淺談220kV變電站構架選型及優化

唐斌

【摘要】本文以AIS方案220kV變電站為背景，對構架結構選型及材質進行技術經濟分析比較。對比常用的焊接鋼管結構及水泥桿結構，推薦構架采用焊接鋼管結構。構架結構設計做出以下優化：（1）220kV構架兩個間隔共用一榀25m寬構架，110kV構架兩個間隔共用一榀16m寬構架。節約用地，降低耗鋼量。（2）采用焊接鋼管人字柱結構，有效降低用鋼量，降低土建造價。（3）對構件做合理歸并，減少構件種類及數量，縮短加工周期;構件加工及鍍鋅均在工廠完成，現場安裝采用螺栓連接，無現場焊接工作量;柱腳采用螺栓連接，免去二次灌漿濕作業及養護時間?？s短工期，提高施工質量，符合環保、集約理念。

【關鍵詞】220kV變電站;構架選型;優化

1.工程背景

AIS方案220kV變電站，設計規模：主變：4×180MVA;出線：220kV6 回;110kV14回;10kV30回。管母單獨設置支架。假定自然條件：（1）氣溫：年平均氣溫20℃;極端最高氣溫45℃;極端最低氣溫-10℃。（2）設計風速：取30m/s。（3）覆冰厚度：10mm。（4）地震烈度：7度抗震設防，動峰值加速度0.10g，特征周期0.35s。地點：我國南方。

2.構架結構型式選擇

2.1 國內變電站構架常用型式

各地區自然條件和經濟發展水平的多樣性，造就了多種多樣的構架型式。目前常見以下4種：

（1）焊接鋼管人字柱結構。500kV及以下變電站廣泛采用。焊接鋼管人字形構架柱，三角形斷面格構式鋼梁，梁柱螺栓連接，在人字柱排架端部設端撐。簡潔美觀，荷載傳遞清晰，多采用普通Q235、Q345鋼，采購加工方便。鋼結構生產廠家眾多，工藝成熟，價格低廉。

（2）高強度鋼管梁柱結構。采用高強度鋼材，可降低用鋼量。正多邊形高強鋼管人字型構架柱，單桿式正多邊形高強度鋼管梁，梁柱剛接。整潔開放，構件數量少，加工簡單，便于安裝維護，但所采用Q460高強鋼是美國ASTM A572gr65標準，價格較高，且運輸成本較高。采用該型構架的變電站數量有限。

（3）鋼筋砼環形桿結構。220kV及以下變電站大量使用。以預制鋼筋砼環形水泥桿代替直縫焊接鋼管作為人字柱主材，對電壓等級較低、導線荷載較小、使用年限要求不長的構架而言，可有效降低一次性投資。缺點是混凝土桿件及鋼節點需在現場焊接組裝，工期長，質量難保證;混凝土桿件承載力低，易開裂，使用壽命短;防腐保護周期短，維護成本較大。

（4）格構式桿塔結構。梁柱均由截面較小的角鋼或鋼管組裝而成，具有用鋼量低、受力條件好、加工運輸方便等優點。缺點是連接節點數量多，桿件種類及數量多，現場組裝工作量大，工期長，觀感較人字柱結構稍遜。在我國特高壓項目普遍采用。

表3.1-1 各工況下的導線荷載

2.2 本工程構架選型初步設想

在220kV變電站構架常用的集中結構型式中，南方地區在焊接鋼管人字柱結構和鋼筋砼環形桿結構上均具有成熟的應用經驗，這兩種型式具有就地取材、價格低廉優點。下文以220kV構架為代表，對焊接鋼管人字柱結構和鋼筋砼環形桿結構兩種方案進行分析比較，優化選材，綜合考慮生產、運輸、安裝、維護等方面因素，在全壽命周期成本管理理念下，確定最優方案。

3.設計使用條件

3.1 工藝布置

本工程220kV構架軸測圖如圖3.1-1所示。

構架為3排獨立排架結構，鋼梁導線掛點標高均為14.0m。

3.2 荷載效應及組合

3.2.1 導線在各工況下的荷載（表3.1-1）

3.2.2 結構的風荷載

設計風速30m/s，換算成結構基本風壓為0.56kN/m2。

3.2.3 溫度作用

當兩端設有剛性支撐的連續排架總長超過150m，或連續鋼架總長度超過100m 時，應考慮溫度作用效應。本工程構架總長75m，極端最高氣溫45℃，極端最低氣溫-10℃，ΔT=55℃，不屬于溫差特別大的情況，可不考慮溫度作用。

