郭后二，徐碩（安徽華電工程咨詢設(shè)計(jì)有限公司，安徽合肥230000）

110kV構(gòu)架單柱優(yōu)化研究

郭后二，徐碩（安徽華電工程咨詢設(shè)計(jì)有限公司，安徽合肥230000）

本文論述了傳統(tǒng)110kV出線構(gòu)架優(yōu)化成單柱構(gòu)架聯(lián)合出線構(gòu)架，論述內(nèi)容包含了鋼管梁、柱的受力分析、截面選擇、連接方式、基礎(chǔ)形式及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。110kV出線構(gòu)架采用單柱的聯(lián)合出線方式，比常規(guī)人字柱出線構(gòu)架，加工安裝、施工難度小，并節(jié)省用地。

110kV；出線構(gòu)架；單柱優(yōu)化

引言

變電站作為電力系統(tǒng)的核心之一，在系統(tǒng)中起著變壓、分流的作用，是整個(gè)電力系統(tǒng)輸配電網(wǎng)絡(luò)的重要環(huán)節(jié)。變電站中的構(gòu)架設(shè)計(jì)對設(shè)備的安全運(yùn)行有重要的影響，因此，構(gòu)架設(shè)計(jì)是變電站設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。在變電構(gòu)支架中，傳統(tǒng)構(gòu)件受力體系采用人字柱+桁架梁受力體系。這種結(jié)構(gòu)施工難度大，效率低，不經(jīng)濟(jì)。而采用鋼單柱+鋼管梁的結(jié)構(gòu)形式，與常規(guī)鋼管人字柱構(gòu)架結(jié)構(gòu)比較，達(dá)到節(jié)省鋼材、節(jié)省占地、節(jié)省投資的目的，取得良好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)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(shè)，計(jì)劃于2017年開工，2018建成投運(yùn)，本工程的建設(shè)有利于緩解利辛縣西部110kV電網(wǎng)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(shè)規(guī)模一覽表

2 變電構(gòu)架結(jié)構(gòu)鋼材的選用

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

3 110kV構(gòu)架選型優(yōu)化及分析計(jì)算

3.1 結(jié)構(gòu)體系

構(gòu)架采用單列出線布置方案。出線構(gòu)架梁高度為11m，構(gòu)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(gòu)架推薦采用單鋼管柱及鋼管梁具有如下優(yōu)勢：

（1）降低鋼材用量及基礎(chǔ)混凝土用量；

（2）構(gòu)件數(shù)量大大減少，提高了現(xiàn)場組裝速度；

（3）構(gòu)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(gòu)架采用單鋼管柱方案，節(jié)省了占地面積。

3.2 設(shè)計(jì)荷載

作用于構(gòu)架上的主要荷載有導(dǎo)線張力、垂直荷重、側(cè)向風(fēng)壓等工藝荷載及結(jié)構(gòu)自重荷載載、溫度作用、地震作用等。

3.2.1 導(dǎo)地線荷載

110kV出線構(gòu)架導(dǎo)地線荷載如圖1所示。

圖1 110kV出線構(gòu)架導(dǎo)地線荷載

3.2.2 風(fēng)荷載

本工程選取利辛縣氣象站歷年實(shí)測最大風(fēng)速資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，并進(jìn)行綜合分析，確定設(shè)計(jì)最大風(fēng)速的取值。利辛縣氣象站最大風(fēng)速統(tǒng)計(jì)資料采用年限為1980～2012年，共33年觀測資料。經(jīng)過計(jì)算得50年一遇離地10m高自記10min平均最大風(fēng)速為23.5m/s，110kV出線構(gòu)架風(fēng)荷載如圖2所示。

圖2 110kV出線構(gòu)架風(fēng)荷載

3.2.3 溫度作用

根據(jù)利辛縣變電站水文氣象資料，并考慮設(shè)計(jì)的通用性，構(gòu)架加工安裝按最冷或最熱季節(jié)考慮，正常運(yùn)行溫差Δt=54.8℃。

3.2.4 地震作用

依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010），站址所在地利辛縣的抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.1g，設(shè)計(jì)地震分組第一組。根據(jù)過去的相關(guān)研究及工程經(jīng)驗(yàn)，在抗震設(shè)防烈度Ⅷ度及以下的Ⅰ～Ⅳ類場地，地震作用對構(gòu)架的內(nèi)力及截面選擇不起控制作用，且考慮到鋼管構(gòu)架質(zhì)量輕、地震作用小，因此，本文不進(jìn)行構(gòu)架的抗震計(jì)算。

3.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.3.1 計(jì)算方式

本站構(gòu)架擬采用國際通用的3D3S三維結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行計(jì)算與分析。傳統(tǒng)的平面計(jì)算分析方法，不能直觀反映構(gòu)件的真實(shí)的受力狀態(tài)，造成大量構(gòu)件的強(qiáng)度未能充分發(fā)揮，而局部一些構(gòu)件處于滿應(yīng)力工作狀態(tài)，不僅結(jié)構(gòu)用鋼量大，而且結(jié)構(gòu)的整體安全度不高［2］。

