姜文 楊金虎

湖北省電力勘測設計院有限公司，中國·湖北 武漢 430040

變電站；風帆聯(lián)合出線構(gòu)架；三維

1 引言

隨著土地資源越來越緊張，節(jié)約變電站的建設用地已成為設計重要的指導思想。特別是在城市規(guī)劃區(qū)域或郊區(qū)，變電站的選址愈來愈困難，征地費用也逐年增高。變電站如何更有效的節(jié)約用地是當前亟待解決的課題。

調(diào)查中國國網(wǎng)220kV變電站通用設計及各地已完成的220kV 戶外GIS 變電站發(fā)現(xiàn)：220kV 出線構(gòu)架通常采用一回出線13m 跨度，或者兩回出線24m 跨度的出線構(gòu)架；110kV出線構(gòu)架通常采用一回出線8m 跨度，或者兩回出線15m 跨度的出線構(gòu)架。這種型式的出線構(gòu)架雖然滿足電氣設備安全運行需求，但占地面積大，出線構(gòu)架用鋼量也隨之增大。

2 工程概況

2.1 建設規(guī)模

汨羅西220kV變電站工程位于中國湖南汨羅市古培鎮(zhèn)石牛村。該工程是中國國家電網(wǎng)公司首批三維設計試點工程之一，是2017年三維設計競賽依托工程。220 及110kV 終、本期均采用雙母線接線。10kV 終期采用單母線三分段接線，本期采用單母線接線。主變壓器采用三相三繞組有載調(diào)壓油浸自冷高阻抗變壓器，220、110kV 均采用GIS 組合電器，10kV采用金屬鎧裝戶內(nèi)開關(guān)柜。詳情如表1所示。

表1 汨羅西220kV變電站建設規(guī)模

2.2 可研方案

工程可研階段依托中國國家電網(wǎng)公司戶外GIS 通用設計方案A-1進行設計。即戶外GIS 配電裝置，架空進、出線，采用分相式斷路器雙列布置；220kV 出線架構(gòu)采用雙回出線共用方式，單回出線間隔寬度12m，雙回出線共用間隔寬度24m，出線門型架掛點高度14m；110kV 出線架構(gòu)采用雙回出線共用方式，單回出線間隔寬度7.5m，雙回出線共用間隔寬度15m；出線門型架掛點高度10m。方案圍墻內(nèi)占地為103m×83.5m[1]。

3 風帆聯(lián)合出線構(gòu)架全面應用

3.1 初步方案

常規(guī)GIS 出線構(gòu)架采用鋼管結(jié)構(gòu)柱與格構(gòu)式鋼梁或鋼管梁組成的門式結(jié)構(gòu)，出線導線掛點位于同一高度，通過水平方向的掛點距離滿足導線的帶電距離要求，通常有兩回一跨構(gòu)架，兩回出線ABC 三相共6個掛點水平布置在出線構(gòu)架梁上[2]，如圖1所示。

圖1 常規(guī)GIS 220kV 出線構(gòu)架示意圖

為節(jié)約配電裝置和構(gòu)架的占地，利用GIS 電氣設備導管可以隨意引接、靈活布置的特點，通過將門型出線構(gòu)架設置成三層出線梁，出線A、B、C 三相垂直布置，220kV 三層梁的高度設置為9m、14m、19m，三層梁水平間距離按4m 控制；110kV 三層梁的高度設置為7m、9.5m、12m，三層梁水平間距離按1.75m 控制。這樣，由GIS 出線套管引出的A、B、C 三相滿足電氣距離要求，如圖2.2所示。該結(jié)構(gòu)以外形似風帆而命名為“風帆聯(lián)合式”出線構(gòu)架，優(yōu)化布置后，220kV 配電裝置每個出線間隔橫向尺寸較可研縮小4.5m，即兩個出線間隔共15m；110kV 配電裝置每個出線間隔橫向尺寸較可研縮小2.5m，即兩個出線間隔共10m。詳情如圖2所示。

