.2； d电线线径取26.8mm； 9.80665重力加速度取值。通常，在工程设计时，为应对多种可能出现的极端的气象情况产生的额外荷载影响。所以，在设计荷载时，应当取所有荷载之和，也就是自重力荷载(g1)，冰重力荷载(g2)，无冰时风荷载(g4),覆冰时风荷载(g5)，之和也就是导线单位长度最极端情况荷载的最大值。 公式(3-6)计算结果的值为60.0869N。又因为本工程采用双分裂导线，所以每单位长度下的荷载值应乘以2：因此，本工程设计荷载值为，实际总载荷大小与档距大小正相关。最后，还应考虑运行时最大使用荷载和断联荷载的安全系数，根据张殿生所著的电力工程高压送电线路设计手册（第二版）可得到如下表：表3-4 盘型绝缘子机械强度的设计安全系数情况最大使用荷载断线断联常年荷载验算安全系数盘型绝缘子复合绝缘子1.81.54.01.52.73.0第4章 绝缘子材质的选定4.1 绝缘子型号的表示方法产品型号代号特征数字代号/安装与连接形式代号结构特征代号特征数字代号/电压等级设计顺序号图4-1 绝缘子字母数字意义表示图 (1) 绝缘子材质：X表示瓷质悬式绝缘子；XZ表示高压直流线路专用瓷质悬式绝缘子；FX表示复合材料悬式绝缘子 (2) 结构特征编号：P为伞形普通盘；H表示蝴蝶型；WP表示双层伞形盘状；AP表示大伞盘型；BW为棒形伞盘状； (3) 设计序列号：表示设计序列号，绝缘子设计者标注；(4) 特征数字代号：表示额定机械破坏荷载或适用额定电压等级；(5) 特征数字代号：表示额定机械破坏荷载或者安装与连接形式代号。目前在输电线路上，主要使用有盘形悬垂绝缘子、棒形绝缘子。其中绝缘子制造采用的材质按发展顺序排列有：陶瓷，钢化玻璃，新型复合材料。这三种不同的材料的绝缘子均有各自的优缺点和使用范围，将在下文给予介绍。4.2 瓷质悬式绝缘子瓷质悬式绝缘子是电力设计中，使用历史最长，可靠性最好，价格便宜，机械性能优秀，具有高耐久度材质的绝缘子。在多年的发展中，已开发出通用、标准化的组合接口，因而组合方便。在设计中，可以根据不同的电压等级和使用条件，调节绝缘子片数组成不同绝缘水平的绝缘子串。按照使用地区的使用需求，瓷质悬式绝缘子分为耐污型和普通型。13目前，瓷质悬式绝缘子绝缘子在生产过程中均在陶瓷表面烧制了一层光滑的瓷釉，这层瓷釉不仅提高了绝缘子串的机械性能，还规避了绝缘子工频电压条件下，处于大雾、毛毛雨等潮湿天气情况下，憎水性能减少了水滴的滞留量，能够利用导线运行时发出的热量及时将绝缘子上少量的水分蒸干，尽可能将绝缘子表面电场恢复成均匀电场，提高了潮湿环境下电弧的击穿电压，规避了部分抗污闪性能弱的缺点，提高了对鸟害，鸟粪的抵御能力。根据现代标准化生产，为了使绝缘子便于清洁，大多数生产厂家将绝缘子的形状做成伞形或多层伞形，这类形状具有在风雨自洁的功能的同时，也方便了清扫人员的清扫曲面积分之和由于伞形形状的原因增加，这也意味着表面电弧爬距距离增大，有利于减少需要挂载的绝缘子的数量，降低绝缘子串的重量，也降低了导线的荷载，伞形层数越多，以上所述的优势越明显。还有另一类流线型绝缘子，虽然爬距较小，抗污闪性能弱，但由于其表面可以做得很光滑，比盘型、伞形绝缘子更具有自洁，人工清扫的优势。，因此盘型、伞形绝缘子可以和蝴蝶型绝缘子混合使用，将流线型绝缘子放在积污概率大、又能减少其他绝缘子积污的地方，譬如横担或均压环下第一片绝缘子装载成伞盘较大的流线型绝缘子，能够达到一定效果。随着近几年生产工艺的革新和成熟，瓷质绝缘子劣化的情况已鲜有出现，一般情况下，绝缘子出厂投入实际使用后，生产厂家可以保证使用5年内不出现任何绝缘劣化和机械劣化现象，根据实际经验，可以使用8年以上也不会出现问题；同时，根据电网公司的安全条例，瓷质悬式绝缘子的更换周期为5年一次。