索风营水电站窑洞式出线方式改造工程220kV高压出线钢构架的设计

雷小平 冯德才 王 宏

(1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081； 2.贵州乌江水电开发有限责任公司索风营发电厂，贵州 贵阳 550215)

1 工程概况

索风营水电站位于贵州省黔西县和修文县交界的乌江中游六广河段，电站总装机容量3×200MW，多年平均发电量20.11亿kW·h。电站于2002年7月开工建设，2006年6月初投入运行。索风营水电站以220kV二回出线向贵州电网供电，在系统中主要担任调峰、调频、事故备用任务。原设计方案为窑洞式出线：采用220kV高压电缆经73m高电缆竖井和121m长电缆平洞至窑洞式出线设备室，通过洞顶外壁悬挂绝缘子串架空引出。这种出线方式存在洞顶滑坡体出现滚石、泥石流等而砸坏外漏于洞缘的架空线耐张绝缘子串，造成架空线断裂下坠，进而拉坏窑洞内与架空线相连接的设备，造成事故扩大、停电等隐患，急需改造。

2 构架总体布置和结构型式

改造设计方案采用门架悬挂出线拉力绝缘子的出线方式。在窑洞内距离洞口4m的位置设置出线构架，将出线电缆悬挂于构架横梁下方。架空线路与洞顶分离，有效避免了洞顶滑坡对架空线路的影响，保证线路和设备的安全运行。从结构强度、资金投入和施工周期、空间尺寸等多方面因素考虑，采用钢结构型式的出线构架。根据电气和线路专业要求，构架高度为6.9m，横梁跨度为13.5m，横梁为3相挂点，导线挂点高度为7.2m。由于场地空间有限，结合施工周期和运输要求，构架边柱采用不带端撑的人字柱结构，横梁采用三角形截面格构式钢梁；柱钢管接头及横梁弦杆采用法兰连接，弦杆连接处的腹杆与弦杆连接采用螺栓连接，其余腹杆与弦杆采用焊接连接。根据类似工程经验，结合导线拉力值，人字柱采用φ560×12热轧无缝钢管，横梁主弦杆采用φ273×10热轧无缝钢管，钢管材质均为Q345B，横梁腹杆采用125mm×80mm×10mm角钢，材质为Q235B(出线构架结构布置见图1)。人字柱下节长3.9m，人字柱上节带横撑长3.2m，分节处采用法兰盘螺栓连接。主横梁跨度13.5m，由三节组成，左右节为对称结构，长度均为5.035m，中间节长度为3.85m。横梁弦杆分节处采用法兰盘螺栓连接，分节处的腹杆采用螺栓连接，其余腹杆采用焊接连接。构架人字柱及横梁均采用分节厂内加工制造、现场组装的方式，既保证了制作安装精度要求，又解决了大尺寸零件运输不便的问题。

图1 出线构架结构布置

3 钢构架荷载分析计算

出线构架承受的荷载主要由自重荷载、风荷载、检修荷载、导线拉力荷载组成。其中，导线拉力荷载为100kN/相；索嵩回路导线挂点偏角为：索嵩一回水平右偏2°47′，仰角-5°，索嵩二回水平右偏6°7′，仰角5°，分析计算采用水平偏角10°，仰角5°。工程所在地50年一遇基本风压为0.35kN/m2，场地条件为B类，门架总高8.46m。由于构架位于窑洞内，取风荷载强度设计值为0.35kN/m2。

3.1 荷载组合

通过STAAD.Pro钢结构软件进行计算机建模分析，模型中基本荷载包括构件自重、导线拉力和风荷载。构件自重由软件自动计算形成；3条导线拉力荷载作用于横梁的下弦杆，导线拉力在X、Y、Z三个方向的分量通过导线偏角计算得出；不同杆件上的风荷载由软件根据风压强度自动计算得出。构架基础通过地脚螺栓固定在出线平台，构架底部与基础之间施加固定约束。根据《变电构架设计手册》[1]对荷载分项系数的规定，永久荷载构架自重对结构不利时取分项系数为1.2，抗拔计算自重分项系数取值0.9，导线荷载分项系数取1.3，可变荷载风荷载对结构不利时取分项系数1.4。按以上分项系数分析了以下四种工况组合下构件的受力情况。

工况1：顺导线拉力方向风[图2(a)]：自重(0.9)+导线张力+Z方向风荷载。

工况2：顺导线侧向拉力侧风[图2(b)]：自重(0.9)+导线张力+X方向风荷载。

工况3：顺导线拉力方向风[图2(c)]：自重(1.2)+导线张力+Z方向风荷载。

工况4：顺导线侧向拉力侧风[图2(d)]：自重(1.2)+导线张力+X方向风荷载。

图2 4种组合工况施加荷载模型

3.2 内力分析计算结果

通过STAAD.Pro钢结构分析软件对以上四种工况下的构件分别进行分析计算。计算结果显示，基础最大抗拔力发生在组合工况1(图3为其四个支座反力)；人字柱最大轴力发生在组合工况3梁单元1C，最大弯矩发生在工况4梁单元2C(见图4)；横梁上弦杆主要受压力，下弦杆主要受拉力，腹杆主要受压力。

图3 最大支座反力

图4 人字柱单元分布

3.3 构架的应力计算

根据各构件的受力情况，需对各受力构件进行稳定性和应力计算。对于基础需计算螺栓在工况1下的抗拔性能，对于人字柱需要计算工况3和工况4下1C及2C两个梁单元的压弯稳定性；对于横梁需分别计算上弦杆、下弦杆、腹杆的稳定性。依据《钢结构设计规范》[3]和相关手册，人字柱平面外方向弯矩很小，按单向压弯构件计算平面内、平面外稳定性。同时还计算了构架导线挂板、基础螺栓的抗剪应力和抗拔力(见表1)。计算结果表明：在各种工况下，钢结构出线构件的各个构件的设计均满足规范要求。

表1 构件内力计算值

4 结 语

索风营水电站采用钢结构门架悬挂出线方式代替原洞顶外壁悬挂方式，能有效避免拉力绝缘子被砸坏，规避了窑洞内设备的运行风险，保证了线路和设备的安全运行；钢结构出线构架的结构型式和布置满足220kV高压出线设备安全使用的要求。采用STAAD.Pro钢结构分析软件对出线构件进行建模和计算分析，结果表明:钢构架的设计满足规范要求。本改造工程中门架悬挂高压出线方式的设计和成功应用为其他工程高压出线方式提供了思路和方法，可供借鉴和参考。