变电站配电装置构架设计优化研究

变电站配电装置构架设计优化研究

杨庆陶 罗昊

国核电力规划设计研究院有限公司

摘要：介绍了国内外500kV变电站的构架结构型式，通过对某变电站中500kV配电装置架构整体分析计算，经过多方案比较，优化结构受力体系，选择合适的构架型式，达到结构安全、经济合理、造型美观、降低工程造价的目的。

关键词：变电站；构架；设计优化

1引言

变电站配电装置的构架是变电站的重要组成部分，其设计方案直接关系到变电站的建设投资和安全运行。到目前为止，全国各地已经建成的500kV配电装置构架的设计已形成一个成熟的体系。

2结构选型

2.1国内各电压等级配电装置构架简介

目前国内建成投运的500kV变电站较多，针对配电装置构架，部分采用普通钢管联合构架，部分地区采用自立式格构梁柱构架。目前看，其构架经受住了大部分荷载工况的考验，说明其选型是合理的，对本工程具有一定的参考作用。

2.2 结构型式比较

2.2.1 普通钢管A型结构

图1构架采用等截面普通钢管A型结构

等截面普通钢管A型结构由A型普通钢管柱和三角形断面格构式钢梁组成，梁柱采用铰接，多跨构架纵向设端撑。构架柱和构架横梁上下弦杆均采用普通钢管，柱、梁弦杆拼接接头采用刚性或柔性法兰连接；梁腹杆采用螺栓连接，安装、加工和运输均比较方便。此类构架柱一般采用螺旋焊缝圆形钢管或直缝焊接圆形钢管，其构架柱圆形钢管规格一般为较大，由于圆形钢管截面特性好，受力合理，在500kV构架中得到广泛使用[1-3]。

2.2.2 高强度多边形钢管结构

图2  构架采用等截面高强度钢管结构

等截面或变截面高强钢管结构由A型等截面或变截面高强度多边形钢管构架柱和单杆式高强度多边形钢管钢梁组成，梁柱采用刚接，纵向设置端撑。该结构的主要优点是：钢材屈服强度高（450MPa），杆件重量轻，用钢量省；由于微量元素控制严格，热浸镀锌质量将得到永久保证，外观好，免维护；构件少，接头制作工厂化，安装速度快，从而减少安装费用。主要缺点是生产厂家较少，运输成本高，单价也高，总体造价仍高于普通钢管结构。目前，已有一些500kV变电站在做这方面的尝试，对于500kV变电构架而言，还有待更多的工程实践检验，该种结构型式尚需有不断完善成熟的过程[1-3]。

2.2.3 格构式钢结构

格构式钢结构构架由矩形断面格构式柱和矩形断面格构式钢梁组成，梁柱主材铰接连接。格构柱有自立式和带端撑式两种，以自立式使用较多。自立式结构的优点在于其整个结构均由型钢组成，节点采用螺栓连接，构件自重小，制作、运输方便；缺点是构件种类和数量较多，给现场拼装带来许多不便，安装周期较长。同时，自立式格构柱纵向宽度较大，为保证跳线的带电距离，需增加间隔宽度，增加占地面积，选用时应从多个角度综合考虑，目前国内750kV及以上电压等级的构架大多采用此种结构型式， 500kV及以下电压等级的变电站中，只有东北和华南地区的部分500kV变电站采用这种结构型式，其他地区较少采用[1-3]。

图3  构架采用角钢格构式结构

2.3选型结论

综合以上国内500kV配电装置构架结构型式，并参考国内外现有研究成果，推荐500kV配电装置构架采用钢管构架设置强支撑格构柱的布置形式。此结构形式相对于纯钢管柱或纯格构柱具有诸多优势：

（1）经济性好

此结构形式考虑由格构式结构承受大风工况下水平荷载，取消构架两端钢管端撑，500kV配电装置构架较钢管结构减少钢材约7.05吨，并可节约占地面积492m2。

（2）受力合理

带端撑钢管结构由端撑承受沿构架梁方向水平力，而充分利用格构柱侧向刚度的格构构架则可以提高人字柱平面外刚度。使人字柱主材受力更合理，从而能够尽一步节省钢管人字柱的钢材量。

（3）取材方便。

随着我国钢结构加工制造水平的大幅度提高，目前我国的各种轧制和焊接型钢的质量提高较快且渐趋稳定，供货渠道日趋通畅。

基于上述分析，本工程500kV配电装置构架采用钢管构架设置强支撑角钢格构柱联合结构。

3设计条件

3.1设计软件

构架选型计算采用国际通用的STAAD.Pro V8i空间杆系分析与设计软件进行计算与分析。传统的平面计算分析方法在分析过程中引入了很多计算假定，忽略了一些次要因素的影响，因此不能精确地反映结构构件的真实受力状态。采用空间分析方法，构件的计算内力更接近于其实际受力状态，可以对所有的构件依照设定的控制指标进行满应力设计，使构件的截面设计更趋于合理，既保证了构架的整体安全度水平一致，又有效地节省钢材，降低工程造价。

