焦 紅 ，程 劍 ，張 斌 ，趙洪遠(yuǎn) ，楊旭方

（1.國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095；2.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001；3.山東送變電工程公司，山東 濟(jì)南 250022；4.國網(wǎng)山東省電力公司濰坊供電公司，山東 濰坊 261021）

·特高壓技術(shù)·

1 000 kV變電站高抗回路抗震設(shè)計(jì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

焦 紅1，程 劍2，張 斌3，趙洪遠(yuǎn)4，楊旭方1

（1.國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095；2.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001；3.山東送變電工程公司，山東 濟(jì)南 250022；4.國網(wǎng)山東省電力公司濰坊供電公司，山東 濰坊 261021）

濰坊1 000 kV變電站是迄今為止所有特高壓變電站中抗震等級最高的變電站。對濰坊1 000 kV變電站高抗回路抗震設(shè)計(jì)方案進(jìn)行深入探討，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)兩方面分析方案優(yōu)劣性和可行性，以積累總結(jié)抗震示范典型經(jīng)驗(yàn)，為其他類似工程優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

特高壓；抗震設(shè)計(jì)；技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

0 引言

隨著社會對電網(wǎng)容量需求的不斷提高，長距離、大容量、高電壓輸電逐漸成為電網(wǎng)的發(fā)展趨勢。榆橫—濰坊特高壓交流輸變電工程是國家大氣污染防治行動計(jì)劃“四交四直”特高壓工程中第5條獲得核準(zhǔn)開工的輸電通道，是華北特高壓交直流主網(wǎng)架的重要組成部分。建設(shè)榆橫—濰坊特高壓交流輸變電工程（以下簡稱榆橫—濰坊工程），對于推動陜北、晉中煤炭基地發(fā)展，提高煤炭、發(fā)電行業(yè)的集約化發(fā)展，滿足京津冀魯?shù)貐^(qū)用電負(fù)荷增長需求，落實(shí)國家大氣污染防治行動計(jì)劃，改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，具有重要意義。

濰坊1 000 kV變電站新建工程站址位于山東省濰坊市以南40 km的昌樂縣紅河鎮(zhèn)，占地13.92 hm2（圍墻內(nèi)占地11.67 hm2）。濰坊站是迄今為止所有特高壓變電站中抗震等級最高的變電站。站址處于鄌郚葛溝大斷裂帶與安丘莒縣大斷裂帶之間，西側(cè)距離鄌郚葛溝大斷裂帶僅5 km，電氣設(shè)施按9度進(jìn)行抗震設(shè)防，工程中首次采用110 kV匯流母線懸吊式管型分支母線、110 kV電抗器低位布置等世界上最先進(jìn)的抗震措施，主變、高抗、避雷器、CVT等電氣設(shè)備采用減震、隔震新抗震技術(shù)措施。

選取濰坊站高抗回路進(jìn)行抗震性能分析，提出支持管母與懸吊管母兩種方案并進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，提出適合于本站的推薦方案。

1 高抗回路布置方案

1.1 支持管母方案

在皖東電東送工程及浙北—福州輸變電工程中1 000 kV高抗配電裝置采用敞開式設(shè)備，根據(jù)過電壓計(jì)算研究，高抗回路在不考慮高抗退出的情況下，出線回路與高抗回路共用1組避雷器可以滿足過電壓的保護(hù)要求。因此將出線回路和高抗回路設(shè)1組避雷器。

同時(shí)高抗AIS回路取消敞開式接地開關(guān)，檢修時(shí)可利用GIS內(nèi)部出線快速接地開關(guān)接地并配合掛接地線的方式。

綜合考慮設(shè)備的抗震性能、運(yùn)行條件下的設(shè)備受力、金具制造、施工的難度以及美觀度等因素，1 000 kV高抗回路設(shè)備連接采用硬連接，選用鋁管母線D200/D180。1 000 kV高抗回路采用抗震性能較好、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)成熟的“四元件”方案，系統(tǒng)由GIS套管、避雷器、電壓互感器和高抗套管組成［1］。采用“四元件”方案的高抗回路斷面圖如圖1所示。其中避雷器與管母線采用固定連接金具，電壓互感器和管母線的連接采用滑動連接金具，高抗套管與回路管母線采用軟導(dǎo)線連接。

