變電站330 kV HGIS配電裝置雙層出線構(gòu)架優(yōu)化研究

王 鵬，冶金祥，杜風宇，李林忠，石發(fā)才，張 平

(中國電建集團青海省電力設計院有限公司，青海 西寧 810008)

0 引言

變電站由于地形地貌以及地質(zhì)條件的影響，330 kV HGIS配電裝置的雙層出線構(gòu)架高度較高，母線跨度較大，整個配電裝置區(qū)域征地面積增大，導致變電站建設成本增加，其經(jīng)濟效益與社會效益低下。依據(jù)上述相關(guān)影響因素，高海拔變電站330 kV HGIS配電裝置需開展創(chuàng)新布置、優(yōu)化構(gòu)架結(jié)構(gòu)、節(jié)約用地等技術(shù)研究。

本文的研究依托青海某750 kV變電站實體工程，結(jié)合國網(wǎng)公司標準化設計規(guī)程、電力工程設計手冊-變電站設計、鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范等相關(guān)規(guī)程規(guī)范的標準化實施下，對變電站330 kV HGIS配電裝置構(gòu)架進行系統(tǒng)性的分析與研究。主要依托相關(guān)結(jié)構(gòu)計算軟件的支撐，有效地對配電裝置進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與布置。彭子祥〔1〕從結(jié)構(gòu)動力平衡方程的角度切入，使用結(jié)構(gòu)計算軟件對高層鋼結(jié)構(gòu)進行分析，通過構(gòu)件貢獻度的指標，節(jié)省鋼材料與混凝土的用量；周玉霞〔2〕的研究闡述了鋼結(jié)構(gòu)設計軟件對現(xiàn)代化過程鋼結(jié)構(gòu)的準確性與實用性具備較大的影響；張清旭〔3〕為提高大跨度鋼結(jié)構(gòu)懸索橋的安全性，采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件建立空間結(jié)構(gòu)模型，有效地分析動荷載與靜荷載作用下橋梁的安全屬性；張浩〔4〕的研究表明，基于ANSYS軟件的應用，對鋼結(jié)構(gòu)的建模、加載、后處理等進行優(yōu)化設計，取得良好的經(jīng)濟效益。綜上所述，依據(jù)現(xiàn)有成熟的軟件進行模擬分析與荷載優(yōu)化計算，可以取得良好的經(jīng)濟效益與工程技術(shù)優(yōu)化。

1 模型優(yōu)化研究理論闡述〔5-6〕

本文依托青海某變電站工程進行330 kV HGIS配電裝置雙層出線構(gòu)架的設計研究，總體構(gòu)想采取“模型建立→受力分析→結(jié)構(gòu)設計→實驗及觀察→獲得優(yōu)化成果”的研究路線，理論與實踐緊密結(jié)合，相互依托，其結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型如圖1所示。

1.1 軟件的類別分析

根據(jù)實際工程的計算分析表明，各軟件的計算側(cè)重點均存在差異，導致最終的計算結(jié)果有所不同，因此為保證數(shù)據(jù)的可靠性，應通過不同的計算軟件同時進行建模類比，以求達到最符合工程實際受力情況的模型及計算數(shù)據(jù)。針對于上述問題，本文采取了結(jié)構(gòu)計算軟件A與結(jié)構(gòu)計算軟件B同步類比計算分析，使得結(jié)構(gòu)計算數(shù)據(jù)準確、可靠，為下一步結(jié)構(gòu)構(gòu)造優(yōu)化設計提供技術(shù)支撐。

1.2 受力分析

依據(jù)330 kV HGIS配電裝置雙層出線構(gòu)架的導線水平拉力、導線垂直荷載以及側(cè)向風壓的不同，采用多方案多軟件的同步類別分析。依照實際的輸入值，控制指標進行滿應力設計，達到構(gòu)架的安全度的適用值，使得構(gòu)架的整體可靠度指標也就等同于任意構(gòu)件的可靠度指標。其構(gòu)架的受力分析示意圖如圖2所示。

2 優(yōu)化模型的構(gòu)建

2.1 可靠性研究分析

隨著鋼結(jié)構(gòu)在變電站內(nèi)的廣泛應用，HGIS配電裝置通常采用常規(guī)式布置，該結(jié)構(gòu)形式受力簡單、明晰，是國內(nèi)變電站設計時通?？紤]的方式，使用結(jié)構(gòu)分析設計軟件A其結(jié)構(gòu)形式如圖3所示：

該形式的變電站母線間距為25.4 m，配電裝置總體寬度達到了50.8 m，長度達到了306 m，配電裝置整體占地約21 380 m2，總體用鋼量約1 320 t。

采用結(jié)構(gòu)計算軟件B，通過對配電裝置的整體優(yōu)化、壓縮母線之間的距離、調(diào)整HGIS的整體布置等措施，提出了全新的330 kV HGIS配電裝置雙層出線構(gòu)架，其結(jié)構(gòu)形式如圖4所示：