因此，在满足设计要求的一般情况下，瓷质悬式绝缘子的抗劣化性能是非常优秀的。但缺点也很明显：由于采用瓷质制作，可塑性差。在运输安装过程中，经常遇到相互重压、碰撞导致绝缘子串断裂、破碎的情况。若遇路途不平坦，抖动剧烈的运输途中，破损率更高。其次，在一些线路遇到周期性更换绝缘子串时，成串的绝缘子往往依靠人力无法送到输电线路杆塔上，需要依靠高操作技术的吊车操作员来吊将绝缘子吊起，送到高压输电线路的杆塔上由人员进行更换。这样一来，吊车不仅有触电的风险，人员安装时也不够方便。况且目前有许多输电线路沿线途径的地区含有陡峭的山坡，这也给绝缘子运输，吊车或直升机的辅助安装带来不便。因此，每次电网公司安排更换某些线路的绝缘子串时，工程量和难度比线路建设时难度大，所耗时间长，导致后期维护成本高，并且早期更换瓷质悬式绝缘子造成的停电事故时有发生。由于长期使用了瓷质悬式绝缘子，导致在无线电通信迅速发展的今天，无线电因为高压输电线路电晕放电，造成了电磁波干扰通信的现象经常发生，一定程度上影响了社会生产和人民生活的顺利进行。4.3 钢化玻璃绝缘子钢化玻璃绝缘子是近几年新开发，并大规模运用的一种绝缘子。它的优点和瓷质绝缘子类似，具有抗雷电过电压能力强，遭受雷电后表面的化学性质和物理特性稳定不变；因此，在雷电多发地区，钢化玻璃绝缘子拥有现代3种材质绝缘子中最好的抗雷电过电压性能。另外，据绝缘子生产厂家介绍，生产钢化玻璃自动化水平能够全面实现，并且产品比瓷质绝缘子更加耐用，在不发生自爆的情况下，可以至少运行30年不更换。耐久性、可靠性良好，等优点。并且还在这些优点的基础上增加了新特性： (1) “零值自爆”：一种是钢化玻璃绝缘子生产时，在钢化玻璃成型过程中混入了空气，粉尘等造成均匀电场变成稍不均匀电场的杂质，如果分部在受力层，在出厂后放置一段时间后会在库房中自爆；如果分布在内部，则该绝缘子的击穿电压等级将大大降低，在运行一段时间后，在某次冷热交替变化剧烈时，杂质的热胀冷缩降低了其机械性能和电气性能，最终引起自爆，这个过程大约在1至2年内体现出来。不过就算自爆以后，残余部分的机械特性仍然能保证绝缘子串的机械强度，不容易发生断联现象。鉴于这种显著的自爆特性，大大方便了线路巡视人员的巡视，能够随时发现杆塔上，地面上自爆后的绝缘子的残渣碎片；利用现代化的巡线直升机在远距离空中利用望远镜在远处很容易发现已自爆的绝缘子，提高了线路检修的效率和准确性。再者，若遇鸟害或长时间大雾加雾霾这类严重积污天气无法及时自洁时，表面严重积污的绝缘子单片严重发热甚至引起局部放电，这时绝缘大幅度下降，进而引发自爆，排除了绝缘子串逐渐被电弧击穿的危险。 (2) 钢化玻璃的介电常数约为78，略大于瓷质绝缘子的介电常数56。较大的介电常数意味着较大的电容所能容纳的电荷量。大电容的存在有利于使每片绝缘子上的电压分布尽可能均匀，进而降低了靠近带电侧绝缘子所承受的电压，减少了电晕情况的发生，进而降低了无线电通信干扰程度，延长了绝缘子的使用寿命。(3) 钢化玻璃绝缘子的硬度约为瓷质绝缘子的23倍，在户外环境下，比瓷质绝缘子更能抵抗冲击力，产生裂缝的概率也较低，根据破坏性冲击过电压击穿实验得知，钢化玻璃绝缘子的平均击穿强度达1700kV/cm，是瓷质绝缘子的3.8倍。因为以上特性，实际中钢化玻璃绝缘子的耐久度要高于瓷质绝缘子。钢化玻璃绝缘子的缺点也很显著，由于其“零值自爆”特性，自爆后的残余部分虽然能够继续支持绝缘子串的机械连接，但是一旦自爆以后没有及时更换自爆后的绝缘子片，再遇到潮湿、雾霾等容易积污的天气，将导致自爆后的残余部分重新积污，积污后由于电弧的作用而温度迅速升高，进而导致钢化玻璃逐渐变软，融化，烧毁而脱落，造成断联甚至断串的事故。