变电站通用GIS设备基础方案及其设计应用

冯 鹏 季 鹏 黄 峥 丁静鹄 张大长

(1.江苏海能电力设计咨询有限责任公司，江苏 南京 210028；2.南京工业大学土木工程学院，江苏 南京 210016； 3.国网江苏省经济技术研究院，江苏 南京 210008)

0 引言

随着国家电网公司通用设备“四统一”标准的不断深化应用，输变电工程电气设备的通用互换性不断显著提升，对加快设计和施工进度，减少备品备件数量，提高工程建设质量、效率和效益起到了明显的作用。由于国内各GIS设备供应商产品技术方案的客观差异，目前尚未形成统一、详细、可用的GIS设备基础埋件标准。现行《通用设备》中对GIS设备基础埋件的设计作出了相应规定，但在多年来的工程应用中实际效果不理想，很大程度上制约了GIS设备通用互换性的进一步提升。

近年来随着国民经济的日益发展，各行业的用电需求显著增加，高增长的用电需求不仅对电网智能化提出了新的挑战，同时对变电站的数量和模块化建设水平提出了新的要求。国家电网通用设备“四统一”标准的应用虽然一定程度上加快了变电站建设的设计和施工进度，但设计的科学性和施工进度仍然存在较大的改进空间。因此，加快研究标准化设计、形成统一的GIS设备基础埋件方案，是持续推动变电站模块化建设水平的必要条件。

1 变电站GIS设备基础通用做法的现状

1.1 现行GIS设备基础的设计方案

变电站建设过程中，设计人员根据厂家提资确定埋件的具体位置，并根据二次浇筑面层的高度设置钢筋混凝土支墩，支墩大小一般为300 mm(宽)×L(MJ长度+2×150 mm)。混凝土支墩需与结构楼面有效锚固，在混凝土支墩上埋设矩形预埋件，矩形预埋件上焊接横向设备基础埋件，一般采用14号～20号槽钢，槽钢上部与GIS设备底座焊接。

1.2 现行设计施工方法存在的问题

1)施工难度高，精度难以保证。由于GIS设备重要性极高，为保证设备的顺利安装、正常运行及使用，对GIS设备基础的整体性、结构强度、施工误差等要求均较常规工程高；在浇筑混凝土支墩、埋设矩形预埋件时，需用振动棒振捣混凝土，防止混凝土离析影响施工质量，该过程对模板及预埋件产生扰动，导致预埋件或模板产生移动。

2)夹层轻质混凝土易造成混凝土面层开裂。随着变电站电气设备的发展，电气专业要求电缆沟深度逐渐加深，导致GIS室结构层以上的轻质混凝土面层高度抬高，对土建设计施工带来挑战。

现阶段变电站建设过程中，二次浇筑的混凝土面层一般大于300 mm；由于设备埋件一般采用实腹构件，导致轻质混凝土面层钢筋网片、管线等无法穿过，给现场施工带来不便。现场施工时，一般将钢筋网片于横向埋件阻碍处截断，降低了轻质混凝土面层的抗裂能力，变电站长期投运下，轻质混凝土面层会出现开裂现象，给运行维护带来安全隐患。

2 新型变电站GIS设备基础的设计方案

2.1 新型设计方案——通用共享型GIS设备基础

1)110 kV GIS纵向预埋件。

为了真正解决GIS基础埋件实施方案过度依赖设备资料的现状，实现提前设计、提前施工，提高工程建设效率，该项目提出的基本思路为先施工楼面结构层，确定并预留一次电缆孔，在预备设置埋件处预留12 mm厚纵向钢制预埋件。如图1所示，设计长度为1.0 m和1.5 m的预埋标准件，并根据工程实际长度需要进行拼装，同时设置10 mm宽拼装缝，以满足变形及精度调整要求；标准件之间用10 mm厚钢板连接，以满足接地要求。预埋件宽度设置为230 mm尺寸，相邻间隔共用一块预埋件；预埋件内设置φ50@250 mm的溢浆孔，以保证埋件下混凝土振捣密实。

