变电站构架结构选型分析

杨庆陶　马晓爽（国核电力规划设计研究院，北京　100095）



变电站构架结构选型分析

杨庆陶马晓爽
（国核电力规划设计研究院，北京100095）

摘要：介绍了国内外变电站构架的结构型式，分析了不同结构型式的特点及适用范围，并结合某变电站架构案例，通过对多种构架型式的分析对比，选出最适合该项工程的构架型式，从而保证工程的顺利进行。

关键词：变电站，结构型式，构架结构

0　引言

随着我国经济的高速发展，国家用电负荷的快速增长，三十多年来我国的电网建设也经历了高速发展。变电站是电网建设中的重要一环，关系着整个电网的正常运行。构架是变电站最主要、最复杂的构筑物，而且随着电压等级越高，构架的重要性和复杂性就越高。

1　国内外变电站构架的结构型式现状［1-3］

目前国内外变电站构架的结构型式主要有以下四种：

1）钢筋混凝土环形杆柱结构，该结构的主要受力构件是钢筋混凝土环形杆，现场安装时构件的连接方式均采用螺栓连接或焊接。

2）A型高强度钢管结构，该结构由高强度单杆式钢管梁和A型钢管构架柱组成，梁柱之间采用刚接连接。

3）A型普通钢管结构，该结构由三角形断面的格构式钢梁和A型等普通钢管构架柱组成，梁柱采用铰接连接。构架柱和构架梁主杆采用普通钢管，构架柱和构架梁主杆拼接接头采用法兰连接。

4）格构式钢构架，该结构由矩形或三角形断面格构式柱和矩形或三角形断面格构式构架梁组成，构架梁和柱之间采用铰接或刚接连接。依据杆件类型不同又可分为钢管格构式和角钢格构式。

2　变电站构架结构选型分析

2.1钢筋混凝土环形杆柱结构

该结构可以简化为桁架结构，只受轴向方向的力。由于在设计、施工和制作上积累了广泛的经验，而且混凝土构件不存在防腐这一问题，使得钢筋混凝土环形杆柱结构在早期变电站构架上使用较为广泛，但是钢筋混凝土环形柱存在易开裂、难修复、钢箍焊接点难防腐等问题，而且支座时杆长会有限制。该结构多用于220 kV及以下电压等级的变电站。

总的来说，钢筋混凝土环形杆结构前期投资较少，但是后期维护花费较大，总体费用较大。从全寿命周期分析来看经济性不突出，目前逐渐被钢管、角钢结构取代。

2.2A型高强度钢管结构

该结构的主要特点是钢材强度高，常用的420 MPa，520 MPa两种，截面多为多边形。高强度钢管构架柱节省用钢量，由于构架梁一般由稳定和扰度起控制作用，所以高强度钢管构架梁并不节省钢材梁。总体造价略高于普通钢管结构。由于构架梁的跨度一般较大，所以高强度钢管构架梁的截面尺寸较大，并不美观。所以高强度钢管构架在国内应用不广，多用于220 kV架构。

2.3A型普通钢管结构

该结构可以简化为排架—桁架的力学模型，在进行受力计算时只需考虑轴力，不需要考虑梁柱的共同作用，在进行现场安装时均采用螺栓的连接方式，普通钢管结构在进行运输和安装时较为方便，在防腐方面，通常对钢构件采取镀锌处理。构架梁主杆通过节点板与腹杆螺栓连接，包装、运输方便、安装快捷。目前国内220 kV和500 kV变电站的构架多采用这种结构型式。

2.4格构式钢结构

该结构根据主杆和腹杆的类型不同可分为钢管格构式和角钢格构式。

钢管格构式构架用钢量较少，结构主杆采用钢管，腹杆全采用钢管，或少量采用角钢。结构主杆采用法兰连接，结构主杆与腹杆通过节点板螺栓连接。钢管格构式结构材料强度利用率较高，而且圆形截面风阻较小。但钢管材料较角钢材料单价高，而且钢管连接的节点板数量多，不便于包装、运输，该结构多用于国内750 kV及以上电压等级的构架。

全角钢格构式构架用钢量小，由较小角钢组成，构件尺寸小、自重轻，制作、运输及防腐处理很方便。结构主杆采用角钢拼接连接，腹杆布置方式灵活多变，交叉腹杆之间采用单螺栓连接。角钢腹杆与主材之间可直接采用螺栓连接，大大减少了节点板的数量，便于长距离运输。缺点是构件数量较多，所以在现场安装时，工作量较大，工期较长。国外500 kV变电站的构架多采用这种结构。

