浅谈220kV变电站构架选型及优化

唐斌

【摘要】本文以AIS方案220kV变电站为背景，对构架结构选型及材质进行技术经济分析比较。对比常用的焊接钢管结构及水泥杆结构，推荐构架采用焊接钢管结构。构架结构设计做出以下优化：（1）220kV构架两个间隔共用一榀25m宽构架，110kV构架两个间隔共用一榀16m宽构架。节约用地，降低耗钢量。（2）采用焊接钢管人字柱结构，有效降低用钢量，降低土建造价。（3）对构件做合理归并，减少构件种类及数量，缩短加工周期;构件加工及镀锌均在工厂完成，现场安装采用螺栓连接，无现场焊接工作量;柱脚采用螺栓连接，免去二次灌浆湿作业及养护时间。缩短工期，提高施工质量，符合环保、集约理念。

【关键词】220kV变电站;构架选型;优化

1.工程背景

AIS方案220kV变电站，设计规模：主变：4×180MVA;出线：220kV6 回;110kV14回;10kV30回。管母单独设置支架。假定自然条件：（1）气温：年平均气温20℃;极端最高气温45℃;极端最低气温-10℃。（2）设计风速：取30m/s。（3）覆冰厚度：10mm。（4）地震烈度：7度抗震设防，动峰值加速度0.10g，特征周期0.35s。地点：我国南方。

2.构架结构型式选择

2.1 国内变电站构架常用型式

各地区自然条件和经济发展水平的多样性，造就了多种多样的构架型式。目前常见以下4种：

（1）焊接钢管人字柱结构。500kV及以下变电站广泛采用。焊接钢管人字形构架柱，三角形断面格构式钢梁，梁柱螺栓连接，在人字柱排架端部设端撑。简洁美观，荷载传递清晰，多采用普通Q235、Q345钢，采购加工方便。钢结构生产厂家众多，工艺成熟，价格低廉。

（2）高强度钢管梁柱结构。采用高强度钢材，可降低用钢量。正多边形高强钢管人字型构架柱，单杆式正多边形高强度钢管梁，梁柱刚接。整洁开放，构件数量少，加工简单，便于安装维护，但所采用Q460高强钢是美国ASTM A572gr65标准，价格较高，且运输成本较高。采用该型构架的变电站数量有限。

（3）钢筋砼环形杆结构。220kV及以下变电站大量使用。以预制钢筋砼环形水泥杆代替直缝焊接钢管作为人字柱主材，对电压等级较低、导线荷载较小、使用年限要求不长的构架而言，可有效降低一次性投资。缺点是混凝土杆件及钢节点需在现场焊接组装，工期长，质量难保证;混凝土杆件承载力低，易开裂，使用寿命短;防腐保护周期短，维护成本较大。

（4）格构式杆塔结构。梁柱均由截面较小的角钢或钢管组装而成，具有用钢量低、受力条件好、加工运输方便等优点。缺点是连接节点数量多，杆件种类及数量多，现场组装工作量大，工期长，观感较人字柱结构稍逊。在我国特高压项目普遍采用。

表3.1-1 各工况下的导线荷载

2.2 本工程构架选型初步设想

在220kV变电站构架常用的集中结构型式中，南方地区在焊接钢管人字柱结构和钢筋砼环形杆结构上均具有成熟的应用经验，这两种型式具有就地取材、价格低廉优点。下文以220kV构架为代表，对焊接钢管人字柱结构和钢筋砼环形杆结构两种方案进行分析比较，优化选材，综合考虑生产、运输、安装、维护等方面因素，在全寿命周期成本管理理念下，确定最优方案。

3.设计使用条件

3.1 工艺布置

本工程220kV构架轴测图如图3.1-1所示。

构架为3排独立排架结构，钢梁导线挂点标高均为14.0m。

3.2 荷载效应及组合

3.2.1 导线在各工况下的荷载（表3.1-1）

3.2.2 结构的风荷载

设计风速30m/s，换算成结构基本风压为0.56kN/m2。

3.2.3 温度作用

当两端设有刚性支撑的连续排架总长超过150m，或连续钢架总长度超过100m 时，应考虑温度作用效应。本工程构架总长75m，极端最高气温45℃，极端最低气温-10℃，ΔT=55℃，不属于温差特别大的情况，可不考虑温度作用。

