110kV构架单柱优化研究

郭后二，徐硕（安徽华电工程咨询设计有限公司，安徽合肥230000）

110kV构架单柱优化研究

郭后二，徐硕（安徽华电工程咨询设计有限公司，安徽合肥230000）

本文论述了传统110kV出线构架优化成单柱构架联合出线构架，论述内容包含了钢管梁、柱的受力分析、截面选择、连接方式、基础形式及经济指标。110kV出线构架采用单柱的联合出线方式，比常规人字柱出线构架，加工安装、施工难度小，并节省用地。

110kV；出线构架；单柱优化

引言

变电站作为电力系统的核心之一，在系统中起着变压、分流的作用，是整个电力系统输配电网络的重要环节。变电站中的构架设计对设备的安全运行有重要的影响，因此，构架设计是变电站设计中的重点。在变电构支架中，传统构件受力体系采用人字柱+桁架梁受力体系。这种结构施工难度大，效率低，不经济。而采用钢单柱+钢管梁的结构形式，与常规钢管人字柱构架结构比较，达到节省钢材、节省占地、节省投资的目的，取得良好的经济及社会效益。

1 变电站工程案例介绍

安徽亳州孙庙110kV变电站由安徽省电力公司投资建设，计划于2017年开工，2018建成投运，本工程的建设有利于缓解利辛县西部110kV电网的供电压力，提高供电能力和供电可靠性，见表1。

表1 安徽亳州孙庙110kV变电站建设规模一览表

2 变电构架结构钢材的选用

本文从本工程变电构架的工作环境、理论规范、荷载特征等方面，结合材料性能，全面地研究变电构架结构钢材的选用。本站110kV构架采用单列布置出线方案，110构架跨度为8m。每跨梁上均有双回出线，通过分析计算构架梁柱应力均较大，采用Q345既满足规范要求，有适当提高了钢材强度，从而有效减少构架用钢量。通过上文分析，结合站址水文气象条件，不属于腐蚀性气态，不需要用采用耐候钢，本工程变电构架结构钢材采用Q345B级钢材，是比较合适［1］。

3 110kV构架选型优化及分析计算

3.1 结构体系

构架采用单列出线布置方案。出线构架梁高度为11m，构架梁跨度8m、地线柱高度14m，避雷针高度分别为25m。本工程110kV构架推荐采用单钢管柱及钢管梁具有如下优势：

（1）降低钢材用量及基础混凝土用量；

（2）构件数量大大减少，提高了现场组装速度；

（3）构件重量减轻，降低了施工难度；

（4）外形简洁、靓丽；

（5）110kV出线钢管构架采用单钢管柱方案，节省了占地面积。

3.2 设计荷载

作用于构架上的主要荷载有导线张力、垂直荷重、侧向风压等工艺荷载及结构自重荷载载、温度作用、地震作用等。

3.2.1 导地线荷载

110kV出线构架导地线荷载如图1所示。

图1 110kV出线构架导地线荷载

3.2.2 风荷载

本工程选取利辛县气象站历年实测最大风速资料进行统计计算，并进行综合分析，确定设计最大风速的取值。利辛县气象站最大风速统计资料采用年限为1980～2012年，共33年观测资料。经过计算得50年一遇离地10m高自记10min平均最大风速为23.5m/s，110kV出线构架风荷载如图2所示。

图2 110kV出线构架风荷载

3.2.3 温度作用

根据利辛县变电站水文气象资料，并考虑设计的通用性，构架加工安装按最冷或最热季节考虑，正常运行温差Δt=54.8℃。

3.2.4 地震作用

依据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010），站址所在地利辛县的抗震设防烈度为Ⅶ度，设计基本地震加速度值为0.1g，设计地震分组第一组。根据过去的相关研究及工程经验，在抗震设防烈度Ⅷ度及以下的Ⅰ～Ⅳ类场地，地震作用对构架的内力及截面选择不起控制作用，且考虑到钢管构架质量轻、地震作用小，因此，本文不进行构架的抗震计算。

3.3 结构计算

3.3.1 计算方式

本站构架拟采用国际通用的3D3S三维结构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，不能直观反映构件的真实的受力状态，造成大量构件的强度未能充分发挥，而局部一些构件处于满应力工作状态，不仅结构用钢量大，而且结构的整体安全度不高［2］。

特别是对本工程的110kV联合钢管构架，情况更是如此。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，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。

