杨房沟水电站开关站布置设计

摘 要：杨房沟水电站位于雅砻江中游，水电站工程主要由155m高双曲拱坝和地下水电站厂房组成，本工程区域地震基本烈度为Ⅶ度。地下厂房位于雅砻江左岸，共布置有4台混流式水轮发电机组，总装机容量1500MW。水电站开关站采用500kV室内GIS开关站，通过对地面开关站、地下开关站两种布置方式的比选，最终选择较优的地面开关站方案。开关站为1级非壅水建筑物，本文将对开关站建筑物进行地震工况下的抗震计算、分析。

关键词：开关站;布置方式;抗震

中图分类号：TV331 文献识别码：B

1、工程概况

杨房沟水电站位于四川省凉山彝族自治州木里县境内的雅砻江中游河段上，电站坝址距下游杨房沟沟口约450m。杨房沟水電站是雅砻江中游河段一库七级开发的第六级，上距孟底沟水电站37km，下距卡拉水电站33km。水电站工程主要由155m高双曲拱坝和地下水电站厂房组成。地下厂房采用左岸首部开发方式进行布置，厂房内布置4台混流式水轮发电机组，总装机容量1500MW。厂区建筑物主要包括主副厂房洞、主变洞、尾水调压室三大洞室，以及母线洞、电缆交通洞、进厂交通洞、出线竖井、出线平洞等辅助洞室，以及开关站等。

2、开关站布置方式选择

杨房沟水电站开关站采用500kV室内GIS开关站，将比较地面开关站、地下开关站两种布置方案。

2.1 地面开关站布置方案

杨房沟水电站厂址区附近地势陡峭，开关站场地选择较为困难，地面开关站方案初步考虑将500kV室内GIS开关站和500kV出线场均布置在进水口上游侧约100.0m处的山坡上。地面开关站采用叠加式布置方式，将GIS布置在室内，出线构架设在GIS 室的屋顶;地面开关站建筑物主要包括GIS楼和继电保护楼。地面开关站场地开挖尺寸约为167.0m×30.0m（长×宽），后边坡开挖高度约125m;地下主变洞开挖尺寸156.0m×18.0m×22.3m（长×宽×高），与地面开关站通过出线竖井加平洞连接。

2.2 地下开关站布置方案

500kV室内GIS开关站布置在地下主变洞室上部，采用SF6管母进线，地下主变洞开挖尺寸210.0m×18.0m×36.8m（长×宽×高），采用出线竖井加平洞通至地面出线场;地面出线场则布置在进水口上游侧约100.0m处的山坡上，相应的场地开挖尺寸约为100.0m×20.0m（长×宽），后边坡开挖高度约为115m。

2.3 开关站布置方案比较

总体来看，地面开关站和地下开关站的布置方案都是可行的。为了选择更合适、安全经济的开关站布置方案，现对两种开关站布置方案进行综合性技术分析和经济比较。

（1）从土建的角度上看，地面开关站方案因所需场地面积较大，增加了地面工程土石方开挖及支护工程量，开挖边坡较高、范围较大，高边坡支护难度较大;优点是地下主变洞内仅需布置主变和GIS联合设备，使主变洞的规模有所减小，相应的洞挖量、支护工程量有所减小。对于地下开关站方案，因GIS的布置需要使主变洞规模有所增加，使洞挖量、支护工程量所加大，但地面出线场所需的场地面积减少，使后边坡的高度和范围减小，这对电气设备的安全保障是有利的。

从土建工程投资上看，地下开关站方案土建投资比地面开关站方案节省约3800万。

（2）从电气设备的角度看，地面开关站、地下开关站方案对500kV GIS设备本身价格没有明显的影响，但GIL设备和XLPE电缆的价格差距很大，地下开关站方案的设备费用高出地面开关站方案约11300万元。

（3）从运行维护的角度看，由于地面开关站方案边坡增高，增加了一定的不可预见性安全隐患;地下开关站方案人身和设备的安全性高于地面开关站方案，地下开关站方案运行安全可靠性略高于地面开关站方案;地下开关站方案维护较地面开关站方案略方便。

经技术、经济综合比较，地面开关站方案较地下开关站方案节省投资约7500万元，二者相差较大。考虑到地面开关站尺寸较地面出线场尺寸略大，虽然增加了边坡的开挖量，但可采用对地面开关站的后边坡采取设置混凝土挡板及拦石网等措施，尽可能阻挡和拦截滚石，来保证其下开关站设备的安全。因此，根据节省投资、安全可靠的原则，推荐采用地面开关站方案。

3、开关站抗震稳定分析

3.1 地面开关站概述

左岸地形整体较为陡峻，只能根据地形选择相对较缓的位置进行布置，所以开关站的场地尺寸越小越有利，将地面开关站布置在进水口上游侧约100.0m处的山坡上，场地开挖尺寸167.0m×30.0m（长×宽）。场地后边坡最大高度约125m，开挖坡度为1：0.3及1：0.5，后边坡采用系统喷锚支护、局部预应力锚索的工程处理措施。开关站建筑物主体分为两层，主体框架高约25m，底层为电缆层、二层为GIS设备层、屋面为500kV出线场。

本工程区域地震基本烈度为Ⅶ度，开关站为1级非壅水建筑物，工程抗震设防类别为乙类，水平地震动峰值加速度取为191.5gal。鉴于场地动峰值加速度较大，为了保证建筑物稳定性，开关站建筑物是否与边坡连接需通过抗震计算来选择。

3.2 地面开关站抗震分析

地面开关站框架结构将采用PKPM系列工程软件中的子模块PMCAD进行建模、子模块SATWE进行计算。SATWE计算建筑结构的抗震计算时，采用振型分解反应谱法。地面开关站结构方案一是将建筑物每一层结构板与边坡进行连接;地面开关站结构方案二是建筑物与边坡无连接。现通过PKPM对两种方案的建筑物进行建模，详见图1。

通过对地震工况下的开关站建筑物计算分析，结合抗震计算相关结果，参考《抗震设计规范》及《高程建筑混凝土结构技术规程》，对建筑物抗震性能进行比较，其中主要包括建筑物的有效质量系数、位移角、位移比、周期比、层间刚度比、层间受剪承载力比等进行对比，详见表1。

通过计算结果数值可以看出，方案一建筑物结构板与边坡相连，明显增加了建筑物局部刚度，导致在高度方向上的刚度不均匀分布，易出现薄弱层，产生破坏;方案二建筑物结构（不与边坡相连）布置高度方向刚度均匀，更加有利于减小层间变形，抗震性能更强，更有利于结构稳定。故地面开关站选择方案二的布置型式。

4、结语

杨房沟水电站为500kV室内GIS开关站，通过综合技术、经济性能方面的比较，选择地面开关站型式。地面开关站建筑物内布置GIS室内开关站及屋面出线场，高约25m且有抗震要求。通过采用PKPM软件计算、对比与分析，选择建筑物与后方边坡脱开设计的方案，此方案建筑物布置规则、刚度均匀，更有利于抵抗地震力，增强自身安全性能。

参考文献

[1] 水电水利规划设计总院，水电站厂房设计规范[M]. 北京：中国电力出版社，2017。

[2] 李波等，PKPM建筑结构从入门到精通[M]. 北京：机械工业出版社，2018。

[3] 王婧，杨房沟水电站厂房混凝土分层分块的设计[J]，中文科技期刊数据库（全文版）工程技术，2020，（07）：95-96。

[4] 王婧、蔡波、张奕泽，杨房沟水电站厂房三维设计研究与应用[J]，四川水利，2019，（04）：52-56。