500kV變電站GIS設備基礎形式分析比較

韓根偉（四川電力設計咨詢有限責任公司，四川成都610041）

500kV變電站GIS設備基礎形式分析比較

韓根偉（四川電力設計咨詢有限責任公司，四川成都610041）

本文分析了500kV變電站GIS設備基礎形式，并采用ANSYS軟件對GIS的獨立基礎進行了算分析，結合工程實際情況，得出了最優(yōu)結果。

變電站；分析；結果

1　引言

目前，我國用電需求以每年約15%的速度遞增，而電網結構相對薄弱，電網輸送能力和需求矛盾較為突出。國家電網公司大力發(fā)展特高壓輸變電建設，加快構建特高壓堅強電網，可以大大提高線路走廊的利用率，提高土地利用率，對滿足國民經濟發(fā)展對電力的需求，促進電力產業(yè)技術升級和可持續(xù)發(fā)展，提高能源利用率具有重要意義。目前，我國變電站配電裝置使得的主要設備類型有：AIS（常規(guī)空氣絕緣開關設備）、HGIS（混合氣體絕緣開關設備）、GIS（氣體絕緣金屬封閉開關設備）三種類型。其中GIS主要是由斷路器、高壓母線、空氣開關、電磁互感器等器件組成，這些器件通常封裝在金屬外殼內，并且金屬外殼接地，可以有效保護這些設備不受外界因素損壞。

2　GIS電氣設備

通常情況下，GIS組合電氣設備使用氣體絕緣方式，其重要電氣元件都被有效密封在SF6氣室內，具有很強的抗干擾能力，并且壽命長、不容易出現故障。把GIS設備密封環(huán)節(jié)通過應用于HGIS上，并且需要在每個間隔內使用絕緣套管連接起來，這種連接方式很大程度上決定了基礎不能有比較大的差異沉降。根據電氣布置情況，500kV配電裝置采用GIS布置方案，與敞開式設備方案和HGIS設備方案相比較，換流站占地面積大幅減小，配電裝置更為整齊簡潔，電氣元件減少，減少運行維護的工作量，具有其優(yōu)越性。通過對500kV GIS設備地基基礎方案的研究，選擇適應設備要求的基礎形式，吸取以往類似工程的經驗，優(yōu)選方案，既能降低混凝土的用量，降低工程造價，又能減少混凝土的體積，進一步減少混凝土的溫度應力，對于設備基礎的抗裂控制具有重要意義。

3　基礎沉降

3.1變形特性測試方法

土的室內試驗有側限壓縮實驗和三軸壓縮。土的側限壓縮實驗（固結實驗）室通過測量圖樣在各級壓力pi作用下的壓縮變形量Si，計算出對應于每一級壓力的孔隙比ei，從而繪制出e-p曲線，計算圖的壓縮系數a1-2﹑壓縮模量Es，從而評價土的壓縮性。三軸壓縮試驗是測定土抗剪強度的一種較為完善的方法。三軸壓縮儀由壓力室、軸向加荷系統(tǒng)、施加周圍壓力系統(tǒng)、孔隙水壓力量測系統(tǒng)等組成。三軸壓縮儀的突出優(yōu)點是能較為嚴格地控制排水條件以及可以量測試件中孔隙水壓力的變化。此外，試件中的應力狀態(tài)也比較明確，破裂面是在最弱處，而不像直接剪切儀那樣限定在上下盒之間。

3.2最終沉降量計算

研究表明：粘性土地基在基底壓力作用下的沉降量S由三種不同的原因引起：

初始沉降（瞬時沉降）Sd：有限范圍的外荷載作用下地基由于發(fā)生側向位移（即剪切變形）引起的；主固結沉降（滲流固結沉降）Sc：由于超孔隙水壓力逐漸向有效應力轉化而發(fā)生的土滲透固結變形引起的。是地基變形的主要部分；次固結沉降Ss：主固結沉降完成以后，在有效應力不變條件下，由于土骨架的蠕變特性引起的變形。這種變形的速率與孔壓消散的速率無關，取決于土的蠕變性質，既包括剪應變，又包括體應變。

