500kV变电站GIS设备基础形式分析比较

韩根伟（四川电力设计咨询有限责任公司，四川成都610041）

500kV变电站GIS设备基础形式分析比较

韩根伟（四川电力设计咨询有限责任公司，四川成都610041）

本文分析了500kV变电站GIS设备基础形式，并采用ANSYS软件对GIS的独立基础进行了算分析，结合工程实际情况，得出了最优结果。

变电站；分析；结果

1　引言

目前，我国用电需求以每年约15%的速度递增，而电网结构相对薄弱，电网输送能力和需求矛盾较为突出。国家电网公司大力发展特高压输变电建设，加快构建特高压坚强电网，可以大大提高线路走廊的利用率，提高土地利用率，对满足国民经济发展对电力的需求，促进电力产业技术升级和可持续发展，提高能源利用率具有重要意义。目前，我国变电站配电装置使得的主要设备类型有：AIS（常规空气绝缘开关设备）、HGIS（混合气体绝缘开关设备）、GIS（气体绝缘金属封闭开关设备）三种类型。其中GIS主要是由断路器、高压母线、空气开关、电磁互感器等器件组成，这些器件通常封装在金属外壳内，并且金属外壳接地，可以有效保护这些设备不受外界因素损坏。

2　GIS电气设备

通常情况下，GIS组合电气设备使用气体绝缘方式，其重要电气元件都被有效密封在SF6气室内，具有很强的抗干扰能力，并且寿命长、不容易出现故障。把GIS设备密封环节通过应用于HGIS上，并且需要在每个间隔内使用绝缘套管连接起来，这种连接方式很大程度上决定了基础不能有比较大的差异沉降。根据电气布置情况，500kV配电装置采用GIS布置方案，与敞开式设备方案和HGIS设备方案相比较，换流站占地面积大幅减小，配电装置更为整齐简洁，电气元件减少，减少运行维护的工作量，具有其优越性。通过对500kV GIS设备地基基础方案的研究，选择适应设备要求的基础形式，吸取以往类似工程的经验，优选方案，既能降低混凝土的用量，降低工程造价，又能减少混凝土的体积，进一步减少混凝土的温度应力，对于设备基础的抗裂控制具有重要意义。

3　基础沉降

3.1变形特性测试方法

土的室内试验有侧限压缩实验和三轴压缩。土的侧限压缩实验（固结实验）室通过测量图样在各级压力pi作用下的压缩变形量Si，计算出对应于每一级压力的孔隙比ei，从而绘制出e-p曲线，计算图的压缩系数a1-2﹑压缩模量Es，从而评价土的压缩性。三轴压缩试验是测定土抗剪强度的一种较为完善的方法。三轴压缩仪由压力室、轴向加荷系统、施加周围压力系统、孔隙水压力量测系统等组成。三轴压缩仪的突出优点是能较为严格地控制排水条件以及可以量测试件中孔隙水压力的变化。此外，试件中的应力状态也比较明确，破裂面是在最弱处，而不像直接剪切仪那样限定在上下盒之间。

3.2最终沉降量计算

研究表明：粘性土地基在基底压力作用下的沉降量S由三种不同的原因引起：

初始沉降（瞬时沉降）Sd：有限范围的外荷载作用下地基由于发生侧向位移（即剪切变形）引起的；主固结沉降（渗流固结沉降）Sc：由于超孔隙水压力逐渐向有效应力转化而发生的土渗透固结变形引起的。是地基变形的主要部分；次固结沉降Ss：主固结沉降完成以后，在有效应力不变条件下，由于土骨架的蠕变特性引起的变形。这种变形的速率与孔压消散的速率无关，取决于土的蠕变性质，既包括剪应变，又包括体应变。

图1　最终沉降量计算示意图

4　基础形式的分析比较

4.1独立基础

将上部结构传来的荷载，通过作用在满足基础埋件要求的平面尺寸上，使作用在基底的压应力等于或小于地基土的承载力，而基础内部的应力应同时满足材料本身的强度要求，独立基础采用钢筋混凝土，基础抗弯能力强，不受刚性角限制。独立基础与其他基础形式相比，一般具有节省混凝土，施工便利，工程造价低等优点。

图2　独立基础示意图

4.2独立扩展基础

将上部结构传来的荷载，通过向侧边扩展成一定底面积，使作用在基底的压应力等于或小于地基土的允许承载力，而基础内部的应力应同时满足材料本身的强度要求，这种起到压力扩散作用的基础称为扩展基础。

图3　独立基础示意图

4.3筏板基础

筏板基础是发展较早的一种基础形式，当钢筋混凝土被用于建筑物的基础时，开始较多使用的是条形基础、独立柱基础和交叉梁基础，由于建筑物荷载越来越大或地基承载力较低，基座所占基础平面的面积越来越大，当达到3/4以上时，人们发现采用整板式基础更经济，于是就产生了筏板基础。

上部荷载较大，地基承载力较低，上部结构对地基基础变形要求高等情况，采用一般基础不能满足承载力或变形要求时，可将基础扩大成支承整个建筑物结构的大钢筋混凝土板，既成为筏形基础或称为筏板基础。筏板基础不仅能减少地基土的单位面积压力、提高承载力，还能增强基础刚度，有效地调整基础的不均匀沉降。因此，对于变形要求严格的GIS设备来说，筏板基础是一种适宜的基础形式。筏板基础有如下两种可选方案。