3.2.4 地震作用

本工程为7度抗震设防，动峰值加速度0.10g。构架属于大柔度细长结构，自重轻，抗震性能好。大量工程实践表明，7度区500kV及以下构架不受地震作用控制。

3.2.5 覆冰荷载

电气专业导线拉力计算结果中已相应考虑了导线覆冰的工况，结构自身覆冰按10mm考虑。

3.2.6 荷载效应组合

对于非枢纽变的220kV构架，结构安全等级应取二级，结构重要性系数γ0=1.0。变电站构架应考虑不同工况下可能产生的最不利受力情况，并考虑远景可能发生的变化，分别按承载力极限状态和正常使用极限状态进行荷载效应组合。

3.2.6.1 承载力极限状态荷载效应组合

用于校验结构构件和连接节点的强度、稳定性。按承载力极限状态进行组合时，通常应考虑基本组合和偶然组合两种情况。本工程管母单独设置支架，因短路引起的偶然电动力不会对构架产生影响，所以只需考虑荷载效应基本组合即可。主要包括：

（1）运行工况：

1）大风工况：1.0Gk+1.3D11k+1.4Wk;1.2Gk+1.3D11k+1.4Wk;

2）覆冰工况：1.0Gk+1.3D12k+1.4W10k;1.2Gk+1.3D12k+1.4W10k

（2）安装工况：1.0Gk+1.2D21k+1.2D22k+1.4W10k;1.2Gk+1.2D21k+1.2D22k+1.4W10k;

（3）检修工况：1.0Gk+1.2D31k+1.2D22k+1.4W10k;1.2Gk+1.2D31k+1.2D22k+1.4W10k。

其中：Gk——结构自重及其余荷载效应标准值;Wk——最大风工况下导线侧向风偏荷载以及结构自身风荷载的标准值;W10k——10m/s风速下导线侧向风偏荷载及结构自身风荷载的标准值;D11k——最大风工况下导线荷载效应标准值;D12k——覆冰工况下导线荷载效应标准值;D21k——安装工况下紧线的导线荷载效应标准值;D22k——安装工况下非紧线的导线荷载效应标准值;D31k——单相上人检修时导线荷载效应标准值。

3.2.6.2 正常使用极限状态荷载效应组合

校验结构构件在日常使用中产生的变形、裂缝等。按正常使用极限状态组合时，采用荷载效应标准组合。安装或检修工况：Gk+D22k+W10k;正常使用工况：Gk+D11k+0.5Wk。

4.空间模型计算分析

变电站构架受力特点是以承受水平荷载为主，荷载来自于导线及地线的张力，其次是风力。随着各种空间有限元分析计算软件的推广，可对构架整体建模，全面分析杆件内力并选材，使结构整体可靠度与构件可靠度一致，为经济合理的构架设计提供有力支持。

本工程采用STAAD CHINA空间有限元计算分析软件，按人字柱结构建模计算。模型中柱材质定义为钢管，因梁柱连接为铰接，故导线荷载对钢梁产生的弯矩不会传递至柱上，本模型对水泥杆材质柱仍具指导意义。单对水泥杆结构而言，柱间横档与主材连接应按铰接考虑，这是与钢管人字柱的显著区别。

4.1 焊接钢管结构

4.1.1 模型及荷载输入（表4.1-1）

人字柱柱顶两杆为刚接，梁与柱为铰接，梁不参与柱段杆件弯矩分配。为简化模型输入，减少杆件数量并加快计算速度，钢梁按等重的原则简化为单根杆件输入。计算模型主要分析柱内力和支座反力，钢梁则单独计算。每排人字柱设置一根端撑杆。

为避免避雷针影响软件对柱计算长度、支撑条件的判断，将避雷针作为荷载输入，不在模型中体现。

构架横梁的两端设为铰接;端撑杆顶部通过销钉与钢柱柱头连接，可自由转动，设为铰接;端撑柱上设置2道横向支撑，旨在减小端撑杆的计算长度，设为铰接。除以上自定义的约束条件外，所有梁元的连接均默认为刚接。

构架受力不同于一般工业及民用建筑。作为通用的有限元分析计算软件，STAAD CHINA无法自动生成构架荷载，也无法自动进行正确的荷载组合。所有荷载值及对应各工况下的组合均手工输入。

4.1.2 内力计算及后处理

采用STAAD内置的线性分析引擎进行计算，对各支座、节点、杆件内力和位移整理统计。

承载力极限状态荷载效应组合下柱段内力控制值如表4.1-1。

正常使用极限状态荷载效应组合下各柱顶点位移统计如表4.1-2。

分析表明各主要控制节点位移均满足规范。

4.1.3 规范检验及选材优化

规范检验采用SSDD钢结构设计与绘图软件进行，但杆件的某些设计参数，特别是计算长度、截面塑性发展系数等关键参数值需手工输入。按《变电所建筑结构设计技术规定》第5章规定，设置检验参数，并指定到各类杆件中，再由软件验算。