3.2计算荷载

作用在构架上的荷载主要有:结构自重、风荷载、覆冰荷载、上人、安装检修荷载、短路冲击力、导线张力、温度作用、地震作用。构架按本期规模和最终规模两种情况下所产生的荷载进行分析计算[4]。

3.2.1 导线荷载

导线荷载为变电专业提供的导线张力。

3.2.2 风荷载

500kV配电装置出线构架挂线点高度为24米，按《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）附录E估算结构基本自振周期T=0.312s，大于0.25s，属于高耸结构，风荷载是影响高耸结构安全的主要荷载之一。《变电所建筑结构设计技术规定》对于风振系数β

Z取值计算结果是基于以往工程设计和运行经验，且不同结构取值是不同的，但500kV构架是人字柱结构与格构结构联合构架，目前风振计算应按随机振动理论进行，结构的自振周期应按结构动力学计算[5]。

按行业标准DL/T5154-2002《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》，βZ应按《建筑结构荷载规范》采用由下到上逐段增大的数值，根据经验，本工程设计采用分段计算风振系数，其加权平均值放大5%，计算取值为1.48。

3.2.3 其它荷载

其它荷载包括覆冰荷载、温度作用、地震荷载。

4构架设计

4.1结构体系设计

构架格构柱根开尺寸对用钢量有一定影响。根开大,弦杆构件受力较小,斜材构件尺寸很大程度上依据构造(刚度)要求而定,使得腹杆构件强度不能充分发挥,材料较浪费；根开过小，在塔脚尺寸一定的情况下,只能靠增加弦杆断面来增加刚度,因此弦杆规格较大,不但增加了用钢量,构架柱变形相对较大且外形也不美观。

（1）节间长度的确定

确定节间长度时主要考虑主材的长细比和腹杆的支撑角度。长细比按《变电所建筑结构设计技术规定》执行；腹材的理想支撑角度为45°，考虑到实际情况，《钢结构设计规范》建议控制支撑角度在30°～60°之间，超出这个范围的支撑体系对结构的整体稳定是不利的。因此，在规划节间长度时应充分考虑腹材的支撑角度在合理范围之内。

（2）梁、柱断面的选择

根据电气专业所提带电距离、导线张力等要求，确定梁、柱断面时，在保证安全的前提下，综合考虑用钢量、占地面积等方面，最终确定500kV配电装置出线构架格构柱根开取1.5mx2.5m、钢管柱根开为6.5m，三角形出线梁截面为2.0m（底宽）x2.0m（高）。

4.2构架计算

根在变电工程中，构架的联合布置方案具有明显的优势，既可以充分利用材料的强度，又可以减小占地面积，节约用钢量及基础混凝土量，从而达到节约工程投资的目的。

本工程500kV配电装置适合采用钢管构架设置强支撑格构柱的布置形式。为能清楚地了解钢管构架设置强支撑格构柱与纯格构构架用钢量的变化，我们建立了出线构架的模型，通过计算得出数据，与联合构架进行对比，分析结果如下表所示。

表1   500kV配电装置构架参数比较表

5结论及建议

（1）500kV配电装置构架采用角钢格构柱与钢管人字柱联合构架，根据配电装置布置方式，出线方向2个四连跨，单侧总长104m。由于联合构架取消了端撑，可节约钢材7.05吨，节省柱用钢量约13%，并可节约占地面积492m2。

（2）钢管及格构结构取材方便，用钢量省，技术经济指标好。本工程500kV出线构架推荐采用角钢格构柱与钢管人字柱联合结构，角钢格构柱采用角钢主材、角钢腹杆、螺栓连接；人字柱采用直焊缝焊接圆钢管结构；构架梁采用三角形格构梁、钢管弦杆、角钢腹杆、螺栓连接的格构式钢梁。梁弦杆拼接接头采用柔性法兰连接。格构柱柱脚连接采用地脚螺栓的连接方式。

（3）通过对500kV配电装置构架柱根开、梁断面对比分析，得到最优断面形式。500kV配电装置出线构架，钢管人字柱柱脚根开5.0m，格构柱柱脚根开取1.5m×2.5m，梁断面采用2.0m（高）×2.0m（底宽）。

参考文献

[1] 陈传新，刘素丽.750kV变电站结构选型[J].电力建设，2007,28（5）：33-35

[2] 常伟，张玉明，雷晓标，等.750kV格构式杆系结构设计优化[J].钢结构，2015,6（30）：64-68

[3] 杨庆陶，邱昌胜，崔洪波等，格构式角钢构架在埃塞Holeta500kV变电站中的优化设计[J].钢结构，2018,6（3）：73-77

[4] 中南电力设计院.变电构架设计手册[M].武汉:湖北科学技术出版社，2006:24-28

[5] GB50009-2001 建筑结构荷载规范[S].北京:中国计划出版社，2012:103

作者简介：杨庆陶（1982.09—），男，汉，河北石家庄，研究生，硕士，高级工程师，主要研究方向：变电站设计。

罗昊（1990.10—），男，满族，辽宁铁岭，研究生，硕士，工程师，主要研究方向：变电站设计。