風(fēng)帆聯(lián)合出線構(gòu)架在汨羅西220kV變電站的全面應(yīng)用

姜文 楊金虎

湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，中國(guó)·湖北 武漢 430040

變電站；風(fēng)帆聯(lián)合出線構(gòu)架；三維

1 引言

隨著土地資源越來(lái)越緊張，節(jié)約變電站的建設(shè)用地已成為設(shè)計(jì)重要的指導(dǎo)思想。特別是在城市規(guī)劃區(qū)域或郊區(qū)，變電站的選址愈來(lái)愈困難，征地費(fèi)用也逐年增高。變電站如何更有效的節(jié)約用地是當(dāng)前亟待解決的課題。

調(diào)查中國(guó)國(guó)網(wǎng)220kV變電站通用設(shè)計(jì)及各地已完成的220kV 戶(hù)外GIS 變電站發(fā)現(xiàn)：220kV 出線構(gòu)架通常采用一回出線13m 跨度，或者兩回出線24m 跨度的出線構(gòu)架；110kV出線構(gòu)架通常采用一回出線8m 跨度，或者兩回出線15m 跨度的出線構(gòu)架。這種型式的出線構(gòu)架雖然滿足電氣設(shè)備安全運(yùn)行需求，但占地面積大，出線構(gòu)架用鋼量也隨之增大。

2 工程概況

2.1 建設(shè)規(guī)模

汨羅西220kV變電站工程位于中國(guó)湖南汨羅市古培鎮(zhèn)石牛村。該工程是中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司首批三維設(shè)計(jì)試點(diǎn)工程之一，是2017年三維設(shè)計(jì)競(jìng)賽依托工程。220 及110kV 終、本期均采用雙母線接線。10kV 終期采用單母線三分段接線，本期采用單母線接線。主變壓器采用三相三繞組有載調(diào)壓油浸自冷高阻抗變壓器，220、110kV 均采用GIS 組合電器，10kV采用金屬鎧裝戶(hù)內(nèi)開(kāi)關(guān)柜。詳情如表1所示。

表1 汨羅西220kV變電站建設(shè)規(guī)模

2.2 可研方案

工程可研階段依托中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司戶(hù)外GIS 通用設(shè)計(jì)方案A-1進(jìn)行設(shè)計(jì)。即戶(hù)外GIS 配電裝置，架空進(jìn)、出線，采用分相式斷路器雙列布置；220kV 出線架構(gòu)采用雙回出線共用方式，單回出線間隔寬度12m，雙回出線共用間隔寬度24m，出線門(mén)型架掛點(diǎn)高度14m；110kV 出線架構(gòu)采用雙回出線共用方式，單回出線間隔寬度7.5m，雙回出線共用間隔寬度15m；出線門(mén)型架掛點(diǎn)高度10m。方案圍墻內(nèi)占地為103m×83.5m[1]。

3 風(fēng)帆聯(lián)合出線構(gòu)架全面應(yīng)用

3.1 初步方案

常規(guī)GIS 出線構(gòu)架采用鋼管結(jié)構(gòu)柱與格構(gòu)式鋼梁或鋼管梁組成的門(mén)式結(jié)構(gòu)，出線導(dǎo)線掛點(diǎn)位于同一高度，通過(guò)水平方向的掛點(diǎn)距離滿足導(dǎo)線的帶電距離要求，通常有兩回一跨構(gòu)架，兩回出線ABC 三相共6個(gè)掛點(diǎn)水平布置在出線構(gòu)架梁上[2]，如圖1所示。

圖1 常規(guī)GIS 220kV 出線構(gòu)架示意圖

為節(jié)約配電裝置和構(gòu)架的占地，利用GIS 電氣設(shè)備導(dǎo)管可以隨意引接、靈活布置的特點(diǎn)，通過(guò)將門(mén)型出線構(gòu)架設(shè)置成三層出線梁，出線A、B、C 三相垂直布置，220kV 三層梁的高度設(shè)置為9m、14m、19m，三層梁水平間距離按4m 控制；110kV 三層梁的高度設(shè)置為7m、9.5m、12m，三層梁水平間距離按1.75m 控制。這樣，由GIS 出線套管引出的A、B、C 三相滿足電氣距離要求，如圖2.2所示。該結(jié)構(gòu)以外形似風(fēng)帆而命名為“風(fēng)帆聯(lián)合式”出線構(gòu)架，優(yōu)化布置后，220kV 配電裝置每個(gè)出線間隔橫向尺寸較可研縮小4.5m，即兩個(gè)出線間隔共15m；110kV 配電裝置每個(gè)出線間隔橫向尺寸較可研縮小2.5m，即兩個(gè)出線間隔共10m。詳情如圖2所示。

