黃忠華，高美金，胡宇鵬，程鵬

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，杭州310014；2.浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)工程研究所，杭州310058）

220 kV戶外GIS變電站垂直出線構(gòu)架方案優(yōu)化

黃忠華1，高美金1，胡宇鵬1，程鵬2

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，杭州310014；2.浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)工程研究所，杭州310058）

依托勤豐220 kV GIS變電站工程，設(shè)計了3種不同形式的垂直出線構(gòu)架方案，并從出線構(gòu)架的占地空間、施工情況、安全性、經(jīng)濟性等方面對3種方案進行對比，提出適合工程應(yīng)用的方案，達到既能滿足工藝要求、保證結(jié)構(gòu)安全可靠，又能節(jié)省占地、節(jié)約投資的目的。

GIS變電站；垂直出線構(gòu)架；方案

0 引言

隨著我國經(jīng)濟社會迅猛發(fā)展，電力輸送越來越重要，電網(wǎng)建設(shè)已經(jīng)進入了第三代智能電網(wǎng)階段[1]。各地的變電站越來越多，變電站占地的土地成本越來越高，如果能占用更少的土地，將會大大節(jié)約資源。傳統(tǒng)變電站由于絕緣要求電氣元件距離比較大，與之對應(yīng)的是傳統(tǒng)的水平出線方式，出線構(gòu)架采用門式排架體系，導(dǎo)線各相一字排開掛在框架橫梁下方，因此變電站的占地面積基本是由出線構(gòu)架尺寸決定的。隨著GIS（氣體絕緣組合電器）等新技術(shù)在變電站建設(shè)中的應(yīng)用，新一代智能變電站系統(tǒng)集成度高、結(jié)構(gòu)布局合理[2]。GIS變電站的電氣元件全部密封，元件之間的距離小，使得電氣元件占地面積減小。如果還是采用傳統(tǒng)的水平出線方式，變電站占地面積仍會受水平出線構(gòu)架的影響，就不能完全體現(xiàn)GIS占地面積小的優(yōu)勢，因此需尋求各種出線方式與出線構(gòu)架的優(yōu)化設(shè)計[3-5]。

以勤豐220 kV戶外GIS變電站工程為例，文獻[6]提出了垂直出線方式，各相導(dǎo)線豎向錯列，出線構(gòu)架由水平排列變?yōu)樗浇Y(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的平面出線方式相比，采用垂直出線方式后變電站圍墻內(nèi)占地面積減少20%，構(gòu)架用鋼量減少50 t，設(shè)備母線減少50 m，工程總投資節(jié)省160萬元。本文針對文獻[6]提出的垂直出線方式的構(gòu)架設(shè)計進一步優(yōu)化，設(shè)計了3種不同形式的垂直出線構(gòu)架方案，并從出線構(gòu)架的占地空間、施工情況、安全性、經(jīng)濟性等方面進行對比，提出適合本工程的優(yōu)化方案，達到既能滿足工藝要求、保證結(jié)構(gòu)安全可靠，又能節(jié)省占地、節(jié)約投資的目的。

1 工藝要求與技術(shù)參數(shù)

根據(jù)實際要求，220 kV戶外GIS變電站出線構(gòu)架的使用條件如下：水平檔距100 m，垂直檔距100 m，代表檔距100 m，轉(zhuǎn)角度數(shù)0°～15°，計算高度9 m。

220 kV垂直出線構(gòu)架俯視圖如圖1所示，具體參數(shù)如下：間隔寬度9 m，設(shè)備相間距離3 m，橫擔(dān)掛點水平距離3.8 m，橫擔(dān)掛點橫向距離3.5m，下層橫擔(dān)掛點高度9 m，中層橫擔(dān)掛點高度14 m，上層橫擔(dān)掛點高度19 m，地線橫擔(dān)高度24 m。

圖1220 kV垂直出線構(gòu)架布置

依據(jù)勤豐當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況給出了荷載條件，見表1。分別列出最大風(fēng)速、覆冰，最低檢修溫度、檢修等工況下以及安裝工況時導(dǎo)線、地線、絕緣子及金具的荷載。

