變電構架結構設計概述及優化

于 瑩，張 航

(1.吉林建筑科技學院，吉林 長春 130114; 2.中國石油撫順石化公司熱電廠，遼寧 撫順 113004)

我國經濟建設中，大量的能源消耗對基礎建設提出了更高要求，而電能的大量輸送顯得更為迫切。變電站構架作為電力能源傳輸的基本通道，是電力產業傳輸的重要支柱。作為既要承受自重、風荷載、地震作用等基本荷載，又要承受裹冰荷載以及導(地)線荷載等特殊荷載的高聳結構，安全可靠的結構設計、合理的傳力途徑、反復調整出最優方案成為變電站構架的結構設計重點。

1 變電站構架的結構選型

1.1 材料及截面的選取

為實現國家電力工程所倡導的“兩型三新一化”理念，變電架構的結構設計應積極考慮在通用設計基礎上采用“新材料、新技術、新工藝”，在確保結構安全前提下，減少占地面積，降低建造成本。變電站構架結構按材料分主要有混凝土結構和鋼結構2類，混凝土變電站構架主要應用在220 kV以下等級的變電站中；220 kV及以上等級的變電站構架多采用鋼結構；而500 kV及以上的交直流工程中則均采用鋼結構構架[1]。由于鋼結構強度高、自重輕、抗震性能好、加工方便、速度快，比起混凝土結構更加節能環保，故得到了廣泛應用[2]。

1.2 空間結構形式的選取

a.焊接鋼管人字柱結構：此構架結構為由鋼管焊接成人字形柱，橫梁多采用格構式三角桁架與梁鉸接相連。

b.高強度鋼管梁柱結構：此構架結構梁、柱均采用強度等級為Q460的多邊形高強度鋼管，梁柱連接方式主要以剛接為主[4]。

c.鋼筋混凝土環形桿結構：此構架結構形式主要由鋼筋混凝土或預應力混凝土建造，施工受氣候天氣等影響較大，需根據不同自然條件和需求進行設計，可靠性相對于其他構架較低，現已應用不多。

d.格構式桿塔結構：此構架結構多采用鋼管進行主體焊接，高強度角鋼作為肋條加強，使結構成為承載力及可靠度均較高的不變體系，由于其能夠承載較大負荷的優勢明顯，近年在我國運用較多。

本文選取了一個220 kV開關站出線構架模型對變電構架結構設計進行討論，模型(見圖1)及條件(見表1—表3)如下。

圖1 變電構架模型示意圖

表2 變電構架導線和地線工藝荷載 kN

表3 場地條件

2 各種荷載對變電站構架結構設計的影響

作用在變電構架上的荷載主要由以下3類組成：

a.永久荷載：構架自重、導線及絕緣子自重、固定設備等產生的荷載。

b.可變荷載：作用在構架和導線上的風荷載、裹冰荷載、地震作用、檢修荷載以及溫度變化所產生的熱脹冷縮。

矩陣理論在線性代數中的應用，遠不止于此。但是，矩陣，線性方程組和向量組之間的轉化是同濟大學第六版教材的精華之處，另辟蹊徑。尤其在后面章節，向量組的線性相關性一節，更是把三者之間的互助轉化用到極致。如，向量組線性相關，等價于齊次線性方程組有非零解，等價于向量組的秩小于向量組中向量的個數。因此，教師和學生在學習中，充分體會這一聯系，達到理想的教學和學習效果。

c.偶然荷載：短路產生的電動力及其他在設計基準期內不一定出現，一旦出現會產生巨大破壞力的荷載。

下面選取3項對變電構架影響較大的荷載類別進行模擬，以分析其對變電構架帶來的影響。

2.1 風荷載對變電構架的影響

此處所提及的風荷載為作用在構架上的風荷載，作用在導線上的風荷載在導線荷載中體現。其計算方法及參數取值與GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》相同。圖2為構架風荷載布置圖。

