10 kV及以下配電線路桿塔設計計算及選型研究

邱劍洪，覃 丹，王玫尹，陳奕達

(海南電網有限責任公司， 海口 570100)

0 引 言

海南地區因其地理位置的特殊性，臺風頻發，易對中低壓電網造成較大的經濟損失和社會影響，其中架空線路抗風技術能力不足，倒桿(或傾斜)問題尤為嚴重。為提高10 kV及以下配電網架空線路的防風能力，需對其進行加固措施。目前常規的防風加固措施有加裝防風拉線和配置高強度桿塔兩種。前者因其占地面積較大，受到現場施工條件和人為因素的限制，應用場合逐漸減少，因此現如今采用更多的方案是配置高強度桿塔。然而由于各家設計院在新建或改造10 kV及以下配電網架空線路的工程中缺少桿塔受力等量化數據，導致業主單位無法校核桿塔彎矩是否滿足要求，在安全性和經濟成本兩方面均缺少管控，因此“以大代小”和“以小代大”的設計方案所造成的質量和效益問題較為突出。

出于安全性與經濟性的綜合考量，桿塔設計應考慮到海風、臺風侵襲等問題，在設計和施工中須對導線和電桿進行受力分析，著重考慮風力、重力和拉力的作用，并以校核結果為基礎來進行桿塔選型，設計相應的地基。以往雖有面向輸電線路桿塔的風荷載計算研究，但由于35 kV及以上線路桿塔結構的特殊性，其計算過程、受力場景和模型都相對復雜，上述的研究結論并不能在10 kV配電網設計中直接應用[1-4]。文獻[5]雖然在計算過程中忽略部分因素，簡化了計算過程，但在受力場景和模型方面仍沒有結合10 kV線路桿塔的結構特點進一步簡化。

充分考慮10 kV及以下線路桿塔結構的特點，簡化其受力場景和計算模型，通過計算提供多種典型場景下的桿塔選型，便于在工程實際中應用。

1 配電線路桿塔風荷載分析

桿塔荷載可分為永久荷載與可變荷載，其中永久荷載是導線、地線、絕緣子及其附件的重力荷載，桿塔構件及桿塔上固定設備的重力荷載，土壓力和預應力等；可變荷載是風荷載、導線或地線張力荷載、導線或地線覆冰荷載、附件荷載、活荷載等[6]。桿塔防風強度計算及選型僅分析可變荷載。結合海南運行工況，更多考慮的是最大風速、無冰和未斷線等條件下的桿塔荷載。

1.1 導線風荷載和張力荷載

導線風荷載分析如圖1所示。

圖1 導線風荷載示意圖Fig.1 wind load diagram of conductor

取一個水平檔距內的導線和桿塔為研究對象，如圖1所示。其受到的風荷載沿導線均勻分布，當風向與線路垂直時，導線風荷載標準值可按式(1)計算：

Wx=w×Wo×μsc×d×Lp

(1)

式中：Wx為垂直于導線方向的水平風荷載標準值，kN；w為風壓不均勻系數，由《架空絕緣配電線路設計標準》確定；Wo為基本風壓，kN/m2；μsc為導線的體型系數，線徑小于17 mm或覆冰時(不論線徑大小)，μsc=1.2，線徑大于或等于17 mm時，μsc=1.1；d為導線的外徑或覆冰時的計算外徑，m；Lp為桿塔的水平檔距，m。

此外，導線也會產生張力，可分解為橫向水平荷載(角度荷載)和縱向荷載(不平衡張力)。導線的縱向不平衡張力主要是檔距、高差不等引起的荷載改變，而配電線路檔距較小，此處可忽略其荷載影響，其受力分析如圖2所示。

圖2 轉角桿塔導線張力示意圖Fig.2 tension diagram of angle tower conductor

轉角桿塔所受導線拉力按式(2)計算。

pJ=T1sinα1+T2sinα2

(2)

式中：T1、T2為桿塔前后導線、地線張力，kN；pJ為導線拉力分量，kN；α1、α2為導線與桿塔橫擔垂線間的夾角。

1.2 桿塔風荷載

10 kV桿塔類型主要分為混凝土電桿、鐵塔和鋼管桿。區別于35 kV及以下鐵塔結構，10 kV桿塔結構迎風面的投影面積相同，可簡化受力場景分析。且10 kV桿塔橫擔和絕緣子等附件相較輸電桿塔附件受力面積較小，其作用可忽略不計[7]，僅分析塔身本身受力情況。

取一基電桿為研究對象，如圖3所示。

圖3 桿塔風荷載示意圖Fig.3 wind load diagram of tower

風向與桿塔面垂直情況的桿塔身或橫擔風荷載標準值，應按式(3)計算：

Ws=Wo×μz×μs×βz×As

(3)