圖2 汨羅西220kV 風(fēng)帆出線構(gòu)架示意圖

采用這種布置后，配電裝置區(qū)的占地大為節(jié)約，圍墻內(nèi)用地尺寸可調(diào)整為80m×83.5m，較可研減少22.3%，如圖3所示。

圖3 風(fēng)帆聯(lián)合出線構(gòu)架全面應(yīng)用布局規(guī)劃

3.2 構(gòu)架結(jié)構(gòu)力學(xué)分析驗(yàn)證

風(fēng)帆構(gòu)架柱由兩高度不同的鋼管柱支撐，中間聯(lián)合布置橫撐和斜撐，利用A型柱受力特點(diǎn)，將短柱與斜撐布置成一定斜率的A型柱，在主要承受平面內(nèi)導(dǎo)線拉力的構(gòu)架設(shè)計(jì)中，增加了平面內(nèi)剛度和穩(wěn)定，使受力合理。[2]

風(fēng)帆聯(lián)合式構(gòu)架的基本結(jié)構(gòu)單元為鋼管柱和格構(gòu)式梁（或鋼管梁，用于110kV），兩豎向主柱為等截面鋼管柱，本工程利用了Staad.pro進(jìn)行出線構(gòu)架的計(jì)算，SSDD進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范驗(yàn)算，如圖4、圖5所示。

圖4 風(fēng)帆聯(lián)合出線構(gòu)架力學(xué)模型（節(jié)點(diǎn)受力）

圖5 風(fēng)帆聯(lián)合出線構(gòu)架力學(xué)模型（X 向風(fēng)載）

通過(guò)構(gòu)架位移分析驗(yàn)算，柱頂位移主要為平面外荷載引起的，平面內(nèi)剛度較大，因此位移較小。構(gòu)架柱頂位移受端撐約束作用，最大位移22mm，滿足規(guī)范H/200 要求；構(gòu)架梁跨中位移相對(duì)最大，最大值為21mm，亦滿足規(guī)范L/200 要求。

通過(guò)驗(yàn)算，110kV、220kV 風(fēng)帆聯(lián)合構(gòu)架長(zhǎng)細(xì)比和截面應(yīng)力滿足要求，最大應(yīng)力比如表2所示。

表2 110kV、220kV 風(fēng)帆聯(lián)合構(gòu)架長(zhǎng)細(xì)比、截面應(yīng)力

由上可知，110kV、220kV 風(fēng)帆構(gòu)架受荷后，各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)均滿足初步方案設(shè)想和規(guī)范要求，本站可以全面應(yīng)用風(fēng)帆聯(lián)合出線構(gòu)架。

3.3 構(gòu)架三維深化設(shè)計(jì)應(yīng)用

本工程應(yīng)用Benteley軟件平臺(tái)，完成全站三維設(shè)計(jì)，如圖6所示。通過(guò)三維空間帶電距離軟硬碰撞校驗(yàn)，110kV、220kV 風(fēng)帆構(gòu)架均滿足帶電距離要求，構(gòu)架間連接合理。此外，結(jié)構(gòu)完成了風(fēng)帆構(gòu)架及其基礎(chǔ)的細(xì)部設(shè)計(jì)，如110kV 構(gòu)架深化設(shè)計(jì)完成了所有細(xì)部節(jié)點(diǎn)，包括掛線板、爬梯護(hù)籠、欄桿走道、梁柱節(jié)點(diǎn)，完全達(dá)到裝配模型，可供構(gòu)架加工單位參考，直接按件加工，如圖.7所示。

圖6 全站三維組裝模型

圖7 110kV 構(gòu)架三維深化模型

4 風(fēng)帆聯(lián)合出線構(gòu)架應(yīng)用及成效

本工程構(gòu)支架、配電裝置樓、警衛(wèi)室、主變防火墻及水工構(gòu)筑物均按裝配式方案設(shè)計(jì)施工。2018年9月正式開(kāi)工，2019年6月竣工投產(chǎn)，其中，風(fēng)帆構(gòu)架到現(xiàn)場(chǎng)拼接、吊裝不到兩周。

4.1 220kV 風(fēng)帆聯(lián)合出線構(gòu)架實(shí)施方案

220kV 構(gòu)架布置為1 榀連續(xù)4 跨聯(lián)合風(fēng)帆式出線構(gòu)架，構(gòu)架間隔寬度為15m，縱向柱距8m，220kV 構(gòu)架按終期規(guī)模一次建成，如圖8所示。