2)220 kV GIS纵向预埋件。

为了方便组装及精度调整，预埋标准件长度与110 kV GIS基础相同，同样根据实际长度进行拼装。如图2所示，预埋标准件长度为1.0 m和1.5 m，设置10 mm宽拼装缝，并用10 mm厚钢板连接，以满足接地要求。由于220 kV设备及荷载均较大，预埋件宽度设置为150 mm尺寸，各间隔采用两条单独预埋件；预埋件内设置φ50@250 mm的溢浆孔。

3)GIS横向埋件。

如图3所示，横向埋件由蜂窝梁①和两个钢支墩②在工厂进行预拼装而成，支墩高度根据轻质混凝土面层高度进行调节。

在施工时，纵向预埋件可在电气设备资料提供前，沿设备方向埋设于楼板结构中，每一设备间隔至少埋设两根纵向预埋件，纵向预埋件平行且间隔布置，因此可以覆盖所有横向设备基础可能安装的位置，设备资料提供后，将GIS横向埋件钢支墩与纵向预埋件焊接，实现GIS设备资料提供前进行变电站结构施工的目标，利于节约建设工期，保障工程质量。

2.2 新型方案需要解决的关键技术

1)基础埋件的蜂窝梁。为了解决钢筋网片、电缆和管线无法穿过横向预埋件的问题，提高轻质混凝土面层的抗裂能力，提出了横向埋件采用蜂窝梁的形式。采用H型钢或普通工字钢在腹板上按一定的折线切割后进行错位焊接，制成蜂窝梁。

与实腹梁相比，在承载力基本相同的情况下，蜂窝梁可节约钢材25%以上，有效地减轻了结构自重；钢筋网片、电缆管线等均可穿越蜂窝孔洞，有利于轻质混凝土面层的施工(见图4)。

2)承载力设计要点。GIS设备安装架设在蜂窝梁上，承受GIS设备自重产生的静力荷载；同时，在服役过程中，会因断路器开关开合操作产生动荷载，可能在预埋件上产生上拔力，以及动荷载与设备荷载叠加产生更大的竖向下压力。因此，需要验算相应荷载下埋件强度。

3)埋件定位及预埋。根据GIS设备资料，首先预埋锚固与结构层中的带状钢板预埋件；然后，将GIS横向埋件标准件沿带状钢板定位并进行可靠焊接。

4)GIS设备基础与埋件的连接。设备架设于蜂窝梁上面，GIS设备与埋件采用现场角焊缝形式连接，由GIS设备厂家进行安装并焊接。

5)GIS设备的接地。蜂窝梁基础的标准节段间均采用12 mm厚钢板连接，并与接地网相连；根据GIS设备接地点位置，由设备基础引出接地点与设备接地件可靠连接。

3 蜂窝梁式GIS预埋基础方案设计分析

3.1 110 kV GIS设备基础的设计分析

根据相关研究表明，六边形孔与圆形孔的蜂窝梁临界屈曲荷载相差不大，两者的承载能力基本相等。因此，关于六边形蜂窝梁腹板开孔要求，可以参考GB 50017—2017钢结构设计标准6.5.2中相关构造要求，开孔率d/H(d为蜂窝孔高度，H为蜂窝梁顶至梁底总高度)宜小于0.7，相邻蜂窝孔边缘间的距离b不易小于梁高H的0.25倍，开孔处梁上下T形截面高度a均不宜小于梁高的0.15倍，蜂窝孔高d与T形截面高度a的比值不宜大于12。

蜂窝梁承载能力随扩张比H/h(h为原型梁顶至梁底总高度)的增大先增加后减小。由于蜂窝梁与实腹梁相比，同等用钢量下，蜂窝梁增大了高度，增大了抗弯刚度，达到峰值后，扩张比越大，开孔处T形截面强度越小，蜂窝梁整体承载能力越小。一般情况下，扩张比控制在1.2～1.7之间，针对本项目GIS基础设计，扩张比取1.4左右为宜。

