1 000 kV變電站高抗回路抗震設計技術經濟分析

焦 紅 ，程 劍 ，張 斌 ，趙洪遠 ，楊旭方

（1.國核電力規劃設計研究院，北京 100095；2.國網山東省電力公司，山東 濟南 250001；3.山東送變電工程公司，山東 濟南 250022；4.國網山東省電力公司濰坊供電公司，山東 濰坊 261021）

·特高壓技術·

1 000 kV變電站高抗回路抗震設計技術經濟分析

焦 紅1，程 劍2，張 斌3，趙洪遠4，楊旭方1

（1.國核電力規劃設計研究院，北京 100095；2.國網山東省電力公司，山東 濟南 250001；3.山東送變電工程公司，山東 濟南 250022；4.國網山東省電力公司濰坊供電公司，山東 濰坊 261021）

濰坊1 000 kV變電站是迄今為止所有特高壓變電站中抗震等級最高的變電站。對濰坊1 000 kV變電站高抗回路抗震設計方案進行深入探討，從技術經濟兩方面分析方案優劣性和可行性，以積累總結抗震示范典型經驗，為其他類似工程優化設計提供參考。

特高壓；抗震設計；技術經濟分析

0 引言

隨著社會對電網容量需求的不斷提高，長距離、大容量、高電壓輸電逐漸成為電網的發展趨勢。榆橫—濰坊特高壓交流輸變電工程是國家大氣污染防治行動計劃“四交四直”特高壓工程中第5條獲得核準開工的輸電通道，是華北特高壓交直流主網架的重要組成部分。建設榆橫—濰坊特高壓交流輸變電工程（以下簡稱榆橫—濰坊工程），對于推動陜北、晉中煤炭基地發展，提高煤炭、發電行業的集約化發展，滿足京津冀魯地區用電負荷增長需求，落實國家大氣污染防治行動計劃，改善生態環境質量，具有重要意義。

濰坊1 000 kV變電站新建工程站址位于山東省濰坊市以南40 km的昌樂縣紅河鎮，占地13.92 hm2（圍墻內占地11.67 hm2）。濰坊站是迄今為止所有特高壓變電站中抗震等級最高的變電站。站址處于鄌郚葛溝大斷裂帶與安丘莒縣大斷裂帶之間，西側距離鄌郚葛溝大斷裂帶僅5 km，電氣設施按9度進行抗震設防，工程中首次采用110 kV匯流母線懸吊式管型分支母線、110 kV電抗器低位布置等世界上最先進的抗震措施，主變、高抗、避雷器、CVT等電氣設備采用減震、隔震新抗震技術措施。

選取濰坊站高抗回路進行抗震性能分析，提出支持管母與懸吊管母兩種方案并進行技術經濟比較，提出適合于本站的推薦方案。

1 高抗回路布置方案

1.1 支持管母方案

在皖東電東送工程及浙北—福州輸變電工程中1 000 kV高抗配電裝置采用敞開式設備，根據過電壓計算研究，高抗回路在不考慮高抗退出的情況下，出線回路與高抗回路共用1組避雷器可以滿足過電壓的保護要求。因此將出線回路和高抗回路設1組避雷器。

同時高抗AIS回路取消敞開式接地開關，檢修時可利用GIS內部出線快速接地開關接地并配合掛接地線的方式。

綜合考慮設備的抗震性能、運行條件下的設備受力、金具制造、施工的難度以及美觀度等因素，1 000 kV高抗回路設備連接采用硬連接，選用鋁管母線D200/D180。1 000 kV高抗回路采用抗震性能較好、運行經驗成熟的“四元件”方案，系統由GIS套管、避雷器、電壓互感器和高抗套管組成［1］。采用“四元件”方案的高抗回路斷面圖如圖1所示。其中避雷器與管母線采用固定連接金具，電壓互感器和管母線的連接采用滑動連接金具，高抗套管與回路管母線采用軟導線連接。

圖1 高抗回路斷面圖（四元件方案）

高抗回路系統中，按電壓互感器與高抗套管間距分別為4 m和5 m兩種情況進行抗震計算。

1）電壓互感器與高抗套管間距為4 m，計算模型如圖2所示。模型中支架主材Φ194mm×12mm，輔材Φ83 mm×5mm。設備間距8.5m，管母線中心距地高度18.5mm。

計算結果。大風工況分析結果，對結構進行Y向大風工況下的力學性能分析，結果如表1所示。

地震工況分析結果。對結構進行X和Y向地震工況下的力學性能分析，地震組合工況為1.0自重+0.25大風+1.0地震荷載，結果如表2、表3、表4所示。

圖2 計算模型（間距4 m）

表1 大風工況Y向分析結果

表2 地震工況X向分析結果

表3 地震工況Y向分析結果

表4 X地震作用下管母滑動金具的滑動范圍 mm

設備最小安全系數為0.96，不滿足規范要求；通過多次特高壓電氣設備減震試驗，加裝減震器后設備的減震效率為50%～80%，保守按照50%的減震效率計算，設備加裝減震器后的最小安全系數為1.92，滿足規范不小于1.67的要求［2］。

