220 kV户外GIS变电站垂直出线构架方案优化

黄忠华，高美金，胡宇鹏，程鹏

（1.国网浙江省电力公司经济技术研究院，杭州310014；2.浙江大学结构工程研究所，杭州310058）

220 kV户外GIS变电站垂直出线构架方案优化

黄忠华1，高美金1，胡宇鹏1，程鹏2

（1.国网浙江省电力公司经济技术研究院，杭州310014；2.浙江大学结构工程研究所，杭州310058）

依托勤丰220 kV GIS变电站工程，设计了3种不同形式的垂直出线构架方案，并从出线构架的占地空间、施工情况、安全性、经济性等方面对3种方案进行对比，提出适合工程应用的方案，达到既能满足工艺要求、保证结构安全可靠，又能节省占地、节约投资的目的。

GIS变电站；垂直出线构架；方案

0 引言

随着我国经济社会迅猛发展，电力输送越来越重要，电网建设已经进入了第三代智能电网阶段[1]。各地的变电站越来越多，变电站占地的土地成本越来越高，如果能占用更少的土地，将会大大节约资源。传统变电站由于绝缘要求电气元件距离比较大，与之对应的是传统的水平出线方式，出线构架采用门式排架体系，导线各相一字排开挂在框架横梁下方，因此变电站的占地面积基本是由出线构架尺寸决定的。随着GIS（气体绝缘组合电器）等新技术在变电站建设中的应用，新一代智能变电站系统集成度高、结构布局合理[2]。GIS变电站的电气元件全部密封，元件之间的距离小，使得电气元件占地面积减小。如果还是采用传统的水平出线方式，变电站占地面积仍会受水平出线构架的影响，就不能完全体现GIS占地面积小的优势，因此需寻求各种出线方式与出线构架的优化设计[3-5]。

以勤丰220 kV户外GIS变电站工程为例，文献[6]提出了垂直出线方式，各相导线竖向错列，出线构架由水平排列变为塔式结构，与传统的平面出线方式相比，采用垂直出线方式后变电站围墙内占地面积减少20%，构架用钢量减少50 t，设备母线减少50 m，工程总投资节省160万元。本文针对文献[6]提出的垂直出线方式的构架设计进一步优化，设计了3种不同形式的垂直出线构架方案，并从出线构架的占地空间、施工情况、安全性、经济性等方面进行对比，提出适合本工程的优化方案，达到既能满足工艺要求、保证结构安全可靠，又能节省占地、节约投资的目的。

1 工艺要求与技术参数

根据实际要求，220 kV户外GIS变电站出线构架的使用条件如下：水平档距100 m，垂直档距100 m，代表档距100 m，转角度数0°～15°，计算高度9 m。

220 kV垂直出线构架俯视图如图1所示，具体参数如下：间隔宽度9 m，设备相间距离3 m，横担挂点水平距离3.8 m，横担挂点横向距离3.5m，下层横担挂点高度9 m，中层横担挂点高度14 m，上层横担挂点高度19 m，地线横担高度24 m。

图1220 kV垂直出线构架布置

依据勤丰当地的实际情况给出了荷载条件，见表1。分别列出最大风速、覆冰，最低检修温度、检修等工况下以及安装工况时导线、地线、绝缘子及金具的荷载。

220 kV垂直出线构架设计中，考虑了8种不同的基本荷载工况：自重；最大风速；覆冰；最低温度；检修；安装；风速10 m/s时构件纵向风荷载载；风速10 m/s时构件横向构件风载。依据导线的设计条件，导线的转角度数为0°～15°。水平荷载还需要增加导（地）线偏移角度15°时，导（地）线拉力带来的水平荷载。

依据DL/T 5457-2012《变电站建筑结构设计技术规程》[7]计算组合工况下构件的最不利内力，荷载分项系数与组合情况见表2。表中数据1.0、1.2、1.3、1.4为荷载分项系数，7.2为最大风速下基本风压与10 m/s风速下基本风压的比值。

表2 荷载组合工况

2 构架方案对比

2.1 独立柱方案

独立柱方案如图2所示。钢材采用Q235，构架由一根独立的变截面悬臂柱为主受力结构，截面采用十六边形焊接钢管，由下到上截面外轮廓尺寸变小。横担采用变截面的四边形钢管，横担向两侧错位挑出，以满足工艺技术参数要求。

图2 独立柱垂直出线构架

采用国际通用的STAAD/CHINA空间杆系分析与设计软件进行内力分析，计算出构件的最大内力，依据《变电站建筑结构设计技术规程》[7]和《变电构架设计手册》[8]进行截面选择与验算，两文献要求不同时以文献[7]为准。经建模计算和优化设计，构件截面选取如表3。

表1 导线荷载

表3 独立柱方案构件截面选择

2.2 角钢格构式塔架方案

角钢格构式塔架方案如图3所示。钢材采用Q345，构架由角钢格构塔式结构为主受力结构，0～9 m为变截面部分，9 m以上为等截面结构。底座尺寸3 m×3 m，9 m以上1.5 m×5 m。横担也采用变截面格构式向两侧错位挑出，以满足受力技术参数要求。经建模计算和优化设计，构件截面选取如表4。

