國內某變電站500kV配電裝置構架選型設計分析

1 變電構架的類型

由于電氣主接線、配電裝置型式的不同，500kV變電站通常分為GIS方案、HGIS方案、瓷柱式斷路器方案和罐式斷路器方案，同時由于全國各地自然條件及經濟發展水平的差別，500kV變電站的構架結構根據不同的電氣工藝要求和地域特點呈現出多種型式。總體來說，國內500kV變電站構架常用的結構型式最主要的有以下幾種：

1.1 等截面普通鋼管構架

等截面普通鋼管結構構架由A型等截面鋼管柱和三角形截面格構式梁共同組成，構架梁與構架柱通常采用鉸接的連接方式，縱向端部設置端撐，通常又稱作“A”鋼管柱桁架梁構架。構架柱、構架梁弦桿通常采用普通鋼管，構架柱、構架梁弦桿通常采用剛性法蘭連接作為拼接接頭。構架梁的腹桿通常采用螺栓連接，這種形式的構架的安裝、制作以及運輸都比較方便。

1.2 格構式構架

格構式構架通常由矩形斷面的格構式柱與矩形斷面的格構式構架梁組成，構架梁與構架柱通常采用鉸接或剛接。按照組成桿件的類型不同，構架形式又通常分為鋼管格構式構架和角鋼格構式構架兩種。格構式構架的優點：結構由較小的角鋼構件或鋼管構件組成，節點通常采用螺栓連接，構件尺寸比較小、自重比較輕，鋼結構的制作、運輸以及構件的防腐處理都很方便。但也有其缺點：桿件種類比較多，數量比較多，現場施工時拼裝的工作量較大。

1.3 變截面高強度鋼管構架

變截面高強度鋼管構架由A型高強度鋼管柱和高強度單桿式鋼管梁共同組成，構架梁與構架柱通常為剛接。這種結構形式的構架的特點是采用的鋼材強度高(450MPa及以上)，結構重量比較輕，并且鋼材中的微量元素控制非常嚴格，熱鍍鋅防腐質量能夠得到保證，可以避免維護，構架的外觀比較好。由于這種構架形式采用的是純鋼管式構架梁代替傳統方式的格構式鋼梁，使構架的組成桿件簡單，構架的外形美觀、構件少；構架用鋼量省，接頭制作采用工廠制作，施工現場的安裝快速，能夠減少結構施工時的安裝費用。只是這種結構形式的構架國內生產的廠家比較少，單價相對來說比較高，總體工程造價仍高于常用的普通鋼管結構構架。并且該結構形式的構架適用于梁跨相對較小的變電構架，不太適用于跨度較大的500kV配電裝置構架。

2 變電構架的設計基本原則

1）可靠性：變電構架是站區最重要的構筑物之一，承載著全部進出線荷重、聯系著所有設備，其安全性是變電站正常運行的重要保證。因此，所采用的結構體系除應滿足工藝荷載要求外，在不增加總體投資的前提下，具備抵御超常規荷載的能力；

2）先進性和美觀性：變電構架數量多、體型巨大、外觀顯著，優秀的設計方案既可以充分體現設計的先進性，也能增加變電站的視覺效果；

3）經濟性：變電構架是土建投資最大的單體工程，在保證安全的條件下，降低構架的總體投資也是也是本文的主要研究內容。

本文將結合我國多項經典工程的變電構架設計經驗，根據本工程電氣一次方案布置特點，選擇安全、經濟、先進、美觀的變電構架，并利用空間計算分析手段，進行多方案、多角度的技術經濟比較來最終確定本工程的結構型式。

3 國內某500kV變電站工程設計外部參數

3.1 基本風壓

本工程50年一遇距地面10m高10min平均最大風速采用29.7m/s，相應基本風壓取0.55kN/m2。

3.2 溫度作用

累年平均最高氣溫：27.5℃，累年平均最低氣溫：3.7℃。

3.3 地震作用

擬建變電站所在區域對于50年期限超越概率10%的地震動峰值加速度為0.10g，地震基本烈度為7度。根據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）第4.1.7 條，可忽略發震斷裂錯動對地面建筑的影響。由此初步判定擬建變電站工程場地區域地質穩定，適宜建設。

變電構架采用鋼結構方案，地震作用小，地震作用對構架截面設計不起控制作用，其具有良好的抗震性能，因此在構架設計中地震荷載不起主要控制作用。

4 500kV配電裝置構架選型及分析

4.1 配電裝置HGIS布置方案

4.1.1 布置方案

500kV采用HGIS設備，半C型布置，中斷路器套管居中布置，采用固定棒形絕緣子和縱向雙分裂導線，減少導線相間及相對地距離，出線間隔寬度為26米。結合電氣方案布置，構架柱網為橫向3x26m，縱向為7x26m，構架梁在20m、26m、33m高縱橫交錯布置。