圖1　最終沉降量計算示意圖

4　基礎形式的分析比較

4.1獨立基礎

將上部結構傳來的荷載，通過作用在滿足基礎埋件要求的平面尺寸上，使作用在基底的壓應力等于或小于地基土的承載力，而基礎內部的應力應同時滿足材料本身的強度要求，獨立基礎采用鋼筋混凝土，基礎抗彎能力強，不受剛性角限制。獨立基礎與其他基礎形式相比，一般具有節(jié)省混凝土，施工便利，工程造價低等優(yōu)點。

圖2　獨立基礎示意圖

4.2獨立擴展基礎

將上部結構傳來的荷載，通過向側邊擴展成一定底面積，使作用在基底的壓應力等于或小于地基土的允許承載力，而基礎內部的應力應同時滿足材料本身的強度要求，這種起到壓力擴散作用的基礎稱為擴展基礎。

圖3　獨立基礎示意圖

4.3筏板基礎

筏板基礎是發(fā)展較早的一種基礎形式，當鋼筋混凝土被用于建筑物的基礎時，開始較多使用的是條形基礎、獨立柱基礎和交叉梁基礎，由于建筑物荷載越來越大或地基承載力較低，基座所占基礎平面的面積越來越大，當達到3/4以上時，人們發(fā)現采用整板式基礎更經濟，于是就產生了筏板基礎。

上部荷載較大，地基承載力較低，上部結構對地基基礎變形要求高等情況，采用一般基礎不能滿足承載力或變形要求時，可將基礎擴大成支承整個建筑物結構的大鋼筋混凝土板，既成為筏形基礎或稱為筏板基礎。筏板基礎不僅能減少地基土的單位面積壓力、提高承載力，還能增強基礎剛度，有效地調整基礎的不均勻沉降。因此，對于變形要求嚴格的GIS設備來說，筏板基礎是一種適宜的基礎形式。筏板基礎有如下兩種可選方案。

4.4筏板倒置式基礎

一般的筏板基礎由于埋深較大，土方開挖量大，建成后筏板上也會增加一定的土重。筏板倒置式就是將筏板置于基礎頂，這樣在減少土方開挖量的同時也給GIS設備吊裝提供一個平臺。但是由于GIS設備重量重，這樣會使基礎底面積很大，同時吊車在倒置的筏板上也會使筏板承受很大荷載。這種基礎的缺點就在于大體積混凝土的裂縫控制及預埋件的定位問題。因此該種基礎做為一種新的基礎形式有待于進一步的論證。

4.5箱形基礎

對于500kV GIS設備如采用箱型基礎，基礎整體性更好，由于基礎存在空腔，基底附加壓力小，適應地基變形能力強，還可充分利用其內部空間敷設電纜，在基礎范圍內無需另設電纜溝。與筏板基礎相比，箱型基礎鋼筋用量大，鋼筋和模板工程量大，施工較為復雜，施工周期長，造價較高，不具優(yōu)勢。因此，在獨立基礎或筏板基礎能滿足地基變形要求的前提下，不推薦采用箱型基礎。

5　計算參數

5.1地質計算參數

地基沉降計算主要和地基土的壓縮模量、地基土分層、上部荷載大小有關。選取合理的沉降計算參數是地基沉降計算結果科學、客觀、合理的保證。

根據某工程巖土勘察報告，站內工程地質鉆探深度范圍內地基土可分為二大層，自上而下分別為：

①粘土（Q4el）：粘土為硬塑狀，其力學性能較好。根據工程類比、地區(qū)經驗，推薦其天然重力密度γ=19.0kN/m3，粘聚力c=20～30kPa，內摩擦角φ=15～20°，其承載力特征值fak=170～220kPa，Es=6～10MPa。該層力學性能較好，可作為天然地基持力層。

②泥巖夾卵礫石（N2X）：根據工程類比、地區(qū)經驗，推薦其天然重力密度γ=21kN/m3，承載力特征值fak=280～350kPa，該層物理力學性能好，可作為天然地基持力層、下臥層及樁端持力層，但該層對水極為敏感，遇水極易軟化，設計施工注意此特性。