圖2 汨羅西220kV 風帆出線構(gòu)架示意圖

采用這種布置后，配電裝置區(qū)的占地大為節(jié)約，圍墻內(nèi)用地尺寸可調(diào)整為80m×83.5m，較可研減少22.3%，如圖3所示。

圖3 風帆聯(lián)合出線構(gòu)架全面應用布局規(guī)劃

3.2 構(gòu)架結(jié)構(gòu)力學分析驗證

風帆構(gòu)架柱由兩高度不同的鋼管柱支撐，中間聯(lián)合布置橫撐和斜撐，利用A型柱受力特點，將短柱與斜撐布置成一定斜率的A型柱，在主要承受平面內(nèi)導線拉力的構(gòu)架設計中，增加了平面內(nèi)剛度和穩(wěn)定，使受力合理。[2]

風帆聯(lián)合式構(gòu)架的基本結(jié)構(gòu)單元為鋼管柱和格構(gòu)式梁（或鋼管梁，用于110kV），兩豎向主柱為等截面鋼管柱，本工程利用了Staad.pro進行出線構(gòu)架的計算，SSDD進行計算結(jié)果的中國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范驗算，如圖4、圖5所示。

圖4 風帆聯(lián)合出線構(gòu)架力學模型（節(jié)點受力）

圖5 風帆聯(lián)合出線構(gòu)架力學模型（X 向風載）

通過構(gòu)架位移分析驗算，柱頂位移主要為平面外荷載引起的，平面內(nèi)剛度較大，因此位移較小。構(gòu)架柱頂位移受端撐約束作用，最大位移22mm，滿足規(guī)范H/200 要求；構(gòu)架梁跨中位移相對最大，最大值為21mm，亦滿足規(guī)范L/200 要求。

通過驗算，110kV、220kV 風帆聯(lián)合構(gòu)架長細比和截面應力滿足要求，最大應力比如表2所示。

表2 110kV、220kV 風帆聯(lián)合構(gòu)架長細比、截面應力

由上可知，110kV、220kV 風帆構(gòu)架受荷后，各項指標參數(shù)均滿足初步方案設想和規(guī)范要求，本站可以全面應用風帆聯(lián)合出線構(gòu)架。

3.3 構(gòu)架三維深化設計應用

本工程應用Benteley軟件平臺，完成全站三維設計，如圖6所示。通過三維空間帶電距離軟硬碰撞校驗，110kV、220kV 風帆構(gòu)架均滿足帶電距離要求，構(gòu)架間連接合理。此外，結(jié)構(gòu)完成了風帆構(gòu)架及其基礎(chǔ)的細部設計，如110kV 構(gòu)架深化設計完成了所有細部節(jié)點，包括掛線板、爬梯護籠、欄桿走道、梁柱節(jié)點，完全達到裝配模型，可供構(gòu)架加工單位參考，直接按件加工，如圖.7所示。

圖6 全站三維組裝模型

圖7 110kV 構(gòu)架三維深化模型

4 風帆聯(lián)合出線構(gòu)架應用及成效

本工程構(gòu)支架、配電裝置樓、警衛(wèi)室、主變防火墻及水工構(gòu)筑物均按裝配式方案設計施工。2018年9月正式開工，2019年6月竣工投產(chǎn)，其中，風帆構(gòu)架到現(xiàn)場拼接、吊裝不到兩周。

4.1 220kV 風帆聯(lián)合出線構(gòu)架實施方案

220kV 構(gòu)架布置為1 榀連續(xù)4 跨聯(lián)合風帆式出線構(gòu)架，構(gòu)架間隔寬度為15m，縱向柱距8m，220kV 構(gòu)架按終期規(guī)模一次建成，如圖8所示。