再者，由于现代工艺与钢化玻璃成型特性等原因，钢化玻璃绝缘子无法像瓷质绝缘子那样做成多层伞状来提高公称爬距，现有的解决办法只有在伞状的钢化玻璃绝缘子下做出一圈的棱形略微提高公称爬电距离。但这种解决办法带来的问题也很显著：使原本较容易积污的钢化玻璃绝缘子变得更容易积污，并且严重降低了自洁能力和人工清扫效果，伞裙下一旦积污，抗污闪能力必然大大降低，因此只适用于污区等级较低的地区。4.4 复合绝缘子复合材料绝缘子是近年来有机材料发展对电力设计行业的一大贡献，骨架由有机合成玻璃钢组成，头尾部装有均压环，中部形状和其他绝缘子类似，伞裙护套构成。由于骨架的特殊材料的特殊性能，在与伞裙护套的组装配合下，同时具有优秀的电气性能和大气抗氧化性能，良好的机械特性主要体现在其有机材料合成品的弹性上，因此其抗拉伸能力很强。伞裙护套采用的是目前具有良好憎水性和电气特性的硅橡胶材料，在重污区和气候潮湿的地区具有明显的优势。与之前两种无机硬质材料的绝缘子相比，复合绝缘子材料的优势在于质量仅有上述两种无机材料绝缘子的15%左右，这意味着在电网公司每个更换线路绝缘子周期时，能够大大减小施工量，避免动用重型其中装置，降低了人员劳动量。220kV电压等级的高压输电线路所采用的复合绝缘子在更换过程中，只需2名工作人员就可以把新的绝缘子搬运到杆塔上进行更换。运输途中，由于较低的质量及其抗震、耐疲劳的特性，使其在运输中不易损坏。其次，伞裙由新型复合材料制成，憎水性比瓷釉、玻璃更强；因此，此类型绝缘子可以在重污区运行且不用频繁清扫，以及有机材料具有不可击穿性，绝缘电阻不会为零，具有永久性绝缘作用。同时，在加以2.8倍瓷质绝缘子污闪电压时，复合绝缘子不会发生污闪，工频湿闪电压与干闪电压接近，约为0.9倍，可免去频繁清扫工作。此种材料的绝缘子已在国外大量运用并且稳定运行近15年。但缺点也很明显，首先是抗雷电过电压能力很低；因为复合绝缘子在电场迅速移动变化下易发生碳化现象，导致击穿电压下降，雷电发生时，雷电过电压很容易透过复合绝缘子影响输电线路正常运行；同样，由于这个缺点的存在，复合材料绝缘子的使用寿命不稳定，使用寿命有待进一步统计研究。抗拉性能强，抗弯性能差，当作为横担使用时，容易发生脆断。4.5 设计绝缘子材质目前，国内大部分线路工程设计的绝缘子材质多为瓷质绝缘子为主体，钢化玻璃绝缘子放在整个绝缘子串的两端；这样一来，不仅结合了两种绝缘子的优点，还发挥了钢化玻璃绝缘子的“零值自爆”功能，对整个绝缘子的老化、污染程度起到了一个预警作用，优化了巡线效率。但鉴于福建省内山区、丘陵地形较多，架空输电线路沿线交通不一定便利的情况下，为了便于日后更换和维护，决定采用复合绝缘子。为了降低雷电过电压抵抗能力低下问题带来的影响，在输电线路的防雷措施上应采用多根避雷线，以输电线路为中心，进行轮形分布进行防雷，使输电线路范围内保护角足够大，降低避雷装置的接地电阻，有效的回避雷击与雷电过电压情况的发生。第5章 悬垂绝缘子与耐张绝缘子强度选定5.1 最小公称爬电距离本工程线路的沿线为关西白沙牵引站属于福建省中北部近海地区，污染源条件与污秽程度相关。根据查阅福建省电网污区分布图，本工程污区等级为c2级；但本地区恰为福建省新兴的经济开发区之一，未来污区等级仍有上升的趋势。所以，线路全线设计污区等级提高一级：d1级设计。220kV输电线路绝缘子爬电比距不超过28mm/kV。