4.1.2 導地線荷載

500kV構架導線張力控制值（最大風速工況）：水平張力56kN/相；垂直作用力13.5kN/相；側向力28kN/相。

500kV構架導線張力控制值（結冰工況）：水平張力56kN/相；垂直作用力19.2kN/相；側向力22.3kN/相。

500kV構架導線張力控制值（安裝工況）：水平張力56kN/相；垂直作用力13.5kN/相；側向力21.5kN/相。

500kV構架地線張力控制值（最大風速工況）：水平張力9.2kN/相；垂直作用力0.7kN/相；側向力4.3kN/相。

500kV構架地線張力控制值（結冰工況）：水平張力9.2kN/相；垂直作用力1.5kN/相；側向力3.6kN/相。

500kV構架地線張力控制值（安裝工況）：水平張力9.2kN/相；垂直作用力0.7kN/相；側向力3.6kN/相。

主變進線控制張力：水平張力17.5kN/相；垂直作用力11kN/相；側向力5kN/相。

26m高構架跨線控制張力：水平張力10kN/相；垂直作用力8kN/相；側向風壓1kN/相（大風）。

33m高構架跨線控制張力：水平張力10kN/相；垂直作用力8kN/相；側向風壓1kN/相（大風）。

懸掛管母線的懸掛點張力：12.5kN/串。

4.2 構架選型及分析

4.2.1 “A”型鋼管柱桁架梁結構體系

“A”型鋼管柱桁架梁結構體系適用性較廣，作為常規方案已被大多數電力設計院掌握。

圖1為本工程采用“A”型鋼管柱桁架梁結構體系的構架方案。

本方案構架梁高度為20m、26m、33m縱橫交錯，“A”字鋼管柱的根開為6.6m，構架的端撐根開為6.6m，構架間隔的寬度為26m。此構架方案的500kV配電裝置場地占地面積為177.2x67.35=11934.42m2（約合1.1934h m2）。

圖1 “A”型鋼管柱桁架梁構架方案

采用3D3S軟件對此方案進行整體建模計算，經過反復試算、調整，最后確定“A”型鋼管柱桁架梁構架的主要構件尺寸如表1所示：

表1 “A”型鋼管柱桁架梁構架主要構件選材表

4.2.2 全鋼管格構式結構體系

格構式結構體系分為角鋼格構式體系和鋼管格構式體系。

全角鋼格構式結構體系并不適用于平面布置不規則（一軸長度遠大于另一軸長度）的情況，然而500kV配電裝置HGIS方案的布置特點就是縱向尺寸遠大于橫向寬度，這就需要采用增大自立柱主材規格等手段提高整體構架在弱軸方向的側移剛度。單純增加格構柱角鋼的規格并不經濟也不可行。

全鋼管格構式體系采用鋼管構件作為構架的承載構件，相對于角鋼構件具有明顯的優勢：第一，可以在一定程度上減小構架所承受的風壓（圓形的鋼管構件要比角鋼構件的體形系數小將近一倍）；第二，在構件的截面面積相同的情況下，圓管截面的回轉半徑基本上要比角鋼截面的大20%左右；第三，如果采用了無縫鋼管，壓曲系數是a類，角鋼的壓曲系數是b類，這兩者相差了7%左右。與全角鋼格構式構架相比，鋼管格構式可明顯提高側向主軸方向的側移剛度，適用于平面布置縱向尺寸遠大于橫向寬度的情況，在1000kV、750kV變電站中被大量使用。

經過以上分析，對于本次電氣設計方案，全鋼管格構式體系明顯優于全角鋼格構式結構體系，所以本次選型比較直接采用全鋼管格構式體系與“A”型鋼管柱桁架梁結構體系進行比較。圖2所示為全鋼管格構式體系構架方案。

圖2 鋼管格構式體系構架方案

本500kV變電站工程構架為聯合布置的方案，出線構架梁、跨線構架梁和主變進線構架梁縱橫相聯，最高的導線掛線點為33m，格構式構架柱的根開可以適當的減小。經反復試算、優化，構架柱柱腳根開最終縮小為2×2m，極大地減小了格構式自立住的縱向寬度，有效保證跳線帶電距離的安全。此構架方案的500kV配電裝置場地占地面積為166x62.75=10416.5 m2（約合1.0416hm2）。

經過3D3S結構設計軟件反復試算、調整，最后確定全鋼管格構式構架的主要構件尺寸如表2所示：

表2 全鋼管格構式結構主要構件選材表

4.3 構架比較

表3 經濟技術指標對比表

針對500kV HGIS配電裝置場地布置方案，結合本工程具體情況，全鋼管格構式構架體系較“A”型鋼管柱桁架梁結構體系節省鋼材用量71噸，約15.4%，直接降低鋼結構工程造價63.9萬元，節省占地1517.92 m2，約14.6%，直接減少征地費用34.2萬元，這兩項指標合計節約造價98.1萬元。

鋼管格構式結構在用鋼量、造價、加工安裝工期以及外觀形式上都具備優勢，本文推薦500kV HGIS配電裝置采用鋼管格構式結構體系。

5 結論

通過上述研究，本文500kV變電構架結合500kV HGIS配電裝置布置優化，采用聯合布置，形成空間結構體系。結構體系推薦鋼管格構式，受力合理，其材料選取、節點構造、加工及安裝方式均可滿足電氣專業對500kV HGIS布置方面的要求。

1）500kV變電構架采用全聯合構架、具有提高構架受力性能、節省工程造價的優越性，同時也為電氣設備進一步緊湊布置創造條件，達到整體優化，節約“土地”不可再生資源。

2）通過對常規的“A”型鋼管柱桁架梁構架結構體系、全鋼管格構式結構體系的對比，推薦500kV HGIS配電裝置采用全鋼管格構式構架，同一電氣方案的條件下比常規的構架方案節約鋼材71t，約合15.4%，節省占地1517.92m2，約合14.6%，僅此部分土建費用直接節約造價計98.1萬元（其中包括節省鋼結構工程造價63.9萬元+征地費用34.2萬元）。