某變電站220kV雙層出線構(gòu)架設(shè)計(jì)優(yōu)化

趙李源，程春健，劉 碧

（1.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢430071；2.湖北省華網(wǎng)電力工程有限公司，湖北 武漢430042；3.中南建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司，湖北 武漢430071）

引言

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，同一地區(qū)的用電負(fù)荷也越來(lái)越大，因此常常造成新建變電站的出線規(guī)模不斷增加，但是變電站的占地面積指標(biāo)卻又時(shí)長(zhǎng)受限，為了解決二者之間的矛盾，達(dá)到既能滿足出線需求，又能盡可能降低變電站占地面積的目的，越來(lái)越多的變電站開(kāi)始采用雙層出線構(gòu)架的方案。

雙層出線構(gòu)架有不連續(xù)設(shè)置的，也有兩跨連續(xù)或者三跨連續(xù)設(shè)置的，為了與站外終端塔相匹配，盡可能減小出線側(cè)導(dǎo)線偏角，就需要合理布置雙層出線構(gòu)架的位置。同時(shí)為了盡可能降低工程建設(shè)成本，就需要選擇合適的構(gòu)架結(jié)構(gòu)形式，既能滿足受力和變形的要求，又能減少用鋼量和占地面積。

1 工程概況

該變電站位于云南省保山市隆陽(yáng)區(qū)蒲縹鎮(zhèn)，站址原始地貌屬橫斷山系切割山地峽谷區(qū)，自然高程為1687m～1717m之間。本工程抗震設(shè)防烈度8度（0.17g），建筑場(chǎng)地類別為Ⅰ1類，設(shè)計(jì)基本風(fēng)壓:W=0.43kN/m2。

220kV交流場(chǎng)采用敞開(kāi)式布置，本期出線10回，遠(yuǎn)期出線8回，出線間隔寬度為13m，上層出線構(gòu)架掛線高度為16m，上層出線構(gòu)架掛線高度為23m，220kV交流出線構(gòu)架本期全部建成。

2 結(jié)構(gòu)方案及優(yōu)化

2.1 結(jié)構(gòu)選型

500kV及以上變電構(gòu)架通常采用焊接普通鋼管結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通常是由焊接普通鋼管人字柱和格構(gòu)式鋼梁組成，加工工藝很成熟，生產(chǎn)廠家較多，占地面積小，節(jié)點(diǎn)數(shù)量少，構(gòu)造簡(jiǎn)單，加工和安裝較為方便，外形美觀[1]。

本變電站220kV交流出線構(gòu)架為單排門型構(gòu)架，部分間隔雙層出線，適宜采用鋼管人字柱和格構(gòu)式鋼梁，有利于節(jié)省配電裝置場(chǎng)地占地面積。雙層出線構(gòu)架優(yōu)化前后的布置如圖1中方案一和方案二所示。

2.2 雙層構(gòu)架布置及優(yōu)化

根據(jù)電氣專業(yè)布置，本工程中220kV出線構(gòu)架中僅第1跨和第3跨設(shè)置雙層出線，如圖1中方案一所示。考慮到采用23m高帶端撐人字柱后，一層構(gòu)架僅一端設(shè)置端撐，對(duì)于構(gòu)架縱向的側(cè)向力傳遞不是十分有利，與電氣和線路專業(yè)溝通后，可將雙層出線間隔設(shè)置在第2跨和第3跨，適當(dāng)調(diào)整第2跨二層出線導(dǎo)線偏角，如圖1方案二所示。

2.3 構(gòu)架幾何信息

220kV出線構(gòu)架幾何信息如表1所示。

3 設(shè)計(jì)分析

3.1 計(jì)算模型

220kV出線構(gòu)架采用通用有限元結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件STAAD.Pro V8i建模并計(jì)算，構(gòu)架梁（含弦桿和腹桿）、構(gòu)架柱、支撐等均采用梁?jiǎn)卧M，具體結(jié)構(gòu)模型詳見(jiàn)圖1中方案一、方案二。

圖1 結(jié)構(gòu)模型

3.2 荷載及組合

作用在構(gòu)架上的荷載按其性質(zhì)可分為以上三類:（1）永久荷載:如構(gòu)架自重、固定的設(shè)備重及導(dǎo)線和絕緣子自重產(chǎn)生的垂直荷載和水平張力等；（2）可變荷載:如風(fēng)荷載（構(gòu)架風(fēng)壓、導(dǎo)線側(cè)向風(fēng)壓及其產(chǎn)生的水平張力）、冰荷載（結(jié)構(gòu)覆冰荷載、導(dǎo)線和絕緣子上覆冰所產(chǎn)生的垂直及水平張力）、安裝及檢修時(shí)臨時(shí)性荷載、地震作用、溫度變化作用等；（3）偶然荷載:如短路電動(dòng)力、驗(yàn)算（稀有）風(fēng)荷載及驗(yàn)算（稀有）冰荷載[1-2]。