设绝缘子爬电比距为p，设计公称爬电距离为Lmin，因此本工程设计公称爬电距离如下： = 公式(5-1)UN线路设计电压等级，kV；p绝缘子爬电比距，28mm/kV；Lmin设计公称爬电距离，mm。上述数据代入公式(5-1)：可知本工程设计公称爬电距离Lmin为6160mm。绝缘子选型时，最小工程爬电距离应大于这个值。5.2 悬垂绝缘子串强度计算根据设计要求，档距小于550m时，采用单联双挂点的组装型式；档距在600m及以上时，采用双联四挂点的型式，以适应不同高度差和走廊宽度的要求。为便于计算，设本工程线路设计荷载为hv，复合型绝缘子最大使用荷载安全系数为Km，断联系数为Kd。5.2.1 单联布置的强度计算取代表档距最大值： 公式(5-2)设Ld1代表档距产生的最大荷载值： 公式(5-3)hv设计荷载计算结果，N/m；hd1代表档距产生的最大荷载值，N。将第3章设计荷载计算结果hv=120.1738N/m和Ld1代入公式(5-3)：得到Ld1最大荷载值hd1为66095.59N。乘以复合绝缘子最大使用荷载安全系数Km，以算出在最大使用荷载下，绝缘子串线路荷载最大值，单联绝缘子串线路荷载最大值hyd1： 公式(5-4)Km复合绝缘子最大使用荷载安全系数，取3.0；hyd1单联绝缘子串线路荷载最大值，N。将上述数值代入公式(5-4)：因此单联绝缘子串线路荷载最大值hyd1为198286.77N。设该档距内所有金具产生的额外荷载总和为2000N，则在档距为550m时，设本悬垂串要求绝缘子额定机械拉伸负荷值为hyd1+则： 公式(5-5)hyd1单联绝缘子串线路荷载最大值，N；hyd1+要求绝缘子额定机械拉伸负荷值，N。因此将上述数据代入公式(5-5)：因此本悬垂串要求绝缘子额定机械拉伸负荷值hyd1+为。经过单位换算，需要额定拉伸负荷约为21吨的悬垂绝缘子串。通过联系广东腾飞电力电气有限公司提供的该厂家生产的复合悬式绝缘子的主要尺寸和特性表如下：表5-1 复合悬式绝缘子的主要尺寸和特性1产品型号额定电压(kV)额定拉伸负荷kN连接标记结构高度(mm)绝缘距离(mm)最小公称爬电距离(mm)工频湿闪耐受电压1min kV雷电全波冲击耐受电压（kV）FXBW4-220/21022021020R2240190063003951000根据产品型号FXBW4-220/210可得知该产品由如下属性：FX复合型材料；BW棒形绝缘子；4设计编号4；220额定耐受电压220kV；210最大耐受张力21吨；最小公称爬电距离6300mm6160mm，符合要求。因此根据计算结果，最大荷载综合约为20吨，因此选用FXBW4-220/210的绝缘子串能够满足设计要求。5.2.2 双联布置的强度计算当档距大于550m，或档中有重要交叉跨越或有重要的交通要道和人流量大的地区时，应采用双联绝缘子布置。然而，仅知道代表档距的最小值550m是不能确定绝缘子串型号的。因此，直接选取常用代表档距Ld2=1000m，进行选型。设Ld2代表档距产生的最大荷载值： 公式(5-6)hv设计荷载计算结果，N/m；hd2代表档距产生的最大荷载值，N。将数据代入公式(5-6)：因此hd2代表档距产生的最大荷载值为120173.8N。乘以复合绝缘子最大使用荷载安全系数Km，以算出在最大使用荷载下，绝缘子串线路荷载最大值，双联绝缘子串线路荷载最大值hyd2： 公式(5-7)Km复合绝缘子最大使用荷载安全系数，取3.0；hyd2双联绝缘子串线路荷载最大值，N。将上述数据代入公式(5-7)：因此双联绝缘子串线路荷载最大值hyd2为360521.4N。设该档距内所有金具产生的额外荷载总和为2000N，则在档距为1000m时，设本悬垂串要求绝缘子额定机械拉伸负荷值为hyd2+则： 公式(5-8)hyd2双联绝缘子串线路荷载最大值，N；hyd2+要求绝缘子额定机械拉伸负荷值，N。