国内某变电站500kV配电装置构架选型设计分析
2015-03-15
1 变电构架的类型
由于电气主接线、配电装置型式的不同，500kV变电站通常分为GIS方案、HGIS方案、瓷柱式断路器方案和罐式断路器方案，同时由于全国各地自然条件及经济发展水平的差别，500kV变电站的构架结构根据不同的电气工艺要求和地域特点呈现出多种型式。总体来说，国内500kV变电站构架常用的结构型式最主要的有以下几种：
1.1 等截面普通钢管构架
等截面普通钢管结构构架由A型等截面钢管柱和三角形截面格构式梁共同组成，构架梁与构架柱通常采用铰接的连接方式，纵向端部设置端撑，通常又称作“A”钢管柱桁架梁构架。构架柱、构架梁弦杆通常采用普通钢管，构架柱、构架梁弦杆通常采用刚性法兰连接作为拼接接头。构架梁的腹杆通常采用螺栓连接，这种形式的构架的安装、制作以及运输都比较方便。
1.2 格构式构架
格构式构架通常由矩形断面的格构式柱与矩形断面的格构式构架梁组成，构架梁与构架柱通常采用铰接或刚接。按照组成杆件的类型不同，构架形式又通常分为钢管格构式构架和角钢格构式构架两种。格构式构架的优点：结构由较小的角钢构件或钢管构件组成，节点通常采用螺栓连接，构件尺寸比较小、自重比较轻，钢结构的制作、运输以及构件的防腐处理都很方便。但也有其缺点：杆件种类比较多，数量比较多，现场施工时拼装的工作量较大。
1.3 变截面高强度钢管构架
变截面高强度钢管构架由A型高强度钢管柱和高强度单杆式钢管梁共同组成，构架梁与构架柱通常为刚接。这种结构形式的构架的特点是采用的钢材强度高(450MPa及以上)，结构重量比较轻，并且钢材中的微量元素控制非常严格，热镀锌防腐质量能够得到保证，可以避免维护，构架的外观比较好。由于这种构架形式采用的是纯钢管式构架梁代替传统方式的格构式钢梁，使构架的组成杆件简单，构架的外形美观、构件少；构架用钢量省，接头制作采用工厂制作，施工现场的安装快速，能够减少结构施工时的安装费用。只是这种结构形式的构架国内生产的厂家比较少，单价相对来说比较高，总体工程造价仍高于常用的普通钢管结构构架。并且该结构形式的构架适用于梁跨相对较小的变电构架，不太适用于跨度较大的500kV配电装置构架。
2 变电构架的设计基本原则
1）可靠性：变电构架是站区最重要的构筑物之一，承载着全部进出线荷重、联系着所有设备，其安全性是变电站正常运行的重要保证。因此，所采用的结构体系除应满足工艺荷载要求外，在不增加总体投资的前提下，具备抵御超常规荷载的能力；
2）先进性和美观性：变电构架数量多、体型巨大、外观显著，优秀的设计方案既可以充分体现设计的先进性，也能增加变电站的视觉效果；
3）经济性：变电构架是土建投资最大的单体工程，在保证安全的条件下，降低构架的总体投资也是也是本文的主要研究内容。
本文将结合我国多项经典工程的变电构架设计经验，根据本工程电气一次方案布置特点，选择安全、经济、先进、美观的变电构架，并利用空间计算分析手段，进行多方案、多角度的技术经济比较来最终确定本工程的结构型式。
3 国内某500kV变电站工程设计外部参数
3.1 基本风压
本工程50年一遇距地面10m高10min平均最大风速采用29.7m/s，相应基本风压取0.55kN/m2。
3.2 温度作用
累年平均最高气温：27.5℃，累年平均最低气温：3.7℃。
3.3 地震作用
拟建变电站所在区域对于50年期限超越概率10%的地震动峰值加速度为0.10g，地震基本烈度为7度。根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）第4.1.7 条，可忽略发震断裂错动对地面建筑的影响。由此初步判定拟建变电站工程场地区域地质稳定，适宜建设。
变电构架采用钢结构方案，地震作用小，地震作用对构架截面设计不起控制作用，其具有良好的抗震性能，因此在构架设计中地震荷载不起主要控制作用。
4 500kV配电装置构架选型及分析
4.1 配电装置HGIS布置方案
4.1.1 布置方案
500kV采用HGIS设备，半C型布置，中断路器套管居中布置，采用固定棒形绝缘子和纵向双分裂导线，减少导线相间及相对地距离，出线间隔宽度为26米。结合电气方案布置，构架柱网为横向3x26m，纵向为7x26m，构架梁在20m、26m、33m高纵横交错布置。
4.1.2 导地线荷载
500kV构架导线张力控制值（最大风速工况）：水平张力56kN/相；垂直作用力13.5kN/相；侧向力28kN/相。
500kV构架导线张力控制值（结冰工况）：水平张力56kN/相；垂直作用力19.2kN/相；侧向力22.3kN/相。
500kV构架导线张力控制值（安装工况）：水平张力56kN/相；垂直作用力13.5kN/相；侧向力21.5kN/相。
500kV构架地线张力控制值（最大风速工况）：水平张力9.2kN/相；垂直作用力0.7kN/相；侧向力4.3kN/相。