蜂窝梁式设备基础需验算蜂窝梁设备基础埋件的抗弯强度、抗剪强度、挠度、整体稳定性、局部稳定性。

1)抗弯强度。

蜂窝梁正应力可按下式进行验算：

式中：h0——上、下两T形截面的形心距离；

AT1,AT2——上、下两T形截面面积；

V1,V2——上、下两T形截面剪力。

2)抗剪强度。

a.蜂窝梁孔腹板净截面：

其中，ST为T形截面的面积矩，当形心位于腹板内时，取中性轴以上部分面积对中性轴的面积矩，当形心位于翼缘内时，取腹板自由端至翼缘内表面之间腹板面积对形心轴的面积矩；IT为空腹处T形截面的截面惯性矩。

b.蜂窝梁孔之间腹板对接焊缝。

孔间的水平连接焊缝需用对接焊缝焊透，焊缝所承担的剪力T为：

对接焊缝的剪应力按截面平均应力验算，即：

3)蜂窝梁挠度。

当扩张比不大于1.5时，挠度可以近似按与蜂窝梁实腹部分等截面实腹梁的弯曲挠度乘以挠度放大系数来计算，放大系数可取1.4。

蜂窝梁设备基础整体稳定性、局部稳定性可按与蜂窝梁等截面的实腹梁进行验算。型钢支墩的截面强度、型钢支墩与蜂窝梁焊接焊缝、型钢支墩与预埋件焊缝强度均按照GB 50017—2017钢结构设计标准中相关规定计算。

3.2 220 kV GIS设备基础的设计分析

220 kV基础方案在设计原理上与110 kV基础方案相同，不同之处仅在于110 kV基础方案中相邻间隔共用一条纵向预埋件，而220 kV基础方案中不共用纵向预埋件，前者的纵向预埋件宽度稍大于后者的宽度。所以220 kV基础方案的设计计算方法与110 kV相同，这里不再赘述。

3.3 与传统方案对比

1)传统方案中的横向预埋件阻碍了轻质混凝土面层钢筋网片、电缆和管线的正常通过，给施工带来了很大不便。新型蜂窝梁式基础方案解决了传统方案施工中必须将钢筋网片在横向埋件处截断的问题，提高了轻质混凝土面层的抗裂能力，有助于保证变电站在长期投运下避免轻质混凝土层开裂。

2)纵向预埋件上溢浆孔的设计不仅有助于增加混凝土振捣密实度，同时在很大程度上降低了混凝土振捣对纵向预埋件偏移的影响，更好地满足GIS设备对纵向埋件位置精准度的要求。

3)蜂窝梁横向埋件相比较于传统横向埋件更节约钢材，这得益于蜂窝梁优异的力学性能，在与实腹梁基本相同承载力的情况下，可节约钢材达25%。

4)纵向埋件的长度可由工程需要确定，条状连续化设计可以覆盖所有GIS设备可能埋设的位置，同时可根据实际工程对轻质混凝土填充层高度的需要，调整H型钢支墩的高度。因此GIS室楼板浇筑和养护等工序不必滞后于电气设备资料，可实现提前施工，缩短建设工期。

4 结论

基于上述户内变电站GIS基础埋件的深化研究，可得出如下结论：

1)对比了现行变电站的设计施工过程、国网公司推广的通用设备方案，提出一种新型的蜂窝梁式通用基础埋件方案。

该方案无需等待设备资料再浇筑楼板面层，从而使整个施工、竣工工期提前，可有效保障工程质量、使提前送电成为可能。

2)分析了GIS设备基础设计验算的荷载条件，以及蜂窝梁的强度设计方法；针对220 kV淳西变的GIS设备基础进行验算分析。

3)新型GIS设备基础方案提升了埋件承载能力、方便了轻质混凝土层钢筋的敷设，实现了变电工程基础设计的标准化、模块化，符合当前电力设计行业的大趋势。