圖1 高抗回路斷面圖（四元件方案）

高抗回路系統(tǒng)中，按電壓互感器與高抗套管間距分別為4 m和5 m兩種情況進(jìn)行抗震計(jì)算。

1）電壓互感器與高抗套管間距為4 m，計(jì)算模型如圖2所示。模型中支架主材Φ194mm×12mm，輔材Φ83 mm×5mm。設(shè)備間距8.5m，管母線中心距地高度18.5mm。

計(jì)算結(jié)果。大風(fēng)工況分析結(jié)果，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行Y向大風(fēng)工況下的力學(xué)性能分析，結(jié)果如表1所示。

地震工況分析結(jié)果。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行X和Y向地震工況下的力學(xué)性能分析，地震組合工況為1.0自重+0.25大風(fēng)+1.0地震荷載，結(jié)果如表2、表3、表4所示。

圖2 計(jì)算模型（間距4 m）

表1 大風(fēng)工況Y向分析結(jié)果

表2 地震工況X向分析結(jié)果

表3 地震工況Y向分析結(jié)果

表4 X地震作用下管母滑動金具的滑動范圍 mm

設(shè)備最小安全系數(shù)為0.96，不滿足規(guī)范要求；通過多次特高壓電氣設(shè)備減震試驗(yàn)，加裝減震器后設(shè)備的減震效率為50%～80%，保守按照50%的減震效率計(jì)算，設(shè)備加裝減震器后的最小安全系數(shù)為1.92，滿足規(guī)范不小于1.67的要求［2］。

高抗回路管母線相對于高抗設(shè)備頂端位移保守計(jì)算為450 mm，重力作用下互感器端懸臂管母線豎向位移為26.56 mm。

2）電壓互感器與高抗套管間距為5 m，計(jì)算模型如圖3所示。模型中支架主材Φ194 mm×12 mm，輔材Φ83 mm×5 mm。設(shè)備間距8.5 m，管母線中心距地高度18.5 mm。

圖3 計(jì)算模型（間距5 m）

計(jì)算結(jié)果。大風(fēng)工況分析結(jié)果，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行Y向大風(fēng)工況下的力學(xué)性能分析，結(jié)果如表5所示。

表5 大風(fēng)工況Y向分析結(jié)果

地震工況分析結(jié)果。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行X和Y向地震工況下的力學(xué)性能分析，地震組合工況為1.0自重+0.25大風(fēng)+1.0地震荷載，結(jié)果如表6、表7、表8所示。

表6 地震工況X向分析結(jié)果

表7 地震工況Y向分析結(jié)果

表8 地震作用下X向管母滑動金具滑動范圍 mm

設(shè)備最小安全系數(shù)為0.94，不滿足規(guī)范要求；通過多次特高壓電氣設(shè)備減震試驗(yàn)，加裝減震器后設(shè)備的減震效率為50%～80%，保守按照50%的減震效率計(jì)算，設(shè)備加裝減震器后的最小安全系數(shù)為1.88，滿足規(guī)范不小于1.67的要求［2］。

高抗回路管母線相對于高抗設(shè)備頂端位移保守計(jì)算為450 mm，懸臂5.5 m的互感器端管母線豎直位移為45.9 mm。

由抗震計(jì)算結(jié)果可知，電壓互感器與高抗套管間距分別為4 m和5 m兩種情況均能滿足濰坊站地震水平加速度0.486 g的抗震要求。

若電壓互感器與高抗套管間距為4 m，由于濰坊站的1 000 kV CVT為西容產(chǎn)品，高抗1 000 kV套管為ABB套管，高抗套管均壓環(huán)與CVT底部金屬法蘭的距離在滿足相地距離7 500 mm的基礎(chǔ)上僅有650 mm的裕度，高抗套管金屬帶電部分與CVT底部金屬法蘭的距離在滿足相地距離7 500 mm的基礎(chǔ)上有240 mm的裕度。經(jīng)調(diào)研，高抗套管均壓環(huán)與CVT底部金屬法蘭的距離太近會影響CVT電磁測量單元的測量精度，又為了能對抗震有利，故目前暫按電壓互感器與高抗套管間距為4.5 m設(shè)計(jì)。高抗套管均壓環(huán)與CVT底部金屬法蘭的距離在滿足相地距離7 500 mm的基礎(chǔ)上有850 mm的裕度，高抗套管金屬帶電部分與CVT底部金屬法蘭的距離在滿足相地距離7 500 mm的基礎(chǔ)上有470 mm的裕度［3］。