220 kV垂直出線構(gòu)架設(shè)計中，考慮了8種不同的基本荷載工況：自重；最大風(fēng)速；覆冰；最低溫度；檢修；安裝；風(fēng)速10 m/s時構(gòu)件縱向風(fēng)荷載載；風(fēng)速10 m/s時構(gòu)件橫向構(gòu)件風(fēng)載。依據(jù)導(dǎo)線的設(shè)計條件，導(dǎo)線的轉(zhuǎn)角度數(shù)為0°～15°。水平荷載還需要增加導(dǎo)（地）線偏移角度15°時，導(dǎo)（地）線拉力帶來的水平荷載。

依據(jù)DL/T 5457-2012《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》[7]計算組合工況下構(gòu)件的最不利內(nèi)力，荷載分項系數(shù)與組合情況見表2。表中數(shù)據(jù)1.0、1.2、1.3、1.4為荷載分項系數(shù)，7.2為最大風(fēng)速下基本風(fēng)壓與10 m/s風(fēng)速下基本風(fēng)壓的比值。

表2 荷載組合工況

2 構(gòu)架方案對比

2.1 獨立柱方案

獨立柱方案如圖2所示。鋼材采用Q235，構(gòu)架由一根獨立的變截面懸臂柱為主受力結(jié)構(gòu)，截面采用十六邊形焊接鋼管，由下到上截面外輪廓尺寸變小。橫擔(dān)采用變截面的四邊形鋼管，橫擔(dān)向兩側(cè)錯位挑出，以滿足工藝技術(shù)參數(shù)要求。

圖2 獨立柱垂直出線構(gòu)架

采用國際通用的STAAD/CHINA空間桿系分析與設(shè)計軟件進行內(nèi)力分析，計算出構(gòu)件的最大內(nèi)力，依據(jù)《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》[7]和《變電構(gòu)架設(shè)計手冊》[8]進行截面選擇與驗算，兩文獻要求不同時以文獻[7]為準(zhǔn)。經(jīng)建模計算和優(yōu)化設(shè)計，構(gòu)件截面選取如表3。

表1 導(dǎo)線荷載

表3 獨立柱方案構(gòu)件截面選擇

2.2 角鋼格構(gòu)式塔架方案

角鋼格構(gòu)式塔架方案如圖3所示。鋼材采用Q345，構(gòu)架由角鋼格構(gòu)塔式結(jié)構(gòu)為主受力結(jié)構(gòu)，0～9 m為變截面部分，9 m以上為等截面結(jié)構(gòu)。底座尺寸3 m×3 m，9 m以上1.5 m×5 m。橫擔(dān)也采用變截面格構(gòu)式向兩側(cè)錯位挑出，以滿足受力技術(shù)參數(shù)要求。經(jīng)建模計算和優(yōu)化設(shè)計，構(gòu)件截面選取如表4。

圖3 格構(gòu)式垂直出線構(gòu)架布置

經(jīng)對比，獨立柱方案鋼材采用Q235鋼，格構(gòu)式塔架方案采用了強度更高的Q345鋼，這是因為《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》[7]對鋼管結(jié)構(gòu)的徑厚比要求很嚴(yán)格，Q235的鋼管徑厚比要求≤80，Q345的鋼管徑厚比要求≤66，這是由鋼管壁局部穩(wěn)定性能決定，高強鋼材的應(yīng)力高，結(jié)構(gòu)的剛度要求獨立柱的直徑不能過小，為使壁厚滿足規(guī)程[7]要求，采用高強鋼材Q345的柱就必須用更厚的管壁。

2.3 獨立柱加灌混凝土方案

表4 格構(gòu)式塔架方案構(gòu)件截面選擇

為了能在滿足規(guī)程[7]要求的情況下采用高強度鋼材，可采用鋼管中灌混凝土的方案。高強度鋼管中加灌了混凝土以后徑厚比限值就可以放寬到123，采用了高強度鋼材以后壁厚可以變薄，從而減小用鋼量。結(jié)構(gòu)形式仍然是獨立柱，構(gòu)架外形與獨立柱方案相同，如圖2所示。在0～9 m部分采用鋼管混凝土柱，鋼材采用Q345，徑厚比111，滿足Q345鋼管混凝土徑厚比≤123的要求。9 m以上仍采用空心鋼管，鋼材采用Q235（考慮上部柱不好灌注混凝土），9～19 m最大直徑775 mm，徑厚比為77.5，能夠滿足Q235鋼徑厚比≤80的要求。構(gòu)件截面選取如表5。