表4.1-1 承载力极限状态下杆件内力

表4.1-2 正常使用极限状态下节点位移

经检验及优化，本结构方案最终选材及耗钢量统计见表4.1-3。

表4.1-3 焊接钢管人字柱结构方案耗钢量

以上重量已考虑节点板、螺栓等附件。

4.2 钢筋砼环形杆结构

水泥杆构架计算模型参照焊接钢管结构计算模型，但柱间横档两端按铰接考虑。经模型计算分析，结合对比以往常规工程计算资料，采用两个出线间隔合用一根钢梁的布置型式，人字柱脚内力约为常规每个间隔设置一根钢梁布置型式的2倍。计算220kV构架水泥杆裂缝时对应正常使用极限状态，即Gk+D11k+0.5Wk。经计算，当采用规格φ400x50，混凝土强度C40，配置主筋18Φ16的普通环形水泥杆时，排架两侧端部均设置端撑杆情况下，杆身裂缝值仍小于0.2mm，满足规范。

钢梁、地线柱、避雷针等构件计算及选材同焊接钢管结构，不做进一步比较。

表4.2-1统计中，水泥杆结构未考虑节点板、连接件等附件重量，其余构件已考虑节点板、连接件等附件重量。

5.两方案全寿命周期成本分析

5.1 两方案用钢量统计对比

从表5.1-1可看出，采用环形水泥杆结构，构架柱约需规格φ400x50的环形水泥杆480m，水泥杆连接铁件重量需另外考虑7.2t左右;而采用焊接钢管结构时，构架柱需38.4t钢材，已包含连接件的重量。按照目前的市场价，采用水泥杆结构比采用焊接钢管结构约节省15万元。

表4.2-1 环形水泥杆结构方案主要工程量

表5.1-1 两方案耗钢量统计对比表

5.2 两方案全寿命周期成本分析

根据全寿命周期成本管理理念，构架设计除考虑材料市场价格外，还应考虑全寿命周期内支持成本，包括安装、运行、维修、改造、更新直至报废的全过程。全寿命周期成本=投入成本+运行成本+维护成本+故障成本+废弃成本。

构架设计除考虑结构安全，造价合理外，还应充分考虑操作性。对功能及荷载相似的梁柱作合理归并，从加工、镀锌、运输及市场采购难易方面考虑，限制材料规格尺寸，减少构件种类数量，加快生产及施工进度。

生产加工方面，南方地区500kV及以下构架，在水泥杆和焊接钢管结构工程应用方面均有成熟经验。水泥杆结构构架需分别进行水泥杆和钢构件的订货加工。在工程现场，水泥杆杆段一般通过焊接连接，钢管构件一般通过法兰螺栓连接，在安装进度上，钢管结构较水泥杆有明显优势。

运行维护成本方面，构架主要在于防腐。经镀锌处理后钢构件防腐能力大大增强，水泥杆结构因存在焊接接头，需对接头进行专门防腐处理，一方面延长了构架施工工期，另一方面增加了额外费用，使水泥杆结构较焊接钢管结构的经济优势进一步削弱。在运行维护方面，热镀锌钢结构免维护期可达10年，较水泥杆有明显优势，有利于降低运行维护的成本。

构架结构在故障成本及废弃成本方面占全寿命周期成本的比重相对较小，在满足结构可靠要求的前提下，两者故障成本可谓相当。在结构报废成本方面，钢管结构单价较高，可作为初始建设投资的一个有益回收。

结构观感方面，镀锌钢管结构整体简洁明快，色泽均匀，视觉效果更佳，也能从另一个侧面持续提高电力企业的公众形象。

6.结论与建议

经过以上分析比较，我们认为本设计方案的构架从区域自然环境、工艺布置、制作加工、现场安装、日常维护及材料报废等方面综合考虑，使用焊接钢管人字柱结构更为合理。

本设计方案在构架设计、加工、安装各方面进行论证及优化：（1）对构件的位置、功能、使用工况做分析和类比，做到结构布局整齐划一，简洁美观。经过细致计算，在降低用钢量的同时对构件做合理归并，减少构件种类及数量，缩短订货加工周期。（2）构件均工厂加工，热镀锌防腐，现场螺栓连接。无现场焊接工作量，加快施工进度，提高施工质量。（3）柱脚采用地脚螺栓连接。相比传统二次灌浆连接，螺栓连接方便快捷，一次完成构架就位安装。免去二次灌浆湿作业，免去灌浆养护时间，缩短工期的同时也符合环保理念。