3.3.2 110kV出线单钢管柱与人字柱构架比较分析

在不超过构架在正常使用状态下的变形限值条件下，本站110kV出线钢管构架采用单钢管柱相对于人字柱构架不仅节约用钢量和承台混凝土量，而且单管柱相对于人字柱更节约占地面积，从而使整个配电装置区布置更紧凑，方便电气设备布置。且单钢管柱构架安装方便、美观整洁。

母线构架、主变进线构架采用同样的方法（3D3S）分析计算得出，母线构架柱、梁均采用Q345B，直径273×6钢管即可，主变进线构架柱，除35m避雷针下的构架柱采用拔梢500/ 400/10外，其余梁柱均采用直径273×6钢管即可。经计算整个110kV构架区用钢量为30.5t，较传统方案（人字柱+桁架梁）节省约22%。

4 其他部分优化设计

4.1 构架基础选型

构架上部结构与基础可以采用杯口插入或预埋地脚螺栓的连接方式，插入式杯口基础通过现浇C30混凝土基础，中间预留杯口，待构架柱定位完成后灌C35细石混凝土，并作保护帽，预埋地脚螺栓基础采用现浇混凝土基础，通过在基础顶面预埋地脚螺栓的方式与构架柱底法兰板连接固定，地脚螺栓采用“钢板+槽钢定位模具”定位，因其具有现场安装方便、定位准确的优点。

在浇筑基础时，以钢管柱中心沿圆周等分布置十二个地脚螺栓，构架柱安装后地脚螺栓分为外露和不外露两种类型，外露时螺栓顶位于水平地面以上，方便安装；不外露时，螺栓埋入土体中，外观简洁美观。

4.2 法兰的选型和应用

法兰连接有刚性法兰和柔性法兰两种形式，刚性法兰就是在法兰盘上设有加劲肋，厚度及高厚比需要满足计算要求，且法兰盘厚度较厚，从而在荷载作用下变形较小，其变形符合平截面假定；柔性法兰的法兰盘没有加劲肋，且法兰盘较刚性法兰薄，荷载作用下法兰盘变形较大，变形不符合平面假定，其特点是中间变形较大，边缘相互顶紧，对法兰连接螺栓产生一个附加的撬力。刚性法兰节点可按刚性点处理，设计时处理较为简单，且对单钢管柱构架的变形控制具有优势，通过对加劲法兰的受力验算，本工程钢管构架梁、柱的联结均采用刚性法兰［3］。

4.3 60年使用寿命钢结构分析

根据《国家电网公司输变电工程提高使用寿命设计指导意见》（2012年1月）征求意见稿，新设计建设的输变电工程建构筑物使用寿命要达到60年。所谓使用寿命，是指在正常设计、正常施工、正常使用和维护下能达到的年限。

为了达到此要求，基于新技术、新工艺、新材料，设计必须从设计参数、设计构造、钢材性能、材料防腐、运行维护等方面作全面提升。

（1）根据60年使用寿命要求，对相关设计参数进行调整以用于结构计算。

（2）在结构设计时，改进结构构造形式，减少零部件的数量，选用抗锈能力强的截面，即截面面积与周长之比值较大的形式。

（3）根据气象条件，研究钢材的适用性。

（4）基于钢结构长效防腐要求，研究采用热浸镀稀土铝（锌）合金防腐工艺。

（5）结构采用螺栓连接。

5 结论

本站110kV出线钢管构架采用变（等）截面单钢管柱，构架梁采用钢管梁。相对于传统人字柱构架不仅节约构架用钢量和承台混凝土工程量，而且单管柱相对于人字柱更节约占地面积。110kV构架采用单柱+钢管梁方案较传统的人字柱构架+格构式钢梁相比，施工简单，加工方便，同时节约钢材。刚性法兰节点可按刚性点处理，设计时处理较为简单，且对单钢管柱构架的变形控制具有优势。本站钢管构架梁、柱的联结均采用刚性法兰。

［1］刘素丽，陈传新.750kV变电构架结构选型［J］.电力建设，2013，28（5）.

［2］海豫新.110kV及以下农网变电所设计中常易出现的问题及解决方案［J］.电气技术，2011（06）.

［3］刘英乔，卢春城.对220kV城南变电所构支架设计的探讨［J］.黑龙江交通科技，2012，12（04）.

TM711

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2095-2066（2016）30-0030-02

2016-10-10