4.4筏板倒置式基础

一般的筏板基础由于埋深较大，土方开挖量大，建成后筏板上也会增加一定的土重。筏板倒置式就是将筏板置于基础顶，这样在减少土方开挖量的同时也给GIS设备吊装提供一个平台。但是由于GIS设备重量重，这样会使基础底面积很大，同时吊车在倒置的筏板上也会使筏板承受很大荷载。这种基础的缺点就在于大体积混凝土的裂缝控制及预埋件的定位问题。因此该种基础做为一种新的基础形式有待于进一步的论证。

4.5箱形基础

对于500kV GIS设备如采用箱型基础，基础整体性更好，由于基础存在空腔，基底附加压力小，适应地基变形能力强，还可充分利用其内部空间敷设电缆，在基础范围内无需另设电缆沟。与筏板基础相比，箱型基础钢筋用量大，钢筋和模板工程量大，施工较为复杂，施工周期长，造价较高，不具优势。因此，在独立基础或筏板基础能满足地基变形要求的前提下，不推荐采用箱型基础。

5　计算参数

5.1地质计算参数

地基沉降计算主要和地基土的压缩模量、地基土分层、上部荷载大小有关。选取合理的沉降计算参数是地基沉降计算结果科学、客观、合理的保证。

根据某工程岩土勘察报告，站内工程地质钻探深度范围内地基土可分为二大层，自上而下分别为：

①粘土（Q4el）：粘土为硬塑状，其力学性能较好。根据工程类比、地区经验，推荐其天然重力密度γ=19.0kN/m3，粘聚力c=20～30kPa，内摩擦角φ=15～20°，其承载力特征值fak=170～220kPa，Es=6～10MPa。该层力学性能较好，可作为天然地基持力层。

②泥岩夹卵砾石（N2X）：根据工程类比、地区经验，推荐其天然重力密度γ=21kN/m3，承载力特征值fak=280～350kPa，该层物理力学性能好，可作为天然地基持力层、下卧层及桩端持力层，但该层对水极为敏感，遇水极易软化，设计施工注意此特性。

表1　地基岩土主要设计参数一览表

5.2基础埋深的选取

本工程500kV GIS场地大部分位于挖方区，最大挖方5.76m，一小部分位于填方区，最大填方1.26m，根据地勘报告情况及地基处理情况，在保证基础承载力的情况下，尽量减小满深，确定500kV GIS基础埋深为1.0m，为了为防止雨水的浸泡，考虑基础顶标高高出地面150mm。

5.3地基变形计算深度的选取

采用变形比法确定地基变形计算深度。地基变形计算深度zn，应符合《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）5.3.6条的要求：

Δs′n≤0.025∑Δs′i

Δs′i——在计算深度范围内，第i层土的计算变形值；

Δs′n——再由计算深度向上取厚度为Δz的土层计算变形值。

6　500kV GIS计算结果分析

6.1模型的建立

根据500kV GIS场地的地质情况及地基处理措施，对500kV GIS挖方区采用孤岛式独立基础，填方小于4m的区域采用筏板基础，对500kV GIS填方大于4m的区域采用直径600mm的旋挖钻孔桩筏基础。下面对500kV GIS基础的挖方区、填方小于4m的区域、填方大于4m的区域分别运用大型通用有限元软件ANSYS进行计算分析。

模型选取solid45，该单元用于构造三维实体结构.单元通过8个节点来定义，每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度单元具有塑性，蠕变，膨胀，应力强化，大变形和大应变能力。

图4　s olid45单元

6.2独立基础计算分析

根据750kV GIS设备的荷载，采用独立基础形式，地基承载力很容易满足要求，但GIS设备对地基变形要求严格，设备伸缩节之间的埋件误差要求控制在约20mm内，采用独立基础，挖方区断路器基础沉降达到9.2mm，填方小于4m区域断路器基础沉降达到16.2mm，用同样的方法计算出其他设备基础的沉降满足电气设备的要求。

图5　500kV G IS独立基础

图6　500kV G IS筏板基础

同样的方法建立其他单元的模型可以得出下表中的结论，结果均满足要求。

其中A为断路器基础，B为母线支撑基础，C为隔离接地开关基础，D为套管基础，E为主母线接地开关基础（见表2）。

6.3桩基础计算分析

对填方区大于4m的地方采用桩筏基础，桩端持力层为强风化砂岩。根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）中的公式：

表2　基础沉降计算结果表

可计算出桩基础沉降量为6mm。对于单排桩的设备基础之间可以设置拉梁。拉梁承担受力的同时也可以调节不均匀沉降。

7　结论

通过分析目前较常用的几种GIS设备基础，并结合文中500kV换流站的地质情况，本着节省材料和方便施工的原则，对500kV GIS挖方区采用孤岛式独立基础，填方小于4m的区域采用筏板基础，对GIS填方大于4m的区域采用直径600mm的旋挖钻孔桩筏基础。同时提出了保证埋件的水平的施工措施、控制大体积混凝土裂缝的措施。

[1]刘 强.500kV变电站GIS故障预防及相应故障分析[J].工程技术，2011（5）.

[2]王志军.GIS设备安装与调试技术在电力系统中变电站中的应用[J].中国新技术新产品，2011.

[3]陈玉全.500kV变电站GIS设备运行维护[J].自动化应用，2010（9）.

TM63

A

2095-2066（2016）31-0047-03

2016-10-20

韩根伟（1981-），男，工程师，硕士研究生，主要从事变电站土建设计工作。