采用結(jié)構(gòu)計算軟件B計算優(yōu)化的330 kV HGIS雙層出線構(gòu)架，其配電裝置整體寬度為41.5 m，長度為228 m，配電裝置整體占地約14 970 m2，總體用鋼量約1 250 t。較常規(guī)HGIS布置形式節(jié)約用地約30%，節(jié)約用鋼量約5%。

由于該配電裝置采用了矩形變斷面熱軋圓鋼管格構(gòu)弦桿的螺栓連接格構(gòu)式柱，因此配電裝置整體受力情況較好，330 kV出線側(cè)導線拉力能夠達到30 kN/相，通過對配電裝置的整體穩(wěn)定性計算及構(gòu)件的應力比優(yōu)化，該配電裝置滿足變電站的正常使用要求。

2.2 方案設計研究分析

變電站內(nèi)常規(guī)330 kV HGIS布置均采用雙跨式單層出線方式，該方式結(jié)構(gòu)形式簡單、受力明晰，是國內(nèi)變電站設計時通?？紤]的方式，但該形式也存在占地面積大，整體用鋼量大等缺陷凸顯，因此有必要研究新型的配電裝置形式。

2.2.1結(jié)構(gòu)型式

本文對青海某變電站工程330 kV配電裝置采用戶外HGIS方案。出線構(gòu)架跨度24.0 m，梁掛線點高度24.5 m及27.5 m；母線構(gòu)架跨度41.5 m，掛線點高度24.5 m；主變進線構(gòu)架跨度24.0 m，梁掛線點高度28.0 m，與示范變電站750 kV構(gòu)架類似。

在眾多變電構(gòu)架結(jié)構(gòu)型式當中，鋼管格構(gòu)式結(jié)構(gòu)具有更好的受力特性。其優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)構(gòu)件慣性矩較大、更適合于高聳結(jié)構(gòu)，且取材方便，用鋼量節(jié)省，技術(shù)經(jīng)濟指標較好。因此，該工程330 kV變電構(gòu)架可以直接引用西北電網(wǎng)750 kV輸變電工程關(guān)鍵技術(shù)研究之《750 kV變電構(gòu)架及設備支架設計研究》科研課題的結(jié)論，采用鋼管格構(gòu)式結(jié)構(gòu)。

2.2.2梁柱斷面

在對330 kV構(gòu)架進行梁、柱斷面幾何尺寸的選擇時，我們對各種可行的幾何斷面尺寸分別進行了結(jié)構(gòu)計算，依照各種尺寸型式用鋼量的差異現(xiàn)狀，綜合考慮占地面積、施工工藝、鋼構(gòu)架高度占比等多因素，確定梁柱的最優(yōu)化尺寸斷面。

1)確定柱側(cè)寬和梁斷面

根據(jù)類似工程750 kV構(gòu)架設計經(jīng)驗，構(gòu)架柱底部縱向根開尺寸分別按掛線點高度的1/4、1/4.5、1/5、1/5.5、1/6進行選取，綜合考慮占地、帶電距離、結(jié)構(gòu)用鋼量等方面的因素后，最終確定出線側(cè)構(gòu)架柱底部縱向根開尺寸以掛線點高度的1/5.5即5.0 m、主變進線側(cè)架柱底部縱向根開尺寸以掛線點高度的1/8即3.5 m考慮。

在確定構(gòu)架柱底部縱向根開尺寸后，對應構(gòu)架柱底部側(cè)向(短向)根開尺寸分別取1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m來進行建模和計算比較；在梁斷面的選擇中，參考已建成變電站的構(gòu)架設計經(jīng)驗，結(jié)合不同斷面尺寸情況下的安全、經(jīng)濟、合理性的比較，梁斷面以方形截面2.0×2.0 m及2.5×2.5 m進行計算。經(jīng)計算，兩跨構(gòu)架柱底部縱向根開尺寸為掛線點高度的1/5.5即為5.0 m時，對應構(gòu)架柱底部不同的側(cè)寬、不同梁斷面的用鋼量見表1。

表1 用鋼量比較表

從上表可以看出，在相同梁斷面情況下，不同的柱側(cè)寬，構(gòu)架用鋼量有一定的差別：即柱側(cè)寬在1.5 m～2.5 m之間時構(gòu)架用鋼量差別稍大；而柱側(cè)寬在2.5 m～3.5 m之間時，構(gòu)架用鋼量差別很小。因此，將本工程出線側(cè)構(gòu)架柱側(cè)向?qū)挾却_定為2.0 m較為合理。

從表1得出，在相同柱側(cè)寬、不同梁截面情況下，兩跨構(gòu)架的用鋼量差別不大，2.0 m×2.0 m比2.5 m×2.5 m梁鋼材用量稍小，但沒有質(zhì)的區(qū)別，可以說在一個檔次上。出線側(cè)構(gòu)架柱側(cè)向?qū)挾却_定為2.5 m，在與梁連接處柱縱向尺寸也不宜小于2.5 m，所以將出線梁截面確定為2.0 m×1.5 m比較合理，母線梁截面確定為2.0 m×2.5 m比較合理。

