风帆联合出线构架在汨罗西220kV变电站的全面应用

姜文 杨金虎

湖北省电力勘测设计院有限公司，中国·湖北 武汉 430040

变电站；风帆联合出线构架；三维

1 引言

随着土地资源越来越紧张，节约变电站的建设用地已成为设计重要的指导思想。特别是在城市规划区域或郊区，变电站的选址愈来愈困难，征地费用也逐年增高。变电站如何更有效的节约用地是当前亟待解决的课题。

调查中国国网220kV变电站通用设计及各地已完成的220kV 户外GIS 变电站发现：220kV 出线构架通常采用一回出线13m 跨度，或者两回出线24m 跨度的出线构架；110kV出线构架通常采用一回出线8m 跨度，或者两回出线15m 跨度的出线构架。这种型式的出线构架虽然满足电气设备安全运行需求，但占地面积大，出线构架用钢量也随之增大。

2 工程概况

2.1 建设规模

汨罗西220kV变电站工程位于中国湖南汨罗市古培镇石牛村。该工程是中国国家电网公司首批三维设计试点工程之一，是2017年三维设计竞赛依托工程。220 及110kV 终、本期均采用双母线接线。10kV 终期采用单母线三分段接线，本期采用单母线接线。主变压器采用三相三绕组有载调压油浸自冷高阻抗变压器，220、110kV 均采用GIS 组合电器，10kV采用金属铠装户内开关柜。详情如表1所示。

表1 汨罗西220kV变电站建设规模

2.2 可研方案

工程可研阶段依托中国国家电网公司户外GIS 通用设计方案A-1进行设计。即户外GIS 配电装置，架空进、出线，采用分相式断路器双列布置；220kV 出线架构采用双回出线共用方式，单回出线间隔宽度12m，双回出线共用间隔宽度24m，出线门型架挂点高度14m；110kV 出线架构采用双回出线共用方式，单回出线间隔宽度7.5m，双回出线共用间隔宽度15m；出线门型架挂点高度10m。方案围墙内占地为103m×83.5m[1]。

3 风帆联合出线构架全面应用

3.1 初步方案

常规GIS 出线构架采用钢管结构柱与格构式钢梁或钢管梁组成的门式结构，出线导线挂点位于同一高度，通过水平方向的挂点距离满足导线的带电距离要求，通常有两回一跨构架，两回出线ABC 三相共6个挂点水平布置在出线构架梁上[2]，如图1所示。

图1 常规GIS 220kV 出线构架示意图

为节约配电装置和构架的占地，利用GIS 电气设备导管可以随意引接、灵活布置的特点，通过将门型出线构架设置成三层出线梁，出线A、B、C 三相垂直布置，220kV 三层梁的高度设置为9m、14m、19m，三层梁水平间距离按4m 控制；110kV 三层梁的高度设置为7m、9.5m、12m，三层梁水平间距离按1.75m 控制。这样，由GIS 出线套管引出的A、B、C 三相满足电气距离要求，如图2.2所示。该结构以外形似风帆而命名为“风帆联合式”出线构架，优化布置后，220kV 配电装置每个出线间隔横向尺寸较可研缩小4.5m，即两个出线间隔共15m；110kV 配电装置每个出线间隔横向尺寸较可研缩小2.5m，即两个出线间隔共10m。详情如图2所示。

图2 汨罗西220kV 风帆出线构架示意图

采用这种布置后，配电装置区的占地大为节约，围墙内用地尺寸可调整为80m×83.5m，较可研减少22.3%，如图3所示。

图3 风帆联合出线构架全面应用布局规划

3.2 构架结构力学分析验证

风帆构架柱由两高度不同的钢管柱支撑，中间联合布置橫撑和斜撑，利用A型柱受力特点，将短柱与斜撑布置成一定斜率的A型柱，在主要承受平面内导线拉力的构架设计中，增加了平面内刚度和稳定，使受力合理。[2]

风帆联合式构架的基本结构单元为钢管柱和格构式梁（或钢管梁，用于110kV），两竖向主柱为等截面钢管柱，本工程利用了Staad.pro进行出线构架的计算，SSDD进行计算结果的中国钢结构规范验算，如图4、图5所示。

图4 风帆联合出线构架力学模型（节点受力）

图5 风帆联合出线构架力学模型（X 向风载）

通过构架位移分析验算，柱顶位移主要为平面外荷载引起的，平面内刚度较大，因此位移较小。构架柱顶位移受端撑约束作用，最大位移22mm，满足规范H/200 要求；构架梁跨中位移相对最大，最大值为21mm，亦满足规范L/200 要求。

