110kV構架單柱優化研究

郭后二，徐碩（安徽華電工程咨詢設計有限公司，安徽合肥230000）

110kV構架單柱優化研究

郭后二，徐碩（安徽華電工程咨詢設計有限公司，安徽合肥230000）

本文論述了傳統110kV出線構架優化成單柱構架聯合出線構架，論述內容包含了鋼管梁、柱的受力分析、截面選擇、連接方式、基礎形式及經濟指標。110kV出線構架采用單柱的聯合出線方式，比常規人字柱出線構架，加工安裝、施工難度小，并節省用地。

110kV；出線構架；單柱優化

引言

變電站作為電力系統的核心之一，在系統中起著變壓、分流的作用，是整個電力系統輸配電網絡的重要環節。變電站中的構架設計對設備的安全運行有重要的影響，因此，構架設計是變電站設計中的重點。在變電構支架中，傳統構件受力體系采用人字柱+桁架梁受力體系。這種結構施工難度大，效率低，不經濟。而采用鋼單柱+鋼管梁的結構形式，與常規鋼管人字柱構架結構比較，達到節省鋼材、節省占地、節省投資的目的，取得良好的經濟及社會效益。

1 變電站工程案例介紹

安徽亳州孫廟110kV變電站由安徽省電力公司投資建設，計劃于2017年開工，2018建成投運，本工程的建設有利于緩解利辛縣西部110kV電網的供電壓力，提高供電能力和供電可靠性，見表1。

表1 安徽亳州孫廟110kV變電站建設規模一覽表

2 變電構架結構鋼材的選用

本文從本工程變電構架的工作環境、理論規范、荷載特征等方面，結合材料性能，全面地研究變電構架結構鋼材的選用。本站110kV構架采用單列布置出線方案，110構架跨度為8m。每跨梁上均有雙回出線，通過分析計算構架梁柱應力均較大，采用Q345既滿足規范要求，有適當提高了鋼材強度，從而有效減少構架用鋼量。通過上文分析，結合站址水文氣象條件，不屬于腐蝕性氣態，不需要用采用耐候鋼，本工程變電構架結構鋼材采用Q345B級鋼材，是比較合適［1］。

3 110kV構架選型優化及分析計算

3.1 結構體系

構架采用單列出線布置方案。出線構架梁高度為11m，構架梁跨度8m、地線柱高度14m，避雷針高度分別為25m。本工程110kV構架推薦采用單鋼管柱及鋼管梁具有如下優勢：

（1）降低鋼材用量及基礎混凝土用量；

（2）構件數量大大減少，提高了現場組裝速度；

（3）構件重量減輕，降低了施工難度；

（4）外形簡潔、靚麗；

（5）110kV出線鋼管構架采用單鋼管柱方案，節省了占地面積。

3.2 設計荷載

作用于構架上的主要荷載有導線張力、垂直荷重、側向風壓等工藝荷載及結構自重荷載載、溫度作用、地震作用等。

3.2.1 導地線荷載

110kV出線構架導地線荷載如圖1所示。

圖1 110kV出線構架導地線荷載

3.2.2 風荷載

本工程選取利辛縣氣象站歷年實測最大風速資料進行統計計算，并進行綜合分析，確定設計最大風速的取值。利辛縣氣象站最大風速統計資料采用年限為1980～2012年，共33年觀測資料。經過計算得50年一遇離地10m高自記10min平均最大風速為23.5m/s，110kV出線構架風荷載如圖2所示。

圖2 110kV出線構架風荷載

3.2.3 溫度作用

根據利辛縣變電站水文氣象資料，并考慮設計的通用性，構架加工安裝按最冷或最熱季節考慮，正常運行溫差Δt=54.8℃。

3.2.4 地震作用

依據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010），站址所在地利辛縣的抗震設防烈度為Ⅶ度，設計基本地震加速度值為0.1g，設計地震分組第一組。根據過去的相關研究及工程經驗，在抗震設防烈度Ⅷ度及以下的Ⅰ～Ⅳ類場地，地震作用對構架的內力及截面選擇不起控制作用，且考慮到鋼管構架質量輕、地震作用小，因此，本文不進行構架的抗震計算。

3.3 結構計算

3.3.1 計算方式

本站構架擬采用國際通用的3D3S三維結構分析與設計軟件進行計算與分析。傳統的平面計算分析方法，不能直觀反映構件的真實的受力狀態，造成大量構件的強度未能充分發揮，而局部一些構件處于滿應力工作狀態，不僅結構用鋼量大，而且結構的整體安全度不高［2］。

特別是對本工程的110kV聯合鋼管構架，情況更是如此。采用空間分析方法，構件的計算內力更接近于其實際受力狀態，可以對所有的構件依照設定的控制指標進行滿應力設計，既保證了構架的整體安全度水平一致，又有效地節省鋼材，降低工程造價。