将上述数据代入公式(5-8)因此绝缘子在双联状况下要求绝缘子额定机械拉伸负荷值hyd2+为380521.4N。经过单位换算，需要额定拉伸负荷约为21吨的悬垂绝缘子串，并且双联布置。因此选定的绝缘子型号为FXBW4-220/210。双联布置后绝缘子串的额定机械拉伸负荷为42吨，换算成计算单位(N)可得hn2： 公式(5-9)hn1FXBW4-220/210额定机械拉伸负荷，N；hn2双联布置绝缘子串额定机械拉伸负荷，N。将数据代入公式(5-9)：因此双联布置绝缘子串额定机械拉伸负荷为420000N。因绝缘子双联布置，因进行断联校验：设因为冰雹、人为恶意破坏、战争等原因，造成双联绝缘子串断联，断联安全系数Kdl为1.5，则断联校验公式为： 公式(5-10)hdl断联后所能承受的最大荷载，N；hn2双联布置绝缘子串额定机械拉伸负荷，N。将上述数值代入公式(5-10)：断联后所能承受的最大荷载hdl，仍大于hd2代表档距产生的最大荷载值120173.8N，断联后，线路仍可以在一定时间内稳定运行，断联校验通过所以，双联FXBW4-220/210型的绝缘子在提供1000m档距的情况下可以满足所有运行要求。5.3 耐张绝缘子串强度计算耐张串通常用于转角、终端、接续的连接。在耐张绝缘子选型与悬垂绝缘子不同处在于：悬垂绝缘子串是根据档距不同，导线长短不同，导致导线总荷载不同，对绝缘子造成垂直向下的拉力；而耐张绝缘子的选型则取决于导线的最大拉断力，最大拉断力决定了导线的极限档距，进而选择绝缘子的型号。根据第3章导线的荷载内容中JL/G1A-400/35导线技术指标可知，导线的计算拉断力为103670N，由于采用双联双挂点，计算拉断力还应乘以2倍，设双分裂导线的计算拉断力为2hdx： 公式(5-14)hdx导线计算拉断力，N。将导线参数代入公式(5-14)：因此，双分裂导线计算拉断力2hdx为207340N。设双分裂导线最大使用荷载情况下计算拉断力为2hdx，除去导线最大使用荷载Kdx取2.57： 公式(5-15)2hdx双分裂导线最大使用荷载情况下计算拉断力，N；Kdx导线最大使用荷载。将上述数据代入公式(5-15)：所以，双分裂导线最大使用荷载情况下计算拉断力2hkdx为806677.04N。理想情况下，导线所允许的极限档距为：双分裂导线最大使用荷载最大拉断力2hkdx，再除以双分裂导线的每米荷载值hv，代入上述数据可得导线双分裂布置极限档距Llim2：因此，Llim2为671.33m；取代表档距Ld3=650m；该档距的最大荷载hd3为每米荷载hv乘以代表档距Ld3： 公式(5-16)hd3代表档距最大荷载，N；hv设计单位荷载，N/m。代入上述数据可得：所以代表档距最大荷载hd3为78112.97N。乘以最大使用荷载的安全系数Km，得到线路荷载最大值hyd3： 公式(5-17)将上述数据代入公式(5-17)：得到线路荷载最大值hyd3为234338.91。设金具总荷载为2000N，则耐张串绝缘子要求额定机械拉伸负荷hyd3+为： 公式(5-18)hyd3耐张串绝缘子要求额定机械拉伸负荷，N。将上述数据代入公式(5-18)：因此可得出耐张串绝缘子要求额定机械拉伸负荷hyd3+为236338.91N。所以耐张串在确保导线不被拉断的情况下，档距取650m受到最大荷载为236338.91N，由于采用双联布置，单串绝缘子受力应为118169.455N；也就是抗拉力12吨级的绝缘子，但是由于市面上批量生产的绝缘子分别是7吨、10吨、16吨等等，若按特殊要求生产，则会产生昂贵的设计费用。