變電站變電構架設計初探

李 朋

(秦皇島福電電力設計有限公司，河北 秦皇島 066000)

變電站變電構架設計初探

李 朋

(秦皇島福電電力設計有限公司，河北 秦皇島 066000)

結合某220 kV變電站工程建設實例，對變電構架設計特點及荷載選取進行了論述，為滿足不具備大型計算軟件的中小設計院工程設計的實際需求，將變電構架空間結構簡化為平面結構，采用手算加簡單力學軟件計算的方式進行220 kV變電構架的結構計算及設計，以供參考。

變電構架，結構計算，人字柱，構架橫梁

1 工程概況及變電構架設計特點

某220 kV戶外型變電站，220 kV進線構架采用10跨連續構架，構架橫梁跨度13 m，導線安裝高度14.50 m，地線柱高4 m，地線掛線點高度18.50 m，構架避雷針全高30 m，平面外計算時偏角按15°考慮，構架布置見圖1。

變電構架以承受水平方向荷載為主，水平荷載是導、地線的水平張力，其次是側向風力。導、地線水平張力大小與弧垂、檔距、導線及金具自重、覆冰情況、氣象情況和安裝工況有關。隨溫度變化導線弧垂不同，故在導線型號和檔距相同的情況下，氣象條件不同導線的張力也不相同。變電構架的受力特點決定了其計算方法與一般建(構)筑物設計不同，變電架構屬于典型的空間桿系結構，根據連接節點的構造特點，在平面內和平面外采用不同的計算模型，由于構架的特點是柱身細高而截面較小，屬于大柔度結構，其允許撓度較一般結構大。

進出線構架外側的導線，由于變電站設計時，各回路進出線終端塔位置和導線型號尚未確定，各回路終端塔位置相差很大，偏角大小不同，導線懸掛點高低不一，由于負荷不同，導線型號差別也很大，該檔是按照最大使用張力設計，導線最大使用張力9 kN，地線最大使用張力4 kN。進出線構架內側的導線張力，包括母線構架的導線張力，是由其最大允許弧垂和導線是否上人檢修等條件控制，中間構架由于兩側檔距不同，當弧垂相同時張力相差較大，故將檔距較大一側按最大允許弧垂計算導線張力，將檔距較小一側弧垂減小以提高導線張力，使構架兩側張力相同，設計時對此種構架采用等張力方法設計。

2 設計工況及荷載資料

變電構架設計條件分為承載能力極限狀態和正常使用極限狀態。承載能力極限狀態設計按照運行工況、安裝工況、檢修工況進行強度設計，其中運行工況又分為最大覆冰、最大風速、最低氣溫三種工況；正常使用極限狀態設計采用安裝工況設計，對變形進行荷載校驗。橫梁自重按1.2 kN/m計算，出線垂直荷載2.4 kN，導線荷載資料見表1。

表1 導線荷載資料

兩端設有剛性支撐、總長超過150 m的連續排架，或總長度超過100 m的連續鋼架，應計算溫度作用效應的影響，本工程變電構架總長度小于150 m，故不計算溫度作用效應的影響。

3 平面簡化計算模型

構架橫梁一般采用格構式結構，常用斷面形狀有三角形和矩形兩種，三角形斷面橫梁主材一般采用角鋼、鋼管，斜材采用角鋼、圓鋼。三角橫梁為空間結構，為簡化計算可按平面桁架計算桿件內力，構架橫梁荷載一般不大，桁架平面內的桿件截面高度與其幾何長度之比不大于規范要求數值，計算時可不考慮節點剛性引起的次彎矩，假定節點鉸接即可滿足計算精度。

人字柱通常由鋼筋混凝土環形桿或鋼管桿組成，當柱腳與基礎連接采用杯口插入式，可以假定基礎固接，當柱腳與基礎采用螺栓連接，根據不同的構造情況，可以為固接或鉸接；柱頭兩桿采用節點板拼接，中間設置剪力板，剛度很大，一般簡化為剛接。