式中：Ws為桿塔塔身或橫擔風荷載標準，kN；μz為風壓高度變化系數，由《架空絕緣配電線路設計標準》確定；μs為風荷載體型系數，塔架取1.3(1+η)(η為塔架背風面荷載降低系數)，環形混凝土電桿、鋼管桿桿身η取0.7；βz為桿塔風振系數；As為桿塔結構構件迎風面的投影面積，m2。

1.3 桿塔受力分析

根據電桿在線路中的作用和地位可分為六種結構，分別為直線桿、耐張桿、轉角桿、終端桿、跨越桿和分支桿。《66 kV及以下架空電力線路設計規范》中規定：塔身與導線風荷載在進行受力分析時需分解為垂直線路方向分量和順線路方向分量。考慮到導線風荷載相比塔身風荷載與導線張力較小，因此在分析轉角電桿受力時，可直接使用風向垂直線路時導線風荷載代替。以下為三種桿塔類型的受力情況分析[8]，見圖4～6。

圖4 直線電桿受力Fig.4 Force on straight pole

圖5 終端電桿受力Fig.5 Force on terminal pole

圖6 轉角電桿受力Fig.6 Force on angle pole

2 最大彎矩計算

直線電桿的最大彎矩計算在文獻[7]中已有詳細的計算過程，此處不進行討論。本節主要關注轉角電桿和終端電桿的最大彎矩計算。相較于直線電桿受力分析，轉角電桿受到導線張力作用。當導線轉角超過90°時，會存在迂回供電的問題，因此以90°轉角為背景，計算轉角電桿最大彎矩。

導線張力的計算式[9]見式(4)、式(5)：

(4)

(5)

式中：F為導線拉斷力，kN；λ為導線安全系數；T為導線最大拉力，kN；α為線路轉角，其參數均可查閱設計標準《GB/T 1179-2017 圓線同心絞架空導線》[10]。

10 kV及以下配電線路的導線應采用三角排列、垂直排列或水平排列[8]。以10 kV配電線路單回路三角排列架設方式為例，轉角桿塔最大彎矩計算式見式(6):

W轉角=Wx×h1+Wx×(h1-0.8)×2+Ws×h+pJ×h1

(6)

式中：h1為電桿距地面高度，m；h為電桿自身的風壓合力作用點至地面的高度，m，具體計算查閱形心公式。

終端桿塔最大彎矩W終端計算式見式(7)。

W終端=Ws×h+T×h1

(7)

考慮無拉線錐形單桿可按受彎構件進行計算，彎矩應乘以增大系數1.1得到標準桿塔標準彎矩M[5]，見式(8):

M=1.1×W

(8)

3 電桿選型

電桿允許彎矩必須要大于電桿所承受的最大彎矩，并留有一定安全裕度[7]。查閱文獻《GB 4623-2014環形混凝土電桿》，列取幾種10 kV及以下配電線路常用桿塔標準開裂檢驗彎矩[11]，見表1。

表1 10 kV及以下配電線路常用桿塔標準開裂檢驗彎矩表Table 1 Standard cracking inspection bending moment of common poles and towers of 10 kV and below distribution lines

由于10 kV及以下線路中絕緣導線應用更加普遍，以絕緣導線為研究對象，在大風速、無冰和未斷線運行工況下分別計算絕緣導線在單回和雙回架設中桿塔的最大彎矩，并提出表2～4的推薦值。

表2 10 kV絕緣配電線路單回架空敷設桿塔型號推薦Table 2 Recommended model of single circuit overhead tower for 10 kV insulated distribution line

表3 10 kV絕緣配電線路雙回架空敷設桿塔型號推薦Table 3 Recommended model of double circuit overhead tower for 10 kV insulated distribution line

表4 10 kV絕緣配電線路單、雙回架空終端電桿型號推薦Table 4 Recommended types of single circuit and double circuit overhead terminal poles for 10 kV insulated distribution lines

4 結 語

10 kV及以下架空線路的桿塔選型是目前設計中容易忽略的盲區，直接影響投資的有效性和線路運行的安全性，且現有配電網設計單位普遍存在人員不足和設計水平參差不齊等問題。綜合考慮配電線路桿塔的特點，在滿足國家強制技術標準和設計標準的基礎上，進一步優化桿塔的受力模型，提高設計計算的實用性和便捷性。結合“本土”環境因素，在計算數據的基礎上提出桿塔選型推薦方案，極大地提高了設計和評審人員工作效率，同時也確保了線路的安全運行和投資精細化。