显而易见，选择16吨级的绝缘子并且双联布置才能满足本工程的设计要求，绝缘子选定型号：FXBW4-220/160。厂家提供的具体参数如下表：表5-2 复合悬式绝缘子的主要尺寸和特性2产品型号额定电压(kV)额定拉伸负荷kN连接标记结构高度(mm)绝缘距离(mm)最小公称爬电距离(mm)工频湿闪耐受电压1min kV雷电全波冲击耐受电压（kV）FXBW4-220/16022016020R2240190063003951000根据产品型号FXBW4-220/160可得知该产品由如下属性：FX复合型材料；BW棒形绝缘子；4设计编号4；220额定耐受电压220kV；160最大耐受张力16吨；最小公称爬电距离6300mm6160mm，复合要求。因此根据计算结果，最大荷载综合约为24吨，因此选用双联布置的FXBW4-220/160绝缘子串能够满足设计要求。第6章 悬垂串、耐张串金具的选定金具分为线路金具、连接金具、接续金具、防护金具、拉线金具。线路金具主要有悬垂线夹和耐张线夹两种，它们能根据自身的机械容纳大小，把与之相兼容的导线线径大小范围的导线固定在金具内，使导线能够很好的与杆塔产生良好的机械性连接，在受常规风偏和地震甚至战争强震时能够维持导线不落到地面上，造成短路的危险；连接金具分为球头挂环、碗头挂板、U型挂环、直角挂板，这是金具与绝缘子之间、线夹与绝缘子之间连接的组成部分；接续金具主要分为钳压接续金具、液压接续金具、螺栓接续金具、爆压接续金具等，主要用于导线与架空地线的接续、耐张塔和跳线的接续，定型的接续金具。6.1 悬垂串金具的选定悬垂串金具的主要部分是悬垂线夹；当设计为单联双挂点时，由输电线路杆塔自上往下，连接金具分别是UB挂板，直角挂板，球头挂环，悬式绝缘子，碗头挂板，悬垂线夹，预绞丝护线夹。 6.1.1 单联布置悬垂串金具的选定悬垂线夹是用来防止导线因为风偏导致带电导线从悬垂串上脱出的机械部件，选型条件与悬垂串类似：额定承受的机械荷载除以金具安全系数，最后与最大档距对应的荷载量想比较。需要注意的是，本工程采用的是双分裂导线，因此每组导线需要两个悬垂线夹，两个悬垂线夹平均分配荷载量。下面是厂家提供的悬垂线夹的型号和参数： 图6-1 悬垂线夹工程图表6-1 悬垂线夹技术指标型号适用导线范围(mm)主要尺寸标称破坏荷重(kN)重量(kg)HCMRLXGJ-211-1352191883001004.4XGJ-313.1-18.019018169300704.8XGJ-421.1-23.0190181611300704.9XGJ-523-431212422223901208.8XGJ-7.125-4825036362550530018.7本工程采用导线的线径d为26.8mm，并且在单联双挂点，档距Ld1在550m内的绝缘子串上，设分裂数为n，单根导线平分最大档距550m所承受的最大荷载值F1： 公式(6-1)hd1代表档距受到的最大荷载值，N；Ld1代表档距，m；n导线分裂数；F1单根导线所承受的最大荷载值，N。将数值代入公式(6-1)得：所以单根单根导线所承受的最大荷载值F1为33047.795N。必须考虑金具安全系数Kj取2.5，所以初选金具型号为SGJ-5，该型号金具的标称破坏荷重为hjn 120000N： 公式(6-2)hkjn悬垂线夹安全系数下标称破坏荷重，N；hjn悬垂线夹标称破坏荷重，N。将数据代入公式(6-2)： 所以悬垂线夹安全系数标称破坏荷重hkjn为48000N。除去安全系数后的标称破坏荷重依然大于最大档距550m所产生的最大档距值，因此悬垂绝缘子型号选定为XGJ-5。