1.2 懸吊管母方案

1 000 kV高抗回路由四元件組成，以往設(shè)備間采用管母連接，由于管母線較長，硬度大，地震時(shí)設(shè)備之間會有相互的作用力，另外常規(guī)布置高抗中性點(diǎn)采用支撐管母方案，同時(shí)防火墻對支撐管母還有放大作用，在地震時(shí)容易損壞。

因此提出優(yōu)化高抗回路四元件的連接方式，優(yōu)化后在高抗附近出線側(cè)增加了構(gòu)架，高抗回路采用懸吊管母方案。GIS套管、高抗套管與懸吊管母采用多分裂導(dǎo)線連接，為滿足管母撓度，避雷器、CVT分別T接到GIS套管和高抗套管與懸吊管母的引接線上［4］。在出線構(gòu)架懸挑梁上設(shè)置中性跨線，采用軟母線連接，可以較好地滿足抗震要求。

采用此懸吊管母方案可以通過降低電壓互感器高度或者將高抗向西移動的方案解決電壓互感器與高抗套管距離近，相互之間有電磁干擾的問題，經(jīng)與水工專業(yè)人員核實(shí)，高抗可以向西移動4 m，電壓互感器與高抗套管距離可達(dá)到8 m。

采用此懸吊管母方案可以滿足抗震要求，但是存在以下幾方面問題。

1）懸吊管母方案與支撐管母方案相比，設(shè)備最小安全系數(shù)僅提高5%，即設(shè)備最小安全系數(shù)為2.0左右。2）根據(jù)特高壓實(shí)驗(yàn)示范工程計(jì)算結(jié)果，為滿足過電壓要求，避雷器和高抗套管之間的距離不宜超過12 m，避雷器和CVT之間的距離不宜超過32 m［5］。但采用懸吊管母后，避雷器和高抗套管之間的距離至少為48 m，避雷器和CVT之間的距離超過50 m，均不滿足過電壓要求。需要在高抗套管和CVT附近增加一組避雷器，布置方式、連接方式也均有變化，必然會有1個(gè)設(shè)備在懸吊管母中間T接，管母撓度不能滿足要求，且需要向1 000 kV出線方向多增加占地6.5 m，新增征地約2968.15 m2。3）新增出線架構(gòu)基礎(chǔ)需要與高抗防火墻以及中性點(diǎn)小抗基礎(chǔ)整體澆鑄。上部結(jié)構(gòu)通過基礎(chǔ)相互影響，基礎(chǔ)受力情況復(fù)雜。4）構(gòu)架柱須伸出一段橫擔(dān)來掛線，且單側(cè)受力，構(gòu)架柱將承受較大的扭矩，對于格構(gòu)式結(jié)構(gòu)來說受力不合理。5）由于濟(jì)南一線、濟(jì)南二線、遠(yuǎn)景棗莊一線的出線架構(gòu)為三跨連續(xù)梁，本期需建設(shè)棗莊一線的出線架構(gòu)（若本期不建設(shè)，遠(yuǎn)景擴(kuò)建時(shí)不滿足帶電安裝架構(gòu)的要求）。棗莊一線作為遠(yuǎn)景出線，因1臺高抗、小抗基礎(chǔ)與構(gòu)架基礎(chǔ)整體澆注，需本期建設(shè)底板，而上部基礎(chǔ)由于設(shè)備外形未知只能遠(yuǎn)期建設(shè)。與此同時(shí)，高抗1面防火墻距離構(gòu)架柱不足1.5 m，若按遠(yuǎn)景建設(shè)考慮造成施工不便，而如果本期建設(shè)則位置、高度、寬度均不可知，影響遠(yuǎn)期擴(kuò)建。6）出線構(gòu)架由1排變?yōu)?排，用鋼量增加較多。7）高抗中性點(diǎn)引上線在大風(fēng)工況下很難同時(shí)滿足與高抗套管7 500 mm以及與高抗油枕1 800 mm的要求，若采用懸吊管母方案，需要高抗廠家將油枕與高抗本體的距離拉遠(yuǎn)，高抗廠家需要重新進(jìn)行高抗本體抗震計(jì)算。8）用于1 000 kV懸吊管母金具沒有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，需要金具廠家配合研制。9）兩榀架構(gòu)距離僅17.5～21.5m，距離太近，影響現(xiàn)場美觀。