图3 格构式垂直出线构架布置

经对比，独立柱方案钢材采用Q235钢，格构式塔架方案采用了强度更高的Q345钢，这是因为《变电站建筑结构设计技术规程》[7]对钢管结构的径厚比要求很严格，Q235的钢管径厚比要求≤80，Q345的钢管径厚比要求≤66，这是由钢管壁局部稳定性能决定，高强钢材的应力高，结构的刚度要求独立柱的直径不能过小，为使壁厚满足规程[7]要求，采用高强钢材Q345的柱就必须用更厚的管壁。

2.3 独立柱加灌混凝土方案

表4 格构式塔架方案构件截面选择

为了能在满足规程[7]要求的情况下采用高强度钢材，可采用钢管中灌混凝土的方案。高强度钢管中加灌了混凝土以后径厚比限值就可以放宽到123，采用了高强度钢材以后壁厚可以变薄，从而减小用钢量。结构形式仍然是独立柱，构架外形与独立柱方案相同，如图2所示。在0～9 m部分采用钢管混凝土柱，钢材采用Q345，径厚比111，满足Q345钢管混凝土径厚比≤123的要求。9 m以上仍采用空心钢管，钢材采用Q235（考虑上部柱不好灌注混凝土），9～19 m最大直径775 mm，径厚比为77.5，能够满足Q235钢径厚比≤80的要求。构件截面选取如表5。

表5 独立柱加灌混凝土方案构件截面选择

2.4 3种结构方案对比

表6结合不同的项目对上述3种垂直出线构架方案进行比较，可以看出：

（1）3种方案均能满足规范规定的极限承载力要求，并都有10%左右的安全裕度。3种方案都能满足规范规定的正常使用变形要求，格构式塔架方案刚度最大，变形最小，在变形控制方面比较保守；独立柱方案刚度最小，变形最大；独立柱加灌混凝土方案刚度要好于独立柱方案，变形也较小。

（2）格构式塔架最节省钢材，经济性最好，比独立柱方案节省0.86万元，但施工略显复杂，占地面积过大，与塔架边上的导线支座距离过小，会导致导线与塔架的距离不满足要求。

（3）独立柱加灌混凝土方案比原Q235独立柱方案节省钢材0.9 t，增加混凝土5.5 m3，总体费用节省0.36万元左右，但增加了加灌混凝土施工程序，在施工条件不好的区域，会增加施工难度。

（4）Q235钢独立柱方案虽然经济性最差，但可以满足规范的强度和变形要求；占地面积小，容易满足导线与结构距离的要求；施工简单。

表6220 kV垂直出线构架方案比较

3 结论

本文通过对比3种220 kV垂直出线构架方案，得出如下结论。

格构式塔架虽然节省一些钢材，但占地面积过大，可能导致导线与塔架的距离不满足要求。独立柱加灌混凝土的方案具有一定的经济性，但增加了加灌混凝土工序，在施工条件不好的区域，增加了施工的复杂性。独立柱方案虽然经济性略差，但可以满足规范的强度和变形要求；占地面积小，容易满足导线与结构距离的要求；而且施工简单，便于在各种施工条件下施工。因此，独立柱的垂直出线构架是一种值得推广的方案。在施工条件较好的区域，独立柱加灌混凝土方案也是不错的选择。

[1]周孝信，陈树勇，鲁宗相.电网和电网技术发展的回顾与展望—试论三代电网[J].中国电机工程学报，2013，33（22）∶1-11.

[2]史京楠，胡君慧，黄宝莹，等.新一代智能变电站平面布置优化设计[J].电力建设，2014，35（4）∶31-37.

[3]简翔浩.500 kV HGIS的低架出线[J].湖北电力，2010，34（6）∶1-3.

[4]葛明，胡劲松，龚宇清，等.山区500 kV变电站紧凑型设计的新尝试[J].电力建设，2009，30（7）∶32-34.

[5]陈传新，刘素丽.750 kV变电构架结构选型[J].电力建设，2007，28（5）∶33-35.

[6]高美金，高亚栋，陈飞，等.户外GIS设备架空垂直出线方式的研究与应用[J].浙江电力，2014，33（11）∶58-61.

[7]电力规划设计总院.DL/T 5457-2012变电站建筑结构设计技术规程[S].北京：中国计划出版社，2012.

[8]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.

（本文编辑：方明霞）

Structural Scheme Optimization of Vertical Outlet Framework in 220 kV Outdoor GIS Substation

HUANG Zhonghua1，GAO Meijin1，HU Yupeng1，CHENG Peng2
（1.State Grid Zhejiang Economy Research Institute，Hangzhou 310014，China；
2.Institute of Structural Engineering of Zhejiang University，Hangzhou 310058，China）

There are three different design schemes of vertical outlet framework for 220 kV Qinfeng GIS substation project.The three schemes are compared in terms of space，construction，safety and economical efficiency.The paper presents a scheme applicable to engineering practice to meet technological requirements, guarantee structural safety，save space and reduce investment.

GIS substation；vertical outlet framework；scheme

TM752

：B

：1007-1881（2016）02-0036-04

2015-11-10

黄忠华（1973），男，高级工程师、一级注册结构师，主要从事变电土建设计和管理工作。