圖2 構架風荷載布置

由圖3可以看出，構架的變形主要來自相對透風率較小的橫梁以及橫梁對其支座——鋼結構人字柱的拉扯。梁、柱節點可靠及橫梁足夠的剛度是抵抗風荷載的重點。

圖3 風荷載在最不利工況下構架變形

2.2 地震作用對變電構架的影響

地震導致塔架破壞的情況時有發生，在塔架設計時對地震進行驗算及分析十分必要。在塔架計算中需要特殊注意的是地震驗算時2個主軸方向均應考慮。構架與導線相連接，其組成體系具有空間耦合的動力響應并表現出明顯的幾何非線性特性[5]，地震計算較為復雜，尤其在考慮基礎設計時應把重點放在水平荷載，在考慮能量輸入的同時也應考慮基礎與土的共同作用。圖4為地震作用下最不利工況的構架變形圖。

圖4 地震作用下最不利工況的構架變形

2.3 導(地)線荷載對變電構架的影響

導(地)線荷載是指在掛點產生的垂直荷載、側向風壓和水平張力。其荷載來源主要是導線上的風荷載、溫度變化、裹冰荷載和檢修荷載。此荷載是變電構架特有的荷載，也是構架的主要荷載。圖5為導(地)線荷載加載點位圖，圖6為導(地)線荷載在最不利工況下構架變形圖。通過圖形資料可以看出，導(地)線荷載對構架結構的影響是不可忽視的，也是構架結構破壞的一個主要原因，是決定節點、構架剛度的重要因素。

(a)導線荷載加載點

(b)地線荷載加載點圖5 導(地)線荷載加載點位

圖6 導(地)線荷載在最不利工況下構架變形

2.4 荷載組合

在單項荷載計算時，對變電構架的各項荷載取值均為相應規范規定年限的重現期統計計算數值，這些荷載可以出現在任何時刻，但是，這么多的荷載同時以最大值出現的可能性很小，故在設計時要對荷載進行組合。圖7及圖8為不同荷載組合下構架變形圖。

圖7 荷載組合1構架變形

圖8 荷載組合2構架變形

3 基礎設計

變電構架的基礎主要采用獨立基礎或樁基礎通過法蘭盤與上部結構相連接。通過某節點支座反力分析可以發現：其豎向負荷較小，水平荷載較大，故在設計基礎截面及配筋時，應重點關注風荷載、地震作用、導(地)線荷載所產生的剪力及彎矩帶來的基礎傾覆問題。

4 優化過程

變電構架的設計是多元化的，需要根據不同的地理環境、使用要求、電壓等級、節約土地資源等限定條件反復設計、優化，最終調試出安全可靠、功能齊全、方便使用、占地面積相對較小、最為合理的結構選型。本文案例中通過反復計算及優化得出最終桿件應力比分布見圖9，主要桿件的應力比集中在0.7～0.8，可以認為此設計較為合理。

圖9 桿件應力比分布

5 結論

a.經過有限元軟件進行的整體分析可以得出該結構案例受力較好，內力、應力比、變形均滿足設計規范及規程的要求。

b.根據限定條件選擇合理的變電構架形式，能夠使工藝要求的滿足度、結構的安全可靠度、建造經濟性均得到較好的收益。

c.變電構架獨有的受力特性和荷載種類直接影響著變電構架的選型、截面、基礎等設計，這就要求在變電構架設計中應力求荷載取值及荷載組合的準確性，保證無錯項、無漏項。

d.設計時帶入優化理念，往往可以得到傳力路徑更為明確、受力更為合理、成本更為節約的變電構架。

e.變電構架結構設計的準確優質對輸發電乃至整個變電站系統建設有著不可忽視的影響，合理的結構設計方案可以獲得經濟、安全、使用便利等多方面的效益，運用優化思維使變電構架設計更加完善是電力建設不可忽視的方向。