通过验算，110kV、220kV 风帆联合构架长细比和截面应力满足要求，最大应力比如表2所示。

表2 110kV、220kV 风帆联合构架长细比、截面应力

由上可知，110kV、220kV 风帆构架受荷后，各项指标参数均满足初步方案设想和规范要求，本站可以全面应用风帆联合出线构架。

3.3 构架三维深化设计应用

本工程应用Benteley软件平台，完成全站三维设计，如图6所示。通过三维空间带电距离软硬碰撞校验，110kV、220kV 风帆构架均满足带电距离要求，构架间连接合理。此外，结构完成了风帆构架及其基础的细部设计，如110kV 构架深化设计完成了所有细部节点，包括挂线板、爬梯护笼、栏杆走道、梁柱节点，完全达到装配模型，可供构架加工单位参考，直接按件加工，如图.7所示。

图6 全站三维组装模型

图7 110kV 构架三维深化模型

4 风帆联合出线构架应用及成效

本工程构支架、配电装置楼、警卫室、主变防火墙及水工构筑物均按装配式方案设计施工。2018年9月正式开工，2019年6月竣工投产，其中，风帆构架到现场拼接、吊装不到两周。

4.1 220kV 风帆联合出线构架实施方案

220kV 构架布置为1 榀连续4 跨联合风帆式出线构架，构架间隔宽度为15m，纵向柱距8m，220kV 构架按终期规模一次建成，如图8所示。

220kV 构架柱采用直缝焊接圆形钢管柱，构架横梁采用三角形格构式桁架梁。构架柱主材直径为φ350，辅材直径为φ350、φ300；钢梁弦杆直径为φ140；220kV 构架避雷针为与柱形式统一，采用钢管结构[3]。钢材均采用Q235B级钢,钢材总用量42.0t,较同规模通用设计减少6.6t。

图8 220kV 联合风帆构架实照

4.2 110kV 风帆联合出线构架实施方案

110kV 构架布置为1 榀连续6 跨联合风帆式出线构架，构架间隔宽度为10m，纵向柱距3.5m，110kV 构架按终期规模一次建成，如图9所示。

110kV 构架梁、柱均采用直缝焊接圆形钢管柱。构架柱主材直径为φ300，辅材直径为φ300、φ245；钢梁直径为φ400；110kV 构架避雷针为与梁柱形式统一，采用钢管结构。钢材均采用Q235B级钢，钢材总用量42.2t,较同规模通用设计减少14.5t。

图9 110kV 联合风帆构架实照

4.3 围墙内节地综合利用

由于本工程建设用地前期已征用，采用联合风帆出线构架后，围墙内占地较原可研设计方案节余站前区23m，用于建管、施工临建和材料堆场用，如图10所示。方便了施工安全管理，且与周边居民避免了相互干扰，后期可用作储能站、充电站等其它用途。

图10 该站建设过程中的实照

4.4 风帆联系构架吊装施工

风帆联合出线构架自身刚度大，稳定性好，安装完成一榀后可实现自立，无需作额外安全保护措施，全面实现机械化施工，如图11、图12所示。110kV、220kV 风帆联合构架现场拼接、吊装各不到一周时间完成，较常规GIS 构架吊装节省工期50%以上。

图11 220kV 风帆构架吊装现场

图12 110kV 风帆构架吊装现场

5 结语

风帆联合式出线构架由两高度不同的钢管柱支撑，中间联合布置橫撑和斜撑，平面内、外刚度和稳定性好，受力合理，吊装方便[4]。

本站110kV、220kV 出线构架可以全面应用风帆联合式结构，通过受力分析计算，位移比在规范范围内；构架长细比和截面最大应力比分别不超过0.8和0.65，亦满足规范要求。

220kV 风帆构架三层梁的高度设置为9m、14m、19m，三层梁水平间距离按4m 控制；110kV 风帆构架三层梁的高度设置为7m、9.5m、12m，三层梁水平间距离按1.75m 控制。本工程应用Benteley软件平台，通过三维空间带电距离软硬碰撞校验，110kV、220kV 风帆构架均满足带电距离要求，构架间连接合理。

本站全面应用风帆构架后，钢材较同规模通用设计有所降低。配电装置区占地大为节约，围墙内占地由可研的103m×83.5m 缩减为80m×83.5m，较可研减少22.3%。原围墙节余空地用于建管、施工临建和材料堆场用，极大方便了施工管理，后期亦可用作储能站、充电站等其它用途。