高抗回路管母線相對于高抗設備頂端位移保守計算為450 mm，重力作用下互感器端懸臂管母線豎向位移為26.56 mm。

2）電壓互感器與高抗套管間距為5 m，計算模型如圖3所示。模型中支架主材Φ194 mm×12 mm，輔材Φ83 mm×5 mm。設備間距8.5 m，管母線中心距地高度18.5 mm。

圖3 計算模型（間距5 m）

計算結果。大風工況分析結果，對結構進行Y向大風工況下的力學性能分析，結果如表5所示。

表5 大風工況Y向分析結果

地震工況分析結果。對結構進行X和Y向地震工況下的力學性能分析，地震組合工況為1.0自重+0.25大風+1.0地震荷載，結果如表6、表7、表8所示。

表6 地震工況X向分析結果

表7 地震工況Y向分析結果

表8 地震作用下X向管母滑動金具滑動范圍 mm

設備最小安全系數為0.94，不滿足規范要求；通過多次特高壓電氣設備減震試驗，加裝減震器后設備的減震效率為50%～80%，保守按照50%的減震效率計算，設備加裝減震器后的最小安全系數為1.88，滿足規范不小于1.67的要求［2］。

高抗回路管母線相對于高抗設備頂端位移保守計算為450 mm，懸臂5.5 m的互感器端管母線豎直位移為45.9 mm。

由抗震計算結果可知，電壓互感器與高抗套管間距分別為4 m和5 m兩種情況均能滿足濰坊站地震水平加速度0.486 g的抗震要求。

若電壓互感器與高抗套管間距為4 m，由于濰坊站的1 000 kV CVT為西容產品，高抗1 000 kV套管為ABB套管，高抗套管均壓環與CVT底部金屬法蘭的距離在滿足相地距離7 500 mm的基礎上僅有650 mm的裕度，高抗套管金屬帶電部分與CVT底部金屬法蘭的距離在滿足相地距離7 500 mm的基礎上有240 mm的裕度。經調研，高抗套管均壓環與CVT底部金屬法蘭的距離太近會影響CVT電磁測量單元的測量精度，又為了能對抗震有利，故目前暫按電壓互感器與高抗套管間距為4.5 m設計。高抗套管均壓環與CVT底部金屬法蘭的距離在滿足相地距離7 500 mm的基礎上有850 mm的裕度，高抗套管金屬帶電部分與CVT底部金屬法蘭的距離在滿足相地距離7 500 mm的基礎上有470 mm的裕度［3］。

1.2 懸吊管母方案

1 000 kV高抗回路由四元件組成，以往設備間采用管母連接，由于管母線較長，硬度大，地震時設備之間會有相互的作用力，另外常規布置高抗中性點采用支撐管母方案，同時防火墻對支撐管母還有放大作用，在地震時容易損壞。

因此提出優化高抗回路四元件的連接方式，優化后在高抗附近出線側增加了構架，高抗回路采用懸吊管母方案。GIS套管、高抗套管與懸吊管母采用多分裂導線連接，為滿足管母撓度，避雷器、CVT分別T接到GIS套管和高抗套管與懸吊管母的引接線上［4］。在出線構架懸挑梁上設置中性跨線，采用軟母線連接，可以較好地滿足抗震要求。

采用此懸吊管母方案可以通過降低電壓互感器高度或者將高抗向西移動的方案解決電壓互感器與高抗套管距離近，相互之間有電磁干擾的問題，經與水工專業人員核實，高抗可以向西移動4 m，電壓互感器與高抗套管距離可達到8 m。