3.2.4 地震作用

本工程為7度抗震設防，動峰值加速度0.10g。構架屬于大柔度細長結構，自重輕，抗震性能好。大量工程實踐表明，7度區500kV及以下構架不受地震作用控制。

3.2.5 覆冰荷載

電氣專業導線拉力計算結果中已相應考慮了導線覆冰的工況，結構自身覆冰按10mm考慮。

3.2.6 荷載效應組合

對于非樞紐變的220kV構架，結構安全等級應取二級，結構重要性系數γ0=1.0。變電站構架應考慮不同工況下可能產生的最不利受力情況，并考慮遠景可能發生的變化，分別按承載力極限狀態和正常使用極限狀態進行荷載效應組合。

3.2.6.1 承載力極限狀態荷載效應組合

用于校驗結構構件和連接節點的強度、穩定性。按承載力極限狀態進行組合時，通常應考慮基本組合和偶然組合兩種情況。本工程管母單獨設置支架，因短路引起的偶然電動力不會對構架產生影響，所以只需考慮荷載效應基本組合即可。主要包括：

（1）運行工況：

1）大風工況：1.0Gk+1.3D11k+1.4Wk;1.2Gk+1.3D11k+1.4Wk;

2）覆冰工況：1.0Gk+1.3D12k+1.4W10k;1.2Gk+1.3D12k+1.4W10k

（2）安裝工況：1.0Gk+1.2D21k+1.2D22k+1.4W10k;1.2Gk+1.2D21k+1.2D22k+1.4W10k;

（3）檢修工況：1.0Gk+1.2D31k+1.2D22k+1.4W10k;1.2Gk+1.2D31k+1.2D22k+1.4W10k。

其中：Gk——結構自重及其余荷載效應標準值;Wk——最大風工況下導線側向風偏荷載以及結構自身風荷載的標準值;W10k——10m/s風速下導線側向風偏荷載及結構自身風荷載的標準值;D11k——最大風工況下導線荷載效應標準值;D12k——覆冰工況下導線荷載效應標準值;D21k——安裝工況下緊線的導線荷載效應標準值;D22k——安裝工況下非緊線的導線荷載效應標準值;D31k——單相上人檢修時導線荷載效應標準值。

3.2.6.2 正常使用極限狀態荷載效應組合

校驗結構構件在日常使用中產生的變形、裂縫等。按正常使用極限狀態組合時，采用荷載效應標準組合。安裝或檢修工況：Gk+D22k+W10k;正常使用工況：Gk+D11k+0.5Wk。

4.空間模型計算分析

變電站構架受力特點是以承受水平荷載為主，荷載來自于導線及地線的張力，其次是風力。隨著各種空間有限元分析計算軟件的推廣，可對構架整體建模，全面分析桿件內力并選材，使結構整體可靠度與構件可靠度一致，為經濟合理的構架設計提供有力支持。

本工程采用STAAD CHINA空間有限元計算分析軟件，按人字柱結構建模計算。模型中柱材質定義為鋼管，因梁柱連接為鉸接，故導線荷載對鋼梁產生的彎矩不會傳遞至柱上，本模型對水泥桿材質柱仍具指導意義。單對水泥桿結構而言，柱間橫檔與主材連接應按鉸接考慮，這是與鋼管人字柱的顯著區別。

4.1 焊接鋼管結構

4.1.1 模型及荷載輸入（表4.1-1）

人字柱柱頂兩桿為剛接，梁與柱為鉸接，梁不參與柱段桿件彎矩分配。為簡化模型輸入，減少桿件數量并加快計算速度，鋼梁按等重的原則簡化為單根桿件輸入。計算模型主要分析柱內力和支座反力，鋼梁則單獨計算。每排人字柱設置一根端撐桿。

為避免避雷針影響軟件對柱計算長度、支撐條件的判斷，將避雷針作為荷載輸入，不在模型中體現。

構架橫梁的兩端設為鉸接;端撐桿頂部通過銷釘與鋼柱柱頭連接，可自由轉動，設為鉸接;端撐柱上設置2道橫向支撐，旨在減小端撐桿的計算長度，設為鉸接。除以上自定義的約束條件外，所有梁元的連接均默認為剛接。

構架受力不同于一般工業及民用建筑。作為通用的有限元分析計算軟件，STAAD CHINA無法自動生成構架荷載，也無法自動進行正確的荷載組合。所有荷載值及對應各工況下的組合均手工輸入。

4.1.2 內力計算及后處理

采用STAAD內置的線性分析引擎進行計算，對各支座、節點、桿件內力和位移整理統計。

承載力極限狀態荷載效應組合下柱段內力控制值如表4.1-1。

正常使用極限狀態荷載效應組合下各柱頂點位移統計如表4.1-2。

分析表明各主要控制節點位移均滿足規范。

4.1.3 規范檢驗及選材優化

規范檢驗采用SSDD鋼結構設計與繪圖軟件進行，但桿件的某些設計參數，特別是計算長度、截面塑性發展系數等關鍵參數值需手工輸入。按《變電所建筑結構設計技術規定》第5章規定，設置檢驗參數，并指定到各類桿件中，再由軟件驗算。