3 不同布置方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

濰坊站本期濟(jì)南一線高抗回路兩種方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較［6］（未考慮懸吊管母方案新增一組避雷器、新增占地）如表9所示。

表9 支持管母與懸吊管母方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

由于濟(jì)南一線、濟(jì)南二線、遠(yuǎn)景棗莊一線的出線架構(gòu)為三跨連續(xù)梁，本期需建設(shè)棗莊一線的出線架構(gòu)。棗莊一線作為遠(yuǎn)景出線，因一臺高抗、小抗基礎(chǔ)與構(gòu)架基礎(chǔ)整澆，故需本期建設(shè)底板，但未考慮懸吊管母方案新增一組避雷器、新增占地。技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較如表10所示。

可見，本期工程懸吊管母方案在未考慮新增一組避雷器、新增占地的情況下比支持管母方案的工程設(shè)備材料費(fèi)用增加720萬元。

表10 支持管母與懸吊管母方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

4 結(jié)語

通過對1 000 kV高抗回路支持管母與懸吊管母方案進(jìn)行分析比較，兩方案均能滿 足本工程50年超越概率為2%的地震動峰值加速度為0.486 g抗震設(shè)防要求，但是懸吊管母方案存在問題，有待進(jìn)一步分析研究。

根據(jù)特高壓實(shí)驗(yàn)示范工程計(jì)算結(jié)果，采用懸吊管母方案時(shí)，不滿足過電壓要求，需要在高抗套管和CVT附近增加一組避雷器，且需要向1 000 kV出線方向多增加占地6.5 m，需重新征地約2 968.15 m2；用于1 000 kV懸吊管母金具沒有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，需要金具廠家配合研制；經(jīng)核實(shí)，懸吊管母方案與支撐管母方案相比，設(shè)備最小安全系數(shù)僅提高5%，即設(shè)備最小安全系數(shù)為2.0左右；兩方案經(jīng)經(jīng)濟(jì)比較本期工程懸吊管母方案比支持管母方案的工程設(shè)備材料費(fèi)用高720萬元；鑒于懸吊管母方案存在諸多問題，抗震安全系數(shù)相當(dāng)，投資費(fèi)用增加較多，本工程高抗回路仍推薦“四元件”支持管母方案。

［1］郭振巖.變壓器抗地震性能的研究［J］.變壓器，2005，42（8）：13-31.

［2］國家能源局.電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50260—2013［S］.北京：中國計(jì)劃出版社，2013.

［3］楊亞弟，李桂榮.電氣設(shè)施抗震研究概述［J］.世界地震工程，1996，12（2）：20-22，54.

［4］Andre Filiatrault，Christopher Stearns.Electrical Substation Equipment Interaction：Experimental Rig－id Conductor Studies［M］.California Energy Commission，2005.

［5］朱祝兵，代澤兵，崔成臣.連接方式對電氣設(shè)備抗震性能的影響分析［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2010，43（S1）：49－52.

［6］馬永軍.工程造價(jià)控制［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

Technical and Economic Analysis on Seismic Design of High Voltage Reactor Circuit in Weifang 1 000 kV Substation

JIAO Hong1，CHENG Jian2，ZHANG Bin3，ZHAO Hongyuan4，YANG Xufang1
（1.State Nuclear Electric Power Planning Design&Research Institute，Beijing，100095，China；2.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan250001，China；3.Shandong Electric Power T&T Engineering Company，Jinan 250022，China;4.State Grid Weifang Power Supply Company，Weifang 261021，China）

The Weifang 1 000 kV substation is of the highest level of earthquake resistance in all UHV substations by far.In this paper，the seismic design of high voltage reactor circuit in Weifang 1 000 kV substation are discussed.Technical and economic analysis of the project are presented.It summarizes the typical experience of earthquake resistance，and lays the foundation for other similar engineering optimization design.

ultra high voltage；seismic design；technical and economic analysis

TM632

A

1007－9904（2017）10－0045－04

2017-06-26

焦 紅（1982），女，高級經(jīng)濟(jì)師，從事電力技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究。