某变电站220kV双层出线构架设计优化

赵李源，程春健，刘 碧

（1.中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉430071；2.湖北省华网电力工程有限公司，湖北 武汉430042；3.中南建筑设计院股份有限公司，湖北 武汉430071）

引言

随着经济建设的快速发展，同一地区的用电负荷也越来越大，因此常常造成新建变电站的出线规模不断增加，但是变电站的占地面积指标却又时长受限，为了解决二者之间的矛盾，达到既能满足出线需求，又能尽可能降低变电站占地面积的目的，越来越多的变电站开始采用双层出线构架的方案。

双层出线构架有不连续设置的，也有两跨连续或者三跨连续设置的，为了与站外终端塔相匹配，尽可能减小出线侧导线偏角，就需要合理布置双层出线构架的位置。同时为了尽可能降低工程建设成本，就需要选择合适的构架结构形式，既能满足受力和变形的要求，又能减少用钢量和占地面积。

1 工程概况

该变电站位于云南省保山市隆阳区蒲缥镇，站址原始地貌属横断山系切割山地峡谷区，自然高程为1687m～1717m之间。本工程抗震设防烈度8度（0.17g），建筑场地类别为Ⅰ1类，设计基本风压:W=0.43kN/m2。

220kV交流场采用敞开式布置，本期出线10回，远期出线8回，出线间隔宽度为13m，上层出线构架挂线高度为16m，上层出线构架挂线高度为23m，220kV交流出线构架本期全部建成。

2 结构方案及优化

2.1 结构选型

500kV及以上变电构架通常采用焊接普通钢管结构，该结构通常是由焊接普通钢管人字柱和格构式钢梁组成，加工工艺很成熟，生产厂家较多，占地面积小，节点数量少，构造简单，加工和安装较为方便，外形美观[1]。

本变电站220kV交流出线构架为单排门型构架，部分间隔双层出线，适宜采用钢管人字柱和格构式钢梁，有利于节省配电装置场地占地面积。双层出线构架优化前后的布置如图1中方案一和方案二所示。

2.2 双层构架布置及优化

根据电气专业布置，本工程中220kV出线构架中仅第1跨和第3跨设置双层出线，如图1中方案一所示。考虑到采用23m高带端撑人字柱后，一层构架仅一端设置端撑，对于构架纵向的侧向力传递不是十分有利，与电气和线路专业沟通后，可将双层出线间隔设置在第2跨和第3跨，适当调整第2跨二层出线导线偏角，如图1方案二所示。

2.3 构架几何信息

220kV出线构架几何信息如表1所示。

3 设计分析

3.1 计算模型

220kV出线构架采用通用有限元结构分析与设计软件STAAD.Pro V8i建模并计算，构架梁（含弦杆和腹杆）、构架柱、支撑等均采用梁单元模拟，具体结构模型详见图1中方案一、方案二。

图1 结构模型

3.2 荷载及组合

作用在构架上的荷载按其性质可分为以上三类:（1）永久荷载:如构架自重、固定的设备重及导线和绝缘子自重产生的垂直荷载和水平张力等；（2）可变荷载:如风荷载（构架风压、导线侧向风压及其产生的水平张力）、冰荷载（结构覆冰荷载、导线和绝缘子上覆冰所产生的垂直及水平张力）、安装及检修时临时性荷载、地震作用、温度变化作用等；（3）偶然荷载:如短路电动力、验算（稀有）风荷载及验算（稀有）冰荷载[1-2]。

表2 出线侧导线张力（大风工况）

风荷载根据《变电站建筑结构设计技术规程》（DL/T 5457-2012）规定按照构架高度分段计算，构架风振系数取1.0[2]，设计基本风压:W=0.43kN/m2。

变电构架根据使用过程中在结构上可能同时出现的荷载，按承载能力极限状态（U）和正常使用极限状态（N）分别进行荷载组合，如表3所示。其中，承载能力极限状态考虑大风运行、夏季或冬季安装大风运行、地震工况上的基本组合；正常使用极限状态考虑大风工况条件上的标准组合[2-4]。

表3 荷载组合

3.3 结构内力

220kV出线构架结构内力计算结果如表4所示:（1）两种方案的构架柱应力比均控制在0.95以内，因此构架的承载力验算均能满足规范要求；（2）两种方案中的人字柱内力均相差不大，无论是23m高人字柱还是16m高人字柱，由此可见二层出线间隔位置的调整并未影响构架中间段人字柱的内力；（3）方案一中的23m高端撑轴力较小，原因在于该端撑仅能分担二层1榀构架的侧向力，而未能有效分担一层7连跨构架的侧向力，进而导致一层构架的16m高端撑内力显著偏大；（4）由于方案二通过调整二层构架间隔的布置，使得一层构架两端具备同时设置端撑的条件，因此方案二的一层构架端撑在根开减小的情况上，内力和应力比仍大幅降低；（5）两种方案的控制工况均为大风工况，因此在对构架进行计算分析时，在考虑了大风工况的情况上可以不用再考虑地震作用效应组合。

表4 构架柱内力对比

3.4 结构变形

根据《变电站建筑结构设计技术规程》（DL/T 5457-2012）中6.5.1条规定，人字柱平面内、平面外（带端撑）的允许挠度为H/200，人字柱平面外（不带端撑）的允许挠度为H/100[2]。构架柱的变形计算结果如表5所示:（1）两种方案的变形均满足规范要求；（2）两种方案的平面内位移角相差无几，但是方案二的平面外位移角相较方案一均较大幅度降低。

表5 构架柱柱顶变形对比

3.5 经济性

两种方案的总耗钢量和间隔耗钢量比较如表6所示，从中可以看出，方案二的耗钢量相对较小，但是减小幅度并不是十分明显。

两种方案的单排构架占地长度和总占地长度如表6所示，与方案一相比，方案二的220kV配电装置场地总占地长度可减小4.4m，考虑到220kV配电装置场地宽度为68m，因此减少的占地面积为299.2m2。

4 结束语

通过以上分析可知:（1）与方案一相比，方案二的220kV出线构架的耗钢量和占地面积均有不同程度的减小，构架的应力比和变形也相对更优，因此，今后变电站采用双层构架出线且二层间隔数量不多时，尽量采用方案二的结构形式，即将二层间隔连续布置在构架中部。（2）方案一、二的计算结果表明220kV出线构架的控制工况均为大风工况，因此变电构架设计时若已考虑大风工况，可以不用再考虑地震作用效应组合，以便简化荷载组合和计算。

表6 方案经济性对比