220kV 構(gòu)架柱采用直縫焊接圓形鋼管柱，構(gòu)架橫梁采用三角形格構(gòu)式桁架梁。構(gòu)架柱主材直徑為φ350，輔材直徑為φ350、φ300；鋼梁弦桿直徑為φ140；220kV 構(gòu)架避雷針為與柱形式統(tǒng)一，采用鋼管結(jié)構(gòu)[3]。鋼材均采用Q235B級鋼,鋼材總用量42.0t,較同規(guī)模通用設計減少6.6t。

圖8 220kV 聯(lián)合風帆構(gòu)架實照

4.2 110kV 風帆聯(lián)合出線構(gòu)架實施方案

110kV 構(gòu)架布置為1 榀連續(xù)6 跨聯(lián)合風帆式出線構(gòu)架，構(gòu)架間隔寬度為10m，縱向柱距3.5m，110kV 構(gòu)架按終期規(guī)模一次建成，如圖9所示。

110kV 構(gòu)架梁、柱均采用直縫焊接圓形鋼管柱。構(gòu)架柱主材直徑為φ300，輔材直徑為φ300、φ245；鋼梁直徑為φ400；110kV 構(gòu)架避雷針為與梁柱形式統(tǒng)一，采用鋼管結(jié)構(gòu)。鋼材均采用Q235B級鋼，鋼材總用量42.2t,較同規(guī)模通用設計減少14.5t。

圖9 110kV 聯(lián)合風帆構(gòu)架實照

4.3 圍墻內(nèi)節(jié)地綜合利用

由于本工程建設用地前期已征用，采用聯(lián)合風帆出線構(gòu)架后，圍墻內(nèi)占地較原可研設計方案節(jié)余站前區(qū)23m，用于建管、施工臨建和材料堆場用，如圖10所示。方便了施工安全管理，且與周邊居民避免了相互干擾，后期可用作儲能站、充電站等其它用途。

圖10 該站建設過程中的實照

4.4 風帆聯(lián)系構(gòu)架吊裝施工

風帆聯(lián)合出線構(gòu)架自身剛度大，穩(wěn)定性好，安裝完成一榀后可實現(xiàn)自立，無需作額外安全保護措施，全面實現(xiàn)機械化施工，如圖11、圖12所示。110kV、220kV 風帆聯(lián)合構(gòu)架現(xiàn)場拼接、吊裝各不到一周時間完成，較常規(guī)GIS 構(gòu)架吊裝節(jié)省工期50%以上。

圖11 220kV 風帆構(gòu)架吊裝現(xiàn)場

圖12 110kV 風帆構(gòu)架吊裝現(xiàn)場

5 結(jié)語

風帆聯(lián)合式出線構(gòu)架由兩高度不同的鋼管柱支撐，中間聯(lián)合布置橫撐和斜撐，平面內(nèi)、外剛度和穩(wěn)定性好，受力合理，吊裝方便[4]。

本站110kV、220kV 出線構(gòu)架可以全面應用風帆聯(lián)合式結(jié)構(gòu)，通過受力分析計算，位移比在規(guī)范范圍內(nèi)；構(gòu)架長細比和截面最大應力比分別不超過0.8和0.65，亦滿足規(guī)范要求。

220kV 風帆構(gòu)架三層梁的高度設置為9m、14m、19m，三層梁水平間距離按4m 控制；110kV 風帆構(gòu)架三層梁的高度設置為7m、9.5m、12m，三層梁水平間距離按1.75m 控制。本工程應用Benteley軟件平臺，通過三維空間帶電距離軟硬碰撞校驗，110kV、220kV 風帆構(gòu)架均滿足帶電距離要求，構(gòu)架間連接合理。

本站全面應用風帆構(gòu)架后，鋼材較同規(guī)模通用設計有所降低。配電裝置區(qū)占地大為節(jié)約，圍墻內(nèi)占地由可研的103m×83.5m 縮減為80m×83.5m，較可研減少22.3%。原圍墻節(jié)余空地用于建管、施工臨建和材料堆場用，極大方便了施工管理，后期亦可用作儲能站、充電站等其它用途。