220kV 構(gòu)架柱采用直縫焊接圓形鋼管柱，構(gòu)架橫梁采用三角形格構(gòu)式桁架梁。構(gòu)架柱主材直徑為φ350，輔材直徑為φ350、φ300；鋼梁弦桿直徑為φ140；220kV 構(gòu)架避雷針為與柱形式統(tǒng)一，采用鋼管結(jié)構(gòu)[3]。鋼材均采用Q235B級(jí)鋼,鋼材總用量42.0t,較同規(guī)模通用設(shè)計(jì)減少6.6t。

圖8 220kV 聯(lián)合風(fēng)帆構(gòu)架實(shí)照

4.2 110kV 風(fēng)帆聯(lián)合出線構(gòu)架實(shí)施方案

110kV 構(gòu)架布置為1 榀連續(xù)6 跨聯(lián)合風(fēng)帆式出線構(gòu)架，構(gòu)架間隔寬度為10m，縱向柱距3.5m，110kV 構(gòu)架按終期規(guī)模一次建成，如圖9所示。

110kV 構(gòu)架梁、柱均采用直縫焊接圓形鋼管柱。構(gòu)架柱主材直徑為φ300，輔材直徑為φ300、φ245；鋼梁直徑為φ400；110kV 構(gòu)架避雷針為與梁柱形式統(tǒng)一，采用鋼管結(jié)構(gòu)。鋼材均采用Q235B級(jí)鋼，鋼材總用量42.2t,較同規(guī)模通用設(shè)計(jì)減少14.5t。

圖9 110kV 聯(lián)合風(fēng)帆構(gòu)架實(shí)照

4.3 圍墻內(nèi)節(jié)地綜合利用

由于本工程建設(shè)用地前期已征用，采用聯(lián)合風(fēng)帆出線構(gòu)架后，圍墻內(nèi)占地較原可研設(shè)計(jì)方案節(jié)余站前區(qū)23m，用于建管、施工臨建和材料堆場(chǎng)用，如圖10所示。方便了施工安全管理，且與周邊居民避免了相互干擾，后期可用作儲(chǔ)能站、充電站等其它用途。

圖10 該站建設(shè)過(guò)程中的實(shí)照

4.4 風(fēng)帆聯(lián)系構(gòu)架吊裝施工

風(fēng)帆聯(lián)合出線構(gòu)架自身剛度大，穩(wěn)定性好，安裝完成一榀后可實(shí)現(xiàn)自立，無(wú)需作額外安全保護(hù)措施，全面實(shí)現(xiàn)機(jī)械化施工，如圖11、圖12所示。110kV、220kV 風(fēng)帆聯(lián)合構(gòu)架現(xiàn)場(chǎng)拼接、吊裝各不到一周時(shí)間完成，較常規(guī)GIS 構(gòu)架吊裝節(jié)省工期50%以上。

圖11 220kV 風(fēng)帆構(gòu)架吊裝現(xiàn)場(chǎng)

圖12 110kV 風(fēng)帆構(gòu)架吊裝現(xiàn)場(chǎng)

5 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)帆聯(lián)合式出線構(gòu)架由兩高度不同的鋼管柱支撐，中間聯(lián)合布置橫撐和斜撐，平面內(nèi)、外剛度和穩(wěn)定性好，受力合理，吊裝方便[4]。

本站110kV、220kV 出線構(gòu)架可以全面應(yīng)用風(fēng)帆聯(lián)合式結(jié)構(gòu)，通過(guò)受力分析計(jì)算，位移比在規(guī)范范圍內(nèi)；構(gòu)架長(zhǎng)細(xì)比和截面最大應(yīng)力比分別不超過(guò)0.8和0.65，亦滿足規(guī)范要求。

220kV 風(fēng)帆構(gòu)架三層梁的高度設(shè)置為9m、14m、19m，三層梁水平間距離按4m 控制；110kV 風(fēng)帆構(gòu)架三層梁的高度設(shè)置為7m、9.5m、12m，三層梁水平間距離按1.75m 控制。本工程應(yīng)用Benteley軟件平臺(tái)，通過(guò)三維空間帶電距離軟硬碰撞校驗(yàn)，110kV、220kV 風(fēng)帆構(gòu)架均滿足帶電距離要求，構(gòu)架間連接合理。

本站全面應(yīng)用風(fēng)帆構(gòu)架后，鋼材較同規(guī)模通用設(shè)計(jì)有所降低。配電裝置區(qū)占地大為節(jié)約，圍墻內(nèi)占地由可研的103m×83.5m 縮減為80m×83.5m，較可研減少22.3%。原圍墻節(jié)余空地用于建管、施工臨建和材料堆場(chǎng)用，極大方便了施工管理，后期亦可用作儲(chǔ)能站、充電站等其它用途。