特別是對本工程的110kV聯(lián)合鋼管構(gòu)架，情況更是如此。采用空間分析方法，構(gòu)件的計(jì)算內(nèi)力更接近于其實(shí)際受力狀態(tài)，可以對所有的構(gòu)件依照設(shè)定的控制指標(biāo)進(jìn)行滿應(yīng)力設(shè)計(jì)，既保證了構(gòu)架的整體安全度水平一致，又有效地節(jié)省鋼材，降低工程造價(jià)。

3.3.2 110kV出線單鋼管柱與人字柱構(gòu)架比較分析

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

母線構(gòu)架、主變進(jìn)線構(gòu)架采用同樣的方法（3D3S）分析計(jì)算得出，母線構(gòu)架柱、梁均采用Q345B，直徑273×6鋼管即可，主變進(jìn)線構(gòu)架柱，除35m避雷針下的構(gòu)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(jīng)計(jì)算整個(gè)110kV構(gòu)架區(qū)用鋼量為30.5t，較傳統(tǒng)方案（人字柱+桁架梁）節(jié)省約22%。

4 其他部分優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 構(gòu)架基礎(chǔ)選型

構(gòu)架上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)可以采用杯口插入或預(yù)埋地腳螺栓的連接方式，插入式杯口基礎(chǔ)通過現(xiàn)澆C30混凝土基礎(chǔ)，中間預(yù)留杯口，待構(gòu)架柱定位完成后灌C35細(xì)石混凝土，并作保護(hù)帽，預(yù)埋地腳螺栓基礎(chǔ)采用現(xiàn)澆混凝土基礎(chǔ)，通過在基礎(chǔ)頂面預(yù)埋地腳螺栓的方式與構(gòu)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(xiàn)場安裝方便、定位準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。

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

4.2 法蘭的選型和應(yīng)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(shè)有加勁肋，厚度及高厚比需要滿足計(jì)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(diǎn)是中間變形較大，邊緣相互頂緊，對法蘭連接螺栓產(chǎn)生一個(gè)附加的撬力。剛性法蘭節(jié)點(diǎn)可按剛性點(diǎn)處理，設(shè)計(jì)時(shí)處理較為簡單，且對單鋼管柱構(gòu)架的變形控制具有優(yōu)勢，通過對加勁法蘭的受力驗(yàn)算，本工程鋼管構(gòu)架梁、柱的聯(lián)結(jié)均采用剛性法蘭［3］。

4.3 60年使用壽命鋼結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)《國家電網(wǎng)公司輸變電工程提高使用壽命設(shè)計(jì)指導(dǎo)意見》（2012年1月）征求意見稿，新設(shè)計(jì)建設(shè)的輸變電工程建構(gòu)筑物使用壽命要達(dá)到60年。所謂使用壽命，是指在正常設(shè)計(jì)、正常施工、正常使用和維護(hù)下能達(dá)到的年限。

為了達(dá)到此要求，基于新技術(shù)、新工藝、新材料，設(shè)計(jì)必須從設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)計(jì)構(gòu)造、鋼材性能、材料防腐、運(yùn)行維護(hù)等方面作全面提升。

（1）根據(jù)60年使用壽命要求，對相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整以用于結(jié)構(gòu)計(jì)算。

（2）在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，改進(jìn)結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式，減少零部件的數(shù)量，選用抗銹能力強(qiáng)的截面，即截面面積與周長之比值較大的形式。

（3）根據(jù)氣象條件，研究鋼材的適用性。

（4）基于鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)采用螺栓連接。

5 結(jié)論

本站110kV出線鋼管構(gòu)架采用變（等）截面單鋼管柱，構(gòu)架梁采用鋼管梁。相對于傳統(tǒng)人字柱構(gòu)架不僅節(jié)約構(gòu)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(jié)約占地面積。110kV構(gòu)架采用單柱+鋼管梁方案較傳統(tǒng)的人字柱構(gòu)架+格構(gòu)式鋼梁相比，施工簡單，加工方便，同時(shí)節(jié)約鋼材。剛性法蘭節(jié)點(diǎn)可按剛性點(diǎn)處理，設(shè)計(jì)時(shí)處理較為簡單，且對單鋼管柱構(gòu)架的變形控制具有優(yōu)勢。本站鋼管構(gòu)架梁、柱的聯(lián)結(jié)均采用剛性法蘭。

［1］劉素麗，陳傳新.750kV變電構(gòu)架結(jié)構(gòu)選型［J］.電力建設(shè)，2013，28（5）.

［2］海豫新.110kV及以下農(nóng)網(wǎng)變電所設(shè)計(jì)中常易出現(xiàn)的問題及解決方案［J］.電氣技術(shù)，2011（06）.

［3］劉英喬，盧春城.對220kV城南變電所構(gòu)支架設(shè)計(jì)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