表1　地基巖土主要設計參數一覽表

5.2基礎埋深的選取

本工程500kV GIS場地大部分位于挖方區(qū)，最大挖方5.76m，一小部分位于填方區(qū)，最大填方1.26m，根據地勘報告情況及地基處理情況，在保證基礎承載力的情況下，盡量減小滿深，確定500kV GIS基礎埋深為1.0m，為了為防止雨水的浸泡，考慮基礎頂標高高出地面150mm。

5.3地基變形計算深度的選取

采用變形比法確定地基變形計算深度。地基變形計算深度zn，應符合《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GB50007-2011）5.3.6條的要求：

Δs′n≤0.025∑Δs′i

Δs′i——在計算深度范圍內，第i層土的計算變形值；

Δs′n——再由計算深度向上取厚度為Δz的土層計算變形值。

6　500kV GIS計算結果分析

6.1模型的建立

根據500kV GIS場地的地質情況及地基處理措施，對500kV GIS挖方區(qū)采用孤島式獨立基礎，填方小于4m的區(qū)域采用筏板基礎，對500kV GIS填方大于4m的區(qū)域采用直徑600mm的旋挖鉆孔樁筏基礎。下面對500kV GIS基礎的挖方區(qū)、填方小于4m的區(qū)域、填方大于4m的區(qū)域分別運用大型通用有限元軟件ANSYS進行計算分析。

模型選取solid45，該單元用于構造三維實體結構.單元通過8個節(jié)點來定義，每個節(jié)點有3個沿著xyz方向平移的自由度單元具有塑性，蠕變，膨脹，應力強化，大變形和大應變能力。

圖4　s olid45單元

6.2獨立基礎計算分析

根據750kV GIS設備的荷載，采用獨立基礎形式，地基承載力很容易滿足要求，但GIS設備對地基變形要求嚴格，設備伸縮節(jié)之間的埋件誤差要求控制在約20mm內，采用獨立基礎，挖方區(qū)斷路器基礎沉降達到9.2mm，填方小于4m區(qū)域斷路器基礎沉降達到16.2mm，用同樣的方法計算出其他設備基礎的沉降滿足電氣設備的要求。

圖5　500kV G IS獨立基礎

圖6　500kV G IS筏板基礎

同樣的方法建立其他單元的模型可以得出下表中的結論，結果均滿足要求。

其中A為斷路器基礎，B為母線支撐基礎，C為隔離接地開關基礎，D為套管基礎，E為主母線接地開關基礎（見表2）。

6.3樁基礎計算分析

對填方區(qū)大于4m的地方采用樁筏基礎，樁端持力層為強風化砂巖。根據《建筑樁基技術規(guī)范》（JGJ94-2008）中的公式：

表2　基礎沉降計算結果表

可計算出樁基礎沉降量為6mm。對于單排樁的設備基礎之間可以設置拉梁。拉梁承擔受力的同時也可以調節(jié)不均勻沉降。

7　結論

通過分析目前較常用的幾種GIS設備基礎，并結合文中500kV換流站的地質情況，本著節(jié)省材料和方便施工的原則，對500kV GIS挖方區(qū)采用孤島式獨立基礎，填方小于4m的區(qū)域采用筏板基礎，對GIS填方大于4m的區(qū)域采用直徑600mm的旋挖鉆孔樁筏基礎。同時提出了保證埋件的水平的施工措施、控制大體積混凝土裂縫的措施。

[1]劉 強.500kV變電站GIS故障預防及相應故障分析[J].工程技術，2011（5）.

[2]王志軍.GIS設備安裝與調試技術在電力系統(tǒng)中變電站中的應用[J].中國新技術新產品，2011.

[3]陳玉全.500kV變電站GIS設備運行維護[J].自動化應用，2010（9）.

TM63

A

2095-2066（2016）31-0047-03

2016-10-20

韓根偉（1981-），男，工程師，碩士研究生，主要從事變電站土建設計工作。