同时，根据上述计算结果，也可以确定其他金具的型号选定要求：对同一串上的荷载校验，受力条件视为相同。因此，其他金具选定要根据2根导线荷载之和，和绝缘子一样，选用21吨级的挂载金具即可满足要求。由于采用单联布置，整体绝缘子串和金具组合部分的受力可视为相同，因此单联布置的悬垂绝缘子串其他部分的连接金具选用的标称破坏荷重应与绝缘子串额定拉伸负荷相同等级。 6.1.2双联布置的悬垂串金具的选定对于双联布置的悬垂串金具，其绝缘子型号为FXBW4-220/210双联布置，且带电侧对导线有4个挂点，所以导线荷载hd2是平均分配到4个悬垂线夹上的，则这4个挂点每个挂点受力： ： 公式(6-3)F2每个挂点受力，N；hkjn悬垂串来自线路上的荷载值，N。将上述数据代入公式(6-3)：每个悬垂线夹在最大使用荷载的情况下，应当承受约9.0吨以上的荷载。因此，初选悬垂线夹型号XGJ-7.1，并除去安全系数，代入公式(6-2)，参数表见上页； 得出安全系数下的标称破坏荷重120000N，大于每个挂点受力，该型号的悬垂线夹满足设计要求。其他金具，靠近杆塔侧的，必须选用是复合绝缘子额定拉伸负荷2倍大的标称破坏荷重，因为双联布置的悬垂绝缘子串在靠近杆塔侧的部分要承受2个绝缘子串对其造成的拉力，荷载会增大2倍；其金具标称破坏荷重大小根据不同金具生产厂商所提供的型号表进行选择。6.2 双联布置耐张串金具的选定耐张串金具主要满足转角杆塔、终端杆塔等特殊情况的特殊使用需求，也兼容用于悬垂串的使用要求。耐张串由杆塔开始到导线之间主要使用的金具有：U型挂环、PH挂环、L型联板、直角挂板、球头挂环、悬式绝缘子、碗头挂板、L型联板、直角挂板、L型联板、P挂板、DB挂板、U型挂环、耐张线夹。其中，耐张线夹主要承受导线的拉力和张力，其受到的荷载条件也和悬垂线夹一样。由于耐张线夹在设计时，多是针对一种型号的导线一一对应设计的，因此仅需根据厂家提供的耐张线夹型号表进行选择：图6-2 耐张线夹工程图表6-2 耐张线夹技术指标型号适用导线范围主要尺寸mm(D1)主要尺寸mm(D2)主要尺寸mm(D3)主要尺寸mm(L1)主要尺寸mm(L2)握力(kN)简图重量(kg)NY-400/35JL/G1A-400/35451620524659914.0所以选择悬垂线夹型号为NY-400/35。其他金具，靠近杆塔侧的金具所能承受的标称破坏荷重应根据单联或者双联布置决定相等或者2倍于绝缘子。以U型挂环为例：图6-3 U型挂环工程图表6-3 U型挂环技术指标型号主要尺寸 (mm)标称破坏荷重(kN)重量(kg)CdDHRU-21302724100152102.3U-25343026110172502.8U-30383630130193003.7已知双分裂导线在最大使用荷载的工作条件下，拉断力是80677.04N，因此金具只要满足在最大使用荷载条件下满足导线的拉断力就能符合要求，U-25型号的U型挂环标称破坏荷重不小于250kN，所以，将数据代入公式(6-2)初选此型号进行如下校验：在除去安全系数后的标称破坏荷重10000N仍然大于导线的拉断力80677.04N，因此该型号的U型挂环满足设计要求。因此，其他杆塔和绝缘子之间的连接金具的选型方法与此类似，不再一一赘述。绝缘子以后到悬垂线夹之间的金具的选型则以已选定的绝缘子型号的额定拉伸负荷为基准，不同金具分别参考厂家提供的金具参数表进行选定。结论本文结合了实际工程设计介绍了目前电力设计中对于新建的输电线路首先应考虑气
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