表4.1-1 承載力極限狀態下桿件內力

表4.1-2 正常使用極限狀態下節點位移

經檢驗及優化，本結構方案最終選材及耗鋼量統計見表4.1-3。

表4.1-3 焊接鋼管人字柱結構方案耗鋼量

以上重量已考慮節點板、螺栓等附件。

4.2 鋼筋砼環形桿結構

水泥桿構架計算模型參照焊接鋼管結構計算模型，但柱間橫檔兩端按鉸接考慮。經模型計算分析，結合對比以往常規工程計算資料，采用兩個出線間隔合用一根鋼梁的布置型式，人字柱腳內力約為常規每個間隔設置一根鋼梁布置型式的2倍。計算220kV構架水泥桿裂縫時對應正常使用極限狀態，即Gk+D11k+0.5Wk。經計算，當采用規格φ400x50，混凝土強度C40，配置主筋18Φ16的普通環形水泥桿時，排架兩側端部均設置端撐桿情況下，桿身裂縫值仍小于0.2mm，滿足規范。

鋼梁、地線柱、避雷針等構件計算及選材同焊接鋼管結構，不做進一步比較。

表4.2-1統計中，水泥桿結構未考慮節點板、連接件等附件重量，其余構件已考慮節點板、連接件等附件重量。

5.兩方案全壽命周期成本分析

5.1 兩方案用鋼量統計對比

從表5.1-1可看出，采用環形水泥桿結構，構架柱約需規格φ400x50的環形水泥桿480m，水泥桿連接鐵件重量需另外考慮7.2t左右;而采用焊接鋼管結構時，構架柱需38.4t鋼材，已包含連接件的重量。按照目前的市場價，采用水泥桿結構比采用焊接鋼管結構約節省15萬元。

表4.2-1 環形水泥桿結構方案主要工程量

表5.1-1 兩方案耗鋼量統計對比表

5.2 兩方案全壽命周期成本分析

根據全壽命周期成本管理理念，構架設計除考慮材料市場價格外，還應考慮全壽命周期內支持成本，包括安裝、運行、維修、改造、更新直至報廢的全過程。全壽命周期成本=投入成本+運行成本+維護成本+故障成本+廢棄成本。

構架設計除考慮結構安全，造價合理外，還應充分考慮操作性。對功能及荷載相似的梁柱作合理歸并，從加工、鍍鋅、運輸及市場采購難易方面考慮，限制材料規格尺寸，減少構件種類數量，加快生產及施工進度。

生產加工方面，南方地區500kV及以下構架，在水泥桿和焊接鋼管結構工程應用方面均有成熟經驗。水泥桿結構構架需分別進行水泥桿和鋼構件的訂貨加工。在工程現場，水泥桿桿段一般通過焊接連接，鋼管構件一般通過法蘭螺栓連接，在安裝進度上，鋼管結構較水泥桿有明顯優勢。

運行維護成本方面，構架主要在于防腐。經鍍鋅處理后鋼構件防腐能力大大增強，水泥桿結構因存在焊接接頭，需對接頭進行專門防腐處理，一方面延長了構架施工工期，另一方面增加了額外費用，使水泥桿結構較焊接鋼管結構的經濟優勢進一步削弱。在運行維護方面，熱鍍鋅鋼結構免維護期可達10年，較水泥桿有明顯優勢，有利于降低運行維護的成本。

構架結構在故障成本及廢棄成本方面占全壽命周期成本的比重相對較小，在滿足結構可靠要求的前提下，兩者故障成本可謂相當。在結構報廢成本方面，鋼管結構單價較高，可作為初始建設投資的一個有益回收。

結構觀感方面，鍍鋅鋼管結構整體簡潔明快，色澤均勻，視覺效果更佳，也能從另一個側面持續提高電力企業的公眾形象。

6.結論與建議

經過以上分析比較，我們認為本設計方案的構架從區域自然環境、工藝布置、制作加工、現場安裝、日常維護及材料報廢等方面綜合考慮，使用焊接鋼管人字柱結構更為合理。

本設計方案在構架設計、加工、安裝各方面進行論證及優化：（1）對構件的位置、功能、使用工況做分析和類比，做到結構布局整齊劃一，簡潔美觀。經過細致計算，在降低用鋼量的同時對構件做合理歸并，減少構件種類及數量，縮短訂貨加工周期。（2）構件均工廠加工，熱鍍鋅防腐，現場螺栓連接。無現場焊接工作量，加快施工進度，提高施工質量。（3）柱腳采用地腳螺栓連接。相比傳統二次灌漿連接，螺栓連接方便快捷，一次完成構架就位安裝。免去二次灌漿濕作業，免去灌漿養護時間，縮短工期的同時也符合環保理念。