500kV构架地线张力控制值（结冰工况）：水平张力9.2kN/相；垂直作用力1.5kN/相；侧向力3.6kN/相。
500kV构架地线张力控制值（安装工况）：水平张力9.2kN/相；垂直作用力0.7kN/相；侧向力3.6kN/相。
主变进线控制张力：水平张力17.5kN/相；垂直作用力11kN/相；侧向力5kN/相。
26m高构架跨线控制张力：水平张力10kN/相；垂直作用力8kN/相；侧向风压1kN/相（大风）。
33m高构架跨线控制张力：水平张力10kN/相；垂直作用力8kN/相；侧向风压1kN/相（大风）。
悬挂管母线的悬挂点张力：12.5kN/串。
4.2 构架选型及分析
4.2.1 “A”型钢管柱桁架梁结构体系
“A”型钢管柱桁架梁结构体系适用性较广，作为常规方案已被大多数电力设计院掌握。
图1为本工程采用“A”型钢管柱桁架梁结构体系的构架方案。
本方案构架梁高度为20m、26m、33m纵横交错，“A”字钢管柱的根开为6.6m，构架的端撑根开为6.6m，构架间隔的宽度为26m。此构架方案的500kV配电装置场地占地面积为177.2x67.35=11934.42m2（约合1.1934h m2）。
图1 “A”型钢管柱桁架梁构架方案
采用3D3S软件对此方案进行整体建模计算，经过反复试算、调整，最后确定“A”型钢管柱桁架梁构架的主要构件尺寸如表1所示：
表1 “A”型钢管柱桁架梁构架主要构件选材表
4.2.2 全钢管格构式结构体系
格构式结构体系分为角钢格构式体系和钢管格构式体系。
全角钢格构式结构体系并不适用于平面布置不规则（一轴长度远大于另一轴长度）的情况，然而500kV配电装置HGIS方案的布置特点就是纵向尺寸远大于横向宽度，这就需要采用增大自立柱主材规格等手段提高整体构架在弱轴方向的侧移刚度。单纯增加格构柱角钢的规格并不经济也不可行。
全钢管格构式体系采用钢管构件作为构架的承载构件，相对于角钢构件具有明显的优势：第一，可以在一定程度上减小构架所承受的风压（圆形的钢管构件要比角钢构件的体形系数小将近一倍）；第二，在构件的截面面积相同的情况下，圆管截面的回转半径基本上要比角钢截面的大20%左右；第三，如果采用了无缝钢管，压曲系数是a类，角钢的压曲系数是b类，这两者相差了7%左右。与全角钢格构式构架相比，钢管格构式可明显提高侧向主轴方向的侧移刚度，适用于平面布置纵向尺寸远大于横向宽度的情况，在1000kV、750kV变电站中被大量使用。
经过以上分析，对于本次电气设计方案，全钢管格构式体系明显优于全角钢格构式结构体系，所以本次选型比较直接采用全钢管格构式体系与“A”型钢管柱桁架梁结构体系进行比较。图2所示为全钢管格构式体系构架方案。
图2 钢管格构式体系构架方案
本500kV变电站工程构架为联合布置的方案，出线构架梁、跨线构架梁和主变进线构架梁纵横相联，最高的导线挂线点为33m，格构式构架柱的根开可以适当的减小。经反复试算、优化，构架柱柱脚根开最终缩小为2×2m，极大地减小了格构式自立住的纵向宽度，有效保证跳线带电距离的安全。此构架方案的500kV配电装置场地占地面积为166x62.75=10416.5 m2（约合1.0416hm2）。
经过3D3S结构设计软件反复试算、调整，最后确定全钢管格构式构架的主要构件尺寸如表2所示：
表2 全钢管格构式结构主要构件选材表
4.3 构架比较
表3 经济技术指标对比表
针对500kV HGIS配电装置场地布置方案，结合本工程具体情况，全钢管格构式构架体系较“A”型钢管柱桁架梁结构体系节省钢材用量71吨，约15.4%，直接降低钢结构工程造价63.9万元，节省占地1517.92 m2，约14.6%，直接减少征地费用34.2万元，这两项指标合计节约造价98.1万元。
钢管格构式结构在用钢量、造价、加工安装工期以及外观形式上都具备优势，本文推荐500kV HGIS配电装置采用钢管格构式结构体系。
5 结论
通过上述研究，本文500kV变电构架结合500kV HGIS配电装置布置优化，采用联合布置，形成空间结构体系。结构体系推荐钢管格构式，受力合理，其材料选取、节点构造、加工及安装方式均可满足电气专业对500kV HGIS布置方面的要求。
1）500kV变电构架采用全联合构架、具有提高构架受力性能、节省工程造价的优越性，同时也为电气设备进一步紧凑布置创造条件，达到整体优化，节约“土地”不可再生资源。
2）通过对常规的“A”型钢管柱桁架梁构架结构体系、全钢管格构式结构体系的对比，推荐500kV HGIS配电装置采用全钢管格构式构架，同一电气方案的条件下比常规的构架方案节约钢材71t，约合15.4%，节省占地1517.92m2，约合14.6%，仅此部分土建费用直接节约造价计98.1万元（其中包括节省钢结构工程造价63.9万元+征地费用34.2万元）。