2)確定柱縱向根開尺寸

在確定柱側(cè)寬為2.0 m、母線梁斷面尺寸為2.0 m×2.5 m后，我們重新對構(gòu)架柱底部縱向根開尺寸進行了反算，計算結(jié)果的用鋼量比較見表2。

表2 用鋼量比較表

由上表計算結(jié)果可以看出，柱縱向根開尺寸從5.0 m～8.4 m結(jié)構(gòu)用鋼梁在逐漸增大，在8.4 m時構(gòu)架用鋼量又有所下降。

結(jié)合以上計算得出的數(shù)據(jù)，在確定該工程的330 kV構(gòu)架梁柱斷面時，參考已建成變電站750 kV構(gòu)架設計的成功經(jīng)驗，將本工程母線梁斷面尺寸最終確定為2.0 m×2.5 m，出線梁斷面尺寸最終確定為2.0 m×1.5 m，出線側(cè)柱斷面尺寸最終確定為5.0 m×2.0 m，主變進線側(cè)柱斷面尺寸最終確定為3.5 m×2.0 m。

2.2.3結(jié)構(gòu)設計

1)結(jié)構(gòu)體系

鋼管格構(gòu)式構(gòu)架柱采用矩形變斷面鋼管自立柱；構(gòu)架梁采用矩形等斷面、鋼管弦桿、鋼管腹桿、螺栓連接的格構(gòu)式鋼梁。梁與柱的連接采用高強度聯(lián)接螺栓聯(lián)接。

2)節(jié)點構(gòu)造

對于鋼管格構(gòu)結(jié)構(gòu)，采用杯口基礎(chǔ)、插入式剛接柱腳，柱腳構(gòu)造比較簡單，施工精度要求不高。因此設計中只考慮柱腳按剛接計算。

對于主材的拼接節(jié)點，依據(jù)變電構(gòu)架設計手冊，且借鑒《750 kV變電構(gòu)架及設備支架設計研究》科研課題的結(jié)論，結(jié)合工程實踐，推薦采用柔性法蘭連接。

對于梁、柱腹材與主材的連接，借鑒《750 kV變電構(gòu)架及設備支架設計研究》科研課題的結(jié)論，結(jié)合750 kV變電構(gòu)架真形試驗的經(jīng)驗，采用插板連接的方式。

3)構(gòu)件設計

a.計算長度

所有構(gòu)件的計算長度及計算長度系數(shù)均按照《變電所建筑結(jié)構(gòu)設計技術(shù)規(guī)程》中的規(guī)定選取。

b.允許長細比

所有構(gòu)件的允許長細比綜合《變電所建筑結(jié)構(gòu)設計技術(shù)規(guī)程》及《高聳結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定按以下數(shù)值設計：

受壓主桿、斜桿、橫桿：150；輔助桿、橫隔桿：200；受拉桿：350。

4)允許撓度

構(gòu)架橫梁(跨中)：L/400；構(gòu)架柱：H/200、H/100。

3 優(yōu)化設計的優(yōu)劣性對比分析

隨著國家土地政策日益緊縮，變電站占地指標的優(yōu)劣對工程本體造價的影響越來越大，因此通過一定的技術(shù)手段研究新型的配電裝置型式，節(jié)約變電站用地是非常重要的，而且采用新型配電裝置型式后可有效的減少配電裝置構(gòu)架的總體用鋼量，節(jié)約工程的本體投資。

高海拔變電站內(nèi)常規(guī)HGIS配電裝置母線間距約25.4 m，間隔寬度約22 m，配電裝置整體寬度約50.8 m，采用330 kV HGIS配電裝置雙層出線構(gòu)架的技術(shù)后，配電裝置整體寬度減少到41.5 m，間隔寬度約為24 m，其經(jīng)濟技術(shù)指標對比見表3。

表3 技經(jīng)技術(shù)指標對比表

由上表對比可以看出，當采用新型330 kV HGIS雙層出線構(gòu)架后，較常規(guī)HGIS布置形式雙層出線構(gòu)架節(jié)約用地30%，減少出線間隔節(jié)約用鋼量約5%，同時使得配電裝置布局更加緊湊合理，整個結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，有效地降低了工程造價。

4 結(jié)論

高海拔變電站330 kV HGIS配電裝置雙層出線構(gòu)架的應用，對傳統(tǒng)的330 kV HGIS布置形式是一個創(chuàng)新，采用該形式后不僅可以有效地節(jié)省鋼材使用量，而且在我國用地日益緊張的形式下，可以有效節(jié)約變電站的占地，這種技術(shù)的創(chuàng)新將取得很好的社會效益和經(jīng)濟效益，可在其他變電站設計中大力推廣應用。