橫梁與人字柱連接根據節點形式采用剛接或鉸接，當橫梁與人字柱采用剛性連接時，應采用門形鋼架計算。

4 橫梁設計及計算

根據電氣互提荷載情況，選取檢修工況(單相上人)進行承載能力極限狀態內力分析，選取安裝工況進行正常使用極限狀態內力分析。計算不考慮架設及移換導線時產生的過牽引力，該力由施工單位采用適當的安裝方式和措施加以解決。內力分析計算按考慮主變進線側單側掛線核算水平力時橫梁材料強度，按考慮主變進線側掛線及出線側雙側掛線核算垂直力時梁材料強度。梁荷載布置圖見圖2。橫梁采用三角形格構式桁架，正向放置，梁單線展開圖見圖3。

4.1 上、下弦桿計算

上、下弦桿均采用φ102×6 鋼管，A=18.10 cm2，L=160 cm，i=3.40 cm。

λ=L/i=160/3.40=47<[λ]=150，b類截面，查《變電構架設計手冊》附錄表A-4得φ=0.870。

上弦桿：

下弦桿：

4.2 斜材計算

水平和垂直斜材采用角鋼L70×8，A=10.67cm2，i=1.37cm。

水平斜材：

λ=L/i=113.1/1.37=82.6<[λ]=150，查《變電構架設計手冊》附錄表A-4得φ=0.670(b類)。

垂直斜材：

λ=L/i=120/1.37=87.6<[λ] =150 查得φ=0.638(b類)。

4.3 橫梁撓度計算

滿足要求。

5 人字柱構架計算

人字柱平面內按八字形鋼架計算，鋼架結構對稱，作用于對稱結構上的任意荷載，都可以分為對稱荷載和反對稱荷載兩部分分別計算，在對稱荷載作用下，變形對稱，彎矩圖和軸力圖對稱，剪力圖是反對稱的，在反對稱荷載作用下，變形是反對稱的，彎矩圖和軸力圖是反對稱的，剪力圖是對稱的，利用結構的這個性質，可取半跨結構進行計算。

人字柱采用《結構力學求解器》軟件計算，內力組合后計算結果見表2。

表2 內力組合值

局部穩定采用：D/t≤100(235/fy)。

人字柱采用φ325×8 鋼管桿，經計算內力滿足強度及穩定性要求。

6 結語

變電構架是整個輸變電系統的重要組成部分，其結構設計是否安全關系到整個電網的運行安全。因此應全面仔細分析變電構架的結構形式，認真考慮工程實際中發生的各種工況。本文給出根據模型簡化后的實際手算及簡單軟件計算結果，以供參考。隨著計算軟件的普及，大型設計院對變電構架的靜力分析基本都通過軟件完成，而對于中小型設計院，由于技術及經濟原因不具備大型軟件計算條件，以上過程可供參考。

[1] 陳 影.人字柱變電構架計算[J].電力勘測設計，2008(8)：62-65.

[2]DL/T5457-2012，變電站建筑結構設計技術規程[S].

[3]GB50017-2003，鋼結構設計規范[S].

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[5] 龍馭球，包世華.結構力學[M].北京：高等教育出版社，1994.

[6] 龍馭球，包世華.結構力學求解器[M].北京：高等教育出版社，1994.

[7] 盧海陸.變電構架高架柱與人字柱連接節點受力性能試驗研究[D].西安：西安建筑科技大學，2011.

Transformer truss design of substation

LI Peng

(QinhuangdaoFudianElectricPowerDesignLimitedCompany,Qinhuangdao066000,China)

The substation transformer truss design features and load selection were discussed, combined with the construction of a 220 kV substation. To meet the actual needs of the project and the design institute does not have large calculation software, simplify the substation frame space structure is a plane structure, by hand and simple mechanical calculation mode structure of 220 kV substation framework analysis and design, so as to reference.

transformer truss， structure calculation， herringbone column， structure beams

1009-6825(2014)34-0055-03

2014-09-21

李 朋(1981- )，男，工程師

TU318

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