3.3.2 110kV出線單鋼管柱與人字柱構架比較分析

在不超過構架在正常使用狀態下的變形限值條件下，本站110kV出線鋼管構架采用單鋼管柱相對于人字柱構架不僅節約用鋼量和承臺混凝土量，而且單管柱相對于人字柱更節約占地面積，從而使整個配電裝置區布置更緊湊，方便電氣設備布置。且單鋼管柱構架安裝方便、美觀整潔。

母線構架、主變進線構架采用同樣的方法（3D3S）分析計算得出，母線構架柱、梁均采用Q345B，直徑273×6鋼管即可，主變進線構架柱，除35m避雷針下的構架柱采用拔梢500/ 400/10外，其余梁柱均采用直徑273×6鋼管即可。經計算整個110kV構架區用鋼量為30.5t，較傳統方案（人字柱+桁架梁）節省約22%。

4 其他部分優化設計

4.1 構架基礎選型

構架上部結構與基礎可以采用杯口插入或預埋地腳螺栓的連接方式，插入式杯口基礎通過現澆C30混凝土基礎，中間預留杯口，待構架柱定位完成后灌C35細石混凝土，并作保護帽，預埋地腳螺栓基礎采用現澆混凝土基礎，通過在基礎頂面預埋地腳螺栓的方式與構架柱底法蘭板連接固定，地腳螺栓采用“鋼板+槽鋼定位模具”定位，因其具有現場安裝方便、定位準確的優點。

在澆筑基礎時，以鋼管柱中心沿圓周等分布置十二個地腳螺栓，構架柱安裝后地腳螺栓分為外露和不外露兩種類型，外露時螺栓頂位于水平地面以上，方便安裝；不外露時，螺栓埋入土體中，外觀簡潔美觀。

4.2 法蘭的選型和應用

法蘭連接有剛性法蘭和柔性法蘭兩種形式，剛性法蘭就是在法蘭盤上設有加勁肋，厚度及高厚比需要滿足計算要求，且法蘭盤厚度較厚，從而在荷載作用下變形較小，其變形符合平截面假定；柔性法蘭的法蘭盤沒有加勁肋，且法蘭盤較剛性法蘭薄，荷載作用下法蘭盤變形較大，變形不符合平面假定，其特點是中間變形較大，邊緣相互頂緊，對法蘭連接螺栓產生一個附加的撬力。剛性法蘭節點可按剛性點處理，設計時處理較為簡單，且對單鋼管柱構架的變形控制具有優勢，通過對加勁法蘭的受力驗算，本工程鋼管構架梁、柱的聯結均采用剛性法蘭［3］。

4.3 60年使用壽命鋼結構分析

根據《國家電網公司輸變電工程提高使用壽命設計指導意見》（2012年1月）征求意見稿，新設計建設的輸變電工程建構筑物使用壽命要達到60年。所謂使用壽命，是指在正常設計、正常施工、正常使用和維護下能達到的年限。

為了達到此要求，基于新技術、新工藝、新材料，設計必須從設計參數、設計構造、鋼材性能、材料防腐、運行維護等方面作全面提升。

（1）根據60年使用壽命要求，對相關設計參數進行調整以用于結構計算。

（2）在結構設計時，改進結構構造形式，減少零部件的數量，選用抗銹能力強的截面，即截面面積與周長之比值較大的形式。

（3）根據氣象條件，研究鋼材的適用性。

（4）基于鋼結構長效防腐要求，研究采用熱浸鍍稀土鋁（鋅）合金防腐工藝。

（5）結構采用螺栓連接。

5 結論

本站110kV出線鋼管構架采用變（等）截面單鋼管柱，構架梁采用鋼管梁。相對于傳統人字柱構架不僅節約構架用鋼量和承臺混凝土工程量，而且單管柱相對于人字柱更節約占地面積。110kV構架采用單柱+鋼管梁方案較傳統的人字柱構架+格構式鋼梁相比，施工簡單，加工方便，同時節約鋼材。剛性法蘭節點可按剛性點處理，設計時處理較為簡單，且對單鋼管柱構架的變形控制具有優勢。本站鋼管構架梁、柱的聯結均采用剛性法蘭。

［1］劉素麗，陳傳新.750kV變電構架結構選型［J］.電力建設，2013，28（5）.

［2］海豫新.110kV及以下農網變電所設計中常易出現的問題及解決方案［J］.電氣技術，2011（06）.

［3］劉英喬，盧春城.對220kV城南變電所構支架設計的探討［J］.黑龍江交通科技，2012，12（04）.

TM711

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2095-2066（2016）30-0030-02

2016-10-10