表2 出線側(cè)導(dǎo)線張力（大風(fēng)工況）

風(fēng)荷載根據(jù)《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5457-2012）規(guī)定按照構(gòu)架高度分段計(jì)算，構(gòu)架風(fēng)振系數(shù)取1.0[2]，設(shè)計(jì)基本風(fēng)壓:W=0.43kN/m2。

變電構(gòu)架根據(jù)使用過(guò)程中在結(jié)構(gòu)上可能同時(shí)出現(xiàn)的荷載，按承載能力極限狀態(tài)（U）和正常使用極限狀態(tài)（N）分別進(jìn)行荷載組合，如表3所示。其中，承載能力極限狀態(tài)考慮大風(fēng)運(yùn)行、夏季或冬季安裝大風(fēng)運(yùn)行、地震工況上的基本組合；正常使用極限狀態(tài)考慮大風(fēng)工況條件上的標(biāo)準(zhǔn)組合[2-4]。

表3 荷載組合

3.3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力

220kV出線構(gòu)架結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如表4所示:（1）兩種方案的構(gòu)架柱應(yīng)力比均控制在0.95以內(nèi)，因此構(gòu)架的承載力驗(yàn)算均能滿足規(guī)范要求；（2）兩種方案中的人字柱內(nèi)力均相差不大，無(wú)論是23m高人字柱還是16m高人字柱，由此可見(jiàn)二層出線間隔位置的調(diào)整并未影響構(gòu)架中間段人字柱的內(nèi)力；（3）方案一中的23m高端撐軸力較小，原因在于該端撐僅能分擔(dān)二層1榀構(gòu)架的側(cè)向力，而未能有效分擔(dān)一層7連跨構(gòu)架的側(cè)向力，進(jìn)而導(dǎo)致一層構(gòu)架的16m高端撐內(nèi)力顯著偏大；（4）由于方案二通過(guò)調(diào)整二層構(gòu)架間隔的布置，使得一層構(gòu)架兩端具備同時(shí)設(shè)置端撐的條件，因此方案二的一層構(gòu)架端撐在根開(kāi)減小的情況上，內(nèi)力和應(yīng)力比仍大幅降低；（5）兩種方案的控制工況均為大風(fēng)工況，因此在對(duì)構(gòu)架進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，在考慮了大風(fēng)工況的情況上可以不用再考慮地震作用效應(yīng)組合。

表4 構(gòu)架柱內(nèi)力對(duì)比

3.4 結(jié)構(gòu)變形

根據(jù)《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5457-2012）中6.5.1條規(guī)定，人字柱平面內(nèi)、平面外（帶端撐）的允許撓度為H/200，人字柱平面外（不帶端撐）的允許撓度為H/100[2]。構(gòu)架柱的變形計(jì)算結(jié)果如表5所示:（1）兩種方案的變形均滿足規(guī)范要求；（2）兩種方案的平面內(nèi)位移角相差無(wú)幾，但是方案二的平面外位移角相較方案一均較大幅度降低。

表5 構(gòu)架柱柱頂變形對(duì)比

3.5 經(jīng)濟(jì)性

兩種方案的總耗鋼量和間隔耗鋼量比較如表6所示，從中可以看出，方案二的耗鋼量相對(duì)較小，但是減小幅度并不是十分明顯。

兩種方案的單排構(gòu)架占地長(zhǎng)度和總占地長(zhǎng)度如表6所示，與方案一相比，方案二的220kV配電裝置場(chǎng)地總占地長(zhǎng)度可減小4.4m，考慮到220kV配電裝置場(chǎng)地寬度為68m，因此減少的占地面積為299.2m2。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上分析可知:（1）與方案一相比，方案二的220kV出線構(gòu)架的耗鋼量和占地面積均有不同程度的減小，構(gòu)架的應(yīng)力比和變形也相對(duì)更優(yōu)，因此，今后變電站采用雙層構(gòu)架出線且二層間隔數(shù)量不多時(shí)，盡量采用方案二的結(jié)構(gòu)形式，即將二層間隔連續(xù)布置在構(gòu)架中部。（2）方案一、二的計(jì)算結(jié)果表明220kV出線構(gòu)架的控制工況均為大風(fēng)工況，因此變電構(gòu)架設(shè)計(jì)時(shí)若已考慮大風(fēng)工況，可以不用再考慮地震作用效應(yīng)組合，以便簡(jiǎn)化荷載組合和計(jì)算。

表6 方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比