采用此懸吊管母方案可以滿足抗震要求，但是存在以下幾方面問題。

1）懸吊管母方案與支撐管母方案相比，設備最小安全系數僅提高5%，即設備最小安全系數為2.0左右。2）根據特高壓實驗示范工程計算結果，為滿足過電壓要求，避雷器和高抗套管之間的距離不宜超過12 m，避雷器和CVT之間的距離不宜超過32 m［5］。但采用懸吊管母后，避雷器和高抗套管之間的距離至少為48 m，避雷器和CVT之間的距離超過50 m，均不滿足過電壓要求。需要在高抗套管和CVT附近增加一組避雷器，布置方式、連接方式也均有變化，必然會有1個設備在懸吊管母中間T接，管母撓度不能滿足要求，且需要向1 000 kV出線方向多增加占地6.5 m，新增征地約2968.15 m2。3）新增出線架構基礎需要與高抗防火墻以及中性點小抗基礎整體澆鑄。上部結構通過基礎相互影響，基礎受力情況復雜。4）構架柱須伸出一段橫擔來掛線，且單側受力，構架柱將承受較大的扭矩，對于格構式結構來說受力不合理。5）由于濟南一線、濟南二線、遠景棗莊一線的出線架構為三跨連續梁，本期需建設棗莊一線的出線架構（若本期不建設，遠景擴建時不滿足帶電安裝架構的要求）。棗莊一線作為遠景出線，因1臺高抗、小抗基礎與構架基礎整體澆注，需本期建設底板，而上部基礎由于設備外形未知只能遠期建設。與此同時，高抗1面防火墻距離構架柱不足1.5 m，若按遠景建設考慮造成施工不便，而如果本期建設則位置、高度、寬度均不可知，影響遠期擴建。6）出線構架由1排變為2排，用鋼量增加較多。7）高抗中性點引上線在大風工況下很難同時滿足與高抗套管7 500 mm以及與高抗油枕1 800 mm的要求，若采用懸吊管母方案，需要高抗廠家將油枕與高抗本體的距離拉遠，高抗廠家需要重新進行高抗本體抗震計算。8）用于1 000 kV懸吊管母金具沒有運行經驗，需要金具廠家配合研制。9）兩榀架構距離僅17.5～21.5m，距離太近，影響現場美觀。

3 不同布置方案技術經濟比較

濰坊站本期濟南一線高抗回路兩種方案技術經濟比較［6］（未考慮懸吊管母方案新增一組避雷器、新增占地）如表9所示。

表9 支持管母與懸吊管母方案技術經濟比較

由于濟南一線、濟南二線、遠景棗莊一線的出線架構為三跨連續梁，本期需建設棗莊一線的出線架構。棗莊一線作為遠景出線，因一臺高抗、小抗基礎與構架基礎整澆，故需本期建設底板，但未考慮懸吊管母方案新增一組避雷器、新增占地。技術經濟比較如表10所示。

可見，本期工程懸吊管母方案在未考慮新增一組避雷器、新增占地的情況下比支持管母方案的工程設備材料費用增加720萬元。

表10 支持管母與懸吊管母方案技術經濟比較

4 結語

通過對1 000 kV高抗回路支持管母與懸吊管母方案進行分析比較，兩方案均能滿 足本工程50年超越概率為2%的地震動峰值加速度為0.486 g抗震設防要求，但是懸吊管母方案存在問題，有待進一步分析研究。

根據特高壓實驗示范工程計算結果，采用懸吊管母方案時，不滿足過電壓要求，需要在高抗套管和CVT附近增加一組避雷器，且需要向1 000 kV出線方向多增加占地6.5 m，需重新征地約2 968.15 m2；用于1 000 kV懸吊管母金具沒有運行經驗，需要金具廠家配合研制；經核實，懸吊管母方案與支撐管母方案相比，設備最小安全系數僅提高5%，即設備最小安全系數為2.0左右；兩方案經經濟比較本期工程懸吊管母方案比支持管母方案的工程設備材料費用高720萬元；鑒于懸吊管母方案存在諸多問題，抗震安全系數相當，投資費用增加較多，本工程高抗回路仍推薦“四元件”支持管母方案。

［1］郭振巖.變壓器抗地震性能的研究［J］.變壓器，2005，42（8）：13-31.

［2］國家能源局.電力設施抗震設計規范：GB 50260—2013［S］.北京：中國計劃出版社，2013.

［3］楊亞弟，李桂榮.電氣設施抗震研究概述［J］.世界地震工程，1996，12（2）：20-22，54.

［4］Andre Filiatrault，Christopher Stearns.Electrical Substation Equipment Interaction：Experimental Rig－id Conductor Studies［M］.California Energy Commission，2005.

［5］朱祝兵，代澤兵，崔成臣.連接方式對電氣設備抗震性能的影響分析［J］.武漢大學學報（工學版），2010，43（S1）：49－52.

［6］馬永軍.工程造價控制［M］.北京：機械工業出版社，2009.

Technical and Economic Analysis on Seismic Design of High Voltage Reactor Circuit in Weifang 1 000 kV Substation

JIAO Hong1，CHENG Jian2，ZHANG Bin3，ZHAO Hongyuan4，YANG Xufang1
（1.State Nuclear Electric Power Planning Design&Research Institute，Beijing，100095，China；2.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan250001，China；3.Shandong Electric Power T&T Engineering Company，Jinan 250022，China;4.State Grid Weifang Power Supply Company，Weifang 261021，China）

The Weifang 1 000 kV substation is of the highest level of earthquake resistance in all UHV substations by far.In this paper，the seismic design of high voltage reactor circuit in Weifang 1 000 kV substation are discussed.Technical and economic analysis of the project are presented.It summarizes the typical experience of earthquake resistance，and lays the foundation for other similar engineering optimization design.

ultra high voltage；seismic design；technical and economic analysis

TM632

A

1007－9904（2017）10－0045－04

2017-06-26

焦 紅（1982），女，高級經濟師，從事電力技術經濟研究。