3　变电站架构案例分析

非洲某500 kV变电站的500 kV出线构架，该出线构架为连续四跨的钢架结构，每跨32 m，总长度128 m，构架梁高度33 m。构架梁导线张力为45 kN，地线张力为9 kN，变电站所处区域基本风压0.6 kN/m2。

3.1构架结构选型

由于非洲当地钢材匮乏，镀锌工艺落后，供货工期长，不能满足工程建设需要，需要从国内供应构架材料，依次通过陆运、海运的形式运送至施工工地现场。

该工程构架梁跨度较大，构架柱高度较高，导线张力较大。如果采用A型普通钢管构架型式，所用钢材规格大，构件重量也大。本工程不推荐采用A型普通钢管构架，推荐采用格构式构架，由于格构式角钢构架腹杆与主材之间可直接采用螺栓连接，大大减少了节点板的数量，便于长距离运输。所以本工程推荐采用格构式角钢构架。

3.2构架柱、梁结构选择

构架柱的平面形状多为四边形，四边形构架柱侧向刚度和整体抗扭性能较好，是一种较好的结构型式，应用也最为广泛，该工程推荐采用四边形构架柱。

构架梁平面形状有三角形和四边形两种，三角形梁多用于A型普通钢管构架中，也常见于梁跨相对较小的500 kV电压等级以下变电构架。四边形构架梁受力体系较好，在格构式构架中多采用四边形构架梁。该工程导线拉力较大，本工程推荐采用四边形构架梁。

3.3腹杆体系选型

腹杆的用钢量大约占整个结构用钢量的40%，所以腹杆的布置型式不仅关系到结构的受力是否合理，外观是否美观，还影响整个结构的造价。目前角钢格构式构架柱的腹杆型式主要有以下两种：第一种腹杆布置型式：宽边采用人字斜撑和横撑，窄边采用交叉斜撑，见图1。第二种腹杆布置型式：宽边和窄边都采用交叉斜撑，见图2。

图1　腹杆布置型式一

图2　腹杆布置型式二

这两种腹杆布置型式窄边布置相同，只是宽边的中下部分布置不同。这两种布置型式对主材分段长度一样，主材的计算长度也一样。宽边中下部分的腹杆的型号一般往往都是由长细比控制，而不是型材的强度和稳定性起控制作用。第一种布置型式斜腹杆的长细比由最小轴回转半径控制，由于水平腹杆设置了横隔，水平腹杆的长细比也是由最小回转半径控制。所以第一种布置型式腹杆材料的强度没有充分发挥，材料强度利用率较低。第二种布置型式中斜腹杆的长细比由平行轴回转半径控制，腹杆材料的强度利用率较高。

根据电力行业标准DL/T 5154—2012架空输电线路杆塔结构设计技术规定第8.1.4条，在杆塔塔身坡度变化的断面处、直接受扭力的断面处和塔顶及塔腿连接断面处应设置横隔面。同一塔身坡度不变段内，横隔面设置的间距一般不大于平均宽度（宽面）的5倍，也不宜大于4个主材分段［4］。所以四个主材分段只需要设置一个横隔面即可，与第一种布置型式相比，第二种布置型式在主材型号不变的情况下降低了腹杆的总重量，节省钢材。

4　结语

1）变电站构架型式有许多种，我们应在参考电压等级、工程预算、工程重要性、施工条件、物流条件等多方面的综合因素的前提下，选择出最适合的构架型式，进而保证工程的顺利开展。2）构架柱、构架梁选用合理的结构型式，选用合理的腹杆布置型式，能降低整个构架的总用钢量，节省钢材。

参考文献：

［1］陈传新，刘素丽.750kV变电站结构选型［J］.电力建设，2007，28（5）：33-35.

［2］常伟，张玉明，雷晓标，等.750kV格构式杆系结构设计优化［J］.钢结构，2015，6（30）：64-68.

［3］中南电力设计院.变电构架设计手册［M］.武汉：湖北科学技术出版社，2006：24-28.

［4］DL/T 5154—2012，架空输电线路杆塔结构设计技术规定［S］.

Discussion on the structure of substation gantry

Yang Qingtao Ma Xiaoshuang
（State Nuclear Electric Power Planning Design & Research Institute，Beijing 100095，China）

Abstract：This paper introduced the structure form of substation frame at home and abroad，analyzed the characteristics and application scope of different structure forms，and combining with a substation frame case，through the analysis and contrast on all kinds of frame pattern，selected the most suitable structure form of the engineering，so as to guarantee the smooth engineering progress.

Key words：substation，structure form，frame structure

中图分类号：TU318

文献标识码：A

文章编号：1009-6825（2016）06-0059-02

收稿日期：2015-12-18

作者简介：杨庆陶（1982-），男，工程师；马晓爽（1981-），女，工程师