某變電站220kV雙層出線構架設計優化

趙李源，程春健，劉 碧

（1.中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢430071；2.湖北省華網電力工程有限公司，湖北 武漢430042；3.中南建筑設計院股份有限公司，湖北 武漢430071）

引言

隨著經濟建設的快速發展，同一地區的用電負荷也越來越大，因此常常造成新建變電站的出線規模不斷增加，但是變電站的占地面積指標卻又時長受限，為了解決二者之間的矛盾，達到既能滿足出線需求，又能盡可能降低變電站占地面積的目的，越來越多的變電站開始采用雙層出線構架的方案。

雙層出線構架有不連續設置的，也有兩跨連續或者三跨連續設置的，為了與站外終端塔相匹配，盡可能減小出線側導線偏角，就需要合理布置雙層出線構架的位置。同時為了盡可能降低工程建設成本，就需要選擇合適的構架結構形式，既能滿足受力和變形的要求，又能減少用鋼量和占地面積。

1 工程概況

該變電站位于云南省保山市隆陽區蒲縹鎮，站址原始地貌屬橫斷山系切割山地峽谷區，自然高程為1687m～1717m之間。本工程抗震設防烈度8度（0.17g），建筑場地類別為Ⅰ1類，設計基本風壓:W=0.43kN/m2。

220kV交流場采用敞開式布置，本期出線10回，遠期出線8回，出線間隔寬度為13m，上層出線構架掛線高度為16m，上層出線構架掛線高度為23m，220kV交流出線構架本期全部建成。

2 結構方案及優化

2.1 結構選型

500kV及以上變電構架通常采用焊接普通鋼管結構，該結構通常是由焊接普通鋼管人字柱和格構式鋼梁組成，加工工藝很成熟，生產廠家較多，占地面積小，節點數量少，構造簡單，加工和安裝較為方便，外形美觀[1]。

本變電站220kV交流出線構架為單排門型構架，部分間隔雙層出線，適宜采用鋼管人字柱和格構式鋼梁，有利于節省配電裝置場地占地面積。雙層出線構架優化前后的布置如圖1中方案一和方案二所示。

2.2 雙層構架布置及優化

根據電氣專業布置，本工程中220kV出線構架中僅第1跨和第3跨設置雙層出線，如圖1中方案一所示。考慮到采用23m高帶端撐人字柱后，一層構架僅一端設置端撐，對于構架縱向的側向力傳遞不是十分有利，與電氣和線路專業溝通后，可將雙層出線間隔設置在第2跨和第3跨，適當調整第2跨二層出線導線偏角，如圖1方案二所示。

2.3 構架幾何信息

220kV出線構架幾何信息如表1所示。

3 設計分析

3.1 計算模型

220kV出線構架采用通用有限元結構分析與設計軟件STAAD.Pro V8i建模并計算，構架梁（含弦桿和腹桿）、構架柱、支撐等均采用梁單元模擬，具體結構模型詳見圖1中方案一、方案二。

圖1 結構模型

3.2 荷載及組合

作用在構架上的荷載按其性質可分為以上三類:（1）永久荷載:如構架自重、固定的設備重及導線和絕緣子自重產生的垂直荷載和水平張力等；（2）可變荷載:如風荷載（構架風壓、導線側向風壓及其產生的水平張力）、冰荷載（結構覆冰荷載、導線和絕緣子上覆冰所產生的垂直及水平張力）、安裝及檢修時臨時性荷載、地震作用、溫度變化作用等；（3）偶然荷載:如短路電動力、驗算（稀有）風荷載及驗算（稀有）冰荷載[1-2]。

表2 出線側導線張力（大風工況）

風荷載根據《變電站建筑結構設計技術規程》（DL/T 5457-2012）規定按照構架高度分段計算，構架風振系數取1.0[2]，設計基本風壓:W=0.43kN/m2。

變電構架根據使用過程中在結構上可能同時出現的荷載，按承載能力極限狀態（U）和正常使用極限狀態（N）分別進行荷載組合，如表3所示。其中，承載能力極限狀態考慮大風運行、夏季或冬季安裝大風運行、地震工況上的基本組合；正常使用極限狀態考慮大風工況條件上的標準組合[2-4]。

表3 荷載組合

3.3 結構內力

220kV出線構架結構內力計算結果如表4所示:（1）兩種方案的構架柱應力比均控制在0.95以內，因此構架的承載力驗算均能滿足規范要求；（2）兩種方案中的人字柱內力均相差不大，無論是23m高人字柱還是16m高人字柱，由此可見二層出線間隔位置的調整并未影響構架中間段人字柱的內力；（3）方案一中的23m高端撐軸力較小，原因在于該端撐僅能分擔二層1榀構架的側向力，而未能有效分擔一層7連跨構架的側向力，進而導致一層構架的16m高端撐內力顯著偏大；（4）由于方案二通過調整二層構架間隔的布置，使得一層構架兩端具備同時設置端撐的條件，因此方案二的一層構架端撐在根開減小的情況上，內力和應力比仍大幅降低；（5）兩種方案的控制工況均為大風工況，因此在對構架進行計算分析時，在考慮了大風工況的情況上可以不用再考慮地震作用效應組合。

表4 構架柱內力對比

3.4 結構變形

根據《變電站建筑結構設計技術規程》（DL/T 5457-2012）中6.5.1條規定，人字柱平面內、平面外（帶端撐）的允許撓度為H/200，人字柱平面外（不帶端撐）的允許撓度為H/100[2]。構架柱的變形計算結果如表5所示:（1）兩種方案的變形均滿足規范要求；（2）兩種方案的平面內位移角相差無幾，但是方案二的平面外位移角相較方案一均較大幅度降低。

表5 構架柱柱頂變形對比

3.5 經濟性

兩種方案的總耗鋼量和間隔耗鋼量比較如表6所示，從中可以看出，方案二的耗鋼量相對較小，但是減小幅度并不是十分明顯。

兩種方案的單排構架占地長度和總占地長度如表6所示，與方案一相比，方案二的220kV配電裝置場地總占地長度可減小4.4m，考慮到220kV配電裝置場地寬度為68m，因此減少的占地面積為299.2m2。

4 結束語

通過以上分析可知:（1）與方案一相比，方案二的220kV出線構架的耗鋼量和占地面積均有不同程度的減小，構架的應力比和變形也相對更優，因此，今后變電站采用雙層構架出線且二層間隔數量不多時，盡量采用方案二的結構形式，即將二層間隔連續布置在構架中部。（2）方案一、二的計算結果表明220kV出線構架的控制工況均為大風工況，因此變電構架設計時若已考慮大風工況，可以不用再考慮地震作用效應組合，以便簡化荷載組合和計算。

表6 方案經濟性對比