表5 獨立柱加灌混凝土方案構(gòu)件截面選擇

2.4 3種結(jié)構(gòu)方案對比

表6結(jié)合不同的項目對上述3種垂直出線構(gòu)架方案進行比較，可以看出：

（1）3種方案均能滿足規(guī)范規(guī)定的極限承載力要求，并都有10%左右的安全裕度。3種方案都能滿足規(guī)范規(guī)定的正常使用變形要求，格構(gòu)式塔架方案剛度最大，變形最小，在變形控制方面比較保守；獨立柱方案剛度最小，變形最大；獨立柱加灌混凝土方案剛度要好于獨立柱方案，變形也較小。

（2）格構(gòu)式塔架最節(jié)省鋼材，經(jīng)濟性最好，比獨立柱方案節(jié)省0.86萬元，但施工略顯復(fù)雜，占地面積過大，與塔架邊上的導(dǎo)線支座距離過小，會導(dǎo)致導(dǎo)線與塔架的距離不滿足要求。

（3）獨立柱加灌混凝土方案比原Q235獨立柱方案節(jié)省鋼材0.9 t，增加混凝土5.5 m3，總體費用節(jié)省0.36萬元左右，但增加了加灌混凝土施工程序，在施工條件不好的區(qū)域，會增加施工難度。

（4）Q235鋼獨立柱方案雖然經(jīng)濟性最差，但可以滿足規(guī)范的強度和變形要求；占地面積小，容易滿足導(dǎo)線與結(jié)構(gòu)距離的要求；施工簡單。

表6220 kV垂直出線構(gòu)架方案比較

3 結(jié)論

本文通過對比3種220 kV垂直出線構(gòu)架方案，得出如下結(jié)論。

格構(gòu)式塔架雖然節(jié)省一些鋼材，但占地面積過大，可能導(dǎo)致導(dǎo)線與塔架的距離不滿足要求。獨立柱加灌混凝土的方案具有一定的經(jīng)濟性，但增加了加灌混凝土工序，在施工條件不好的區(qū)域，增加了施工的復(fù)雜性。獨立柱方案雖然經(jīng)濟性略差，但可以滿足規(guī)范的強度和變形要求；占地面積小，容易滿足導(dǎo)線與結(jié)構(gòu)距離的要求；而且施工簡單，便于在各種施工條件下施工。因此，獨立柱的垂直出線構(gòu)架是一種值得推廣的方案。在施工條件較好的區(qū)域，獨立柱加灌混凝土方案也是不錯的選擇。

[1]周孝信，陳樹勇，魯宗相.電網(wǎng)和電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的回顧與展望—試論三代電網(wǎng)[J].中國電機工程學(xué)報，2013，33（22）∶1-11.

[2]史京楠，胡君慧，黃寶瑩，等.新一代智能變電站平面布置優(yōu)化設(shè)計[J].電力建設(shè)，2014，35（4）∶31-37.

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[6]高美金，高亞棟，陳飛，等.戶外GIS設(shè)備架空垂直出線方式的研究與應(yīng)用[J].浙江電力，2014，33（11）∶58-61.

[7]電力規(guī)劃設(shè)計總院.DL/T 5457-2012變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國計劃出版社，2012.

[8]中南電力設(shè)計院.《變電構(gòu)架設(shè)計手冊》[M].武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

（本文編輯：方明霞）

Structural Scheme Optimization of Vertical Outlet Framework in 220 kV Outdoor GIS Substation

HUANG Zhonghua1，GAO Meijin1，HU Yupeng1，CHENG Peng2
（1.State Grid Zhejiang Economy Research Institute，Hangzhou 310014，China；
2.Institute of Structural Engineering of Zhejiang University，Hangzhou 310058，China）

There are three different design schemes of vertical outlet framework for 220 kV Qinfeng GIS substation project.The three schemes are compared in terms of space，construction，safety and economical efficiency.The paper presents a scheme applicable to engineering practice to meet technological requirements, guarantee structural safety，save space and reduce investment.

GIS substation；vertical outlet framework；scheme

TM752

：B

：1007-1881（2016）02-0036-04

2015-11-10

黃忠華（1973），男，高級工程師、一級注冊結(jié)構(gòu)師，主要從事變電土建設(shè)計和管理工作。