变电站330 kV HGIS配电装置双层出线构架优化研究

王 鹏，冶金祥，杜风宇，李林忠，石发才，张 平

(中国电建集团青海省电力设计院有限公司，青海 西宁 810008)

0 引言

变电站由于地形地貌以及地质条件的影响，330 kV HGIS配电装置的双层出线构架高度较高，母线跨度较大，整个配电装置区域征地面积增大，导致变电站建设成本增加，其经济效益与社会效益低下。依据上述相关影响因素，高海拔变电站330 kV HGIS配电装置需开展创新布置、优化构架结构、节约用地等技术研究。

本文的研究依托青海某750 kV变电站实体工程，结合国网公司标准化设计规程、电力工程设计手册-变电站设计、钢结构设计规范等相关规程规范的标准化实施下，对变电站330 kV HGIS配电装置构架进行系统性的分析与研究。主要依托相关结构计算软件的支撑，有效地对配电装置进行结构的优化与布置。彭子祥〔1〕从结构动力平衡方程的角度切入，使用结构计算软件对高层钢结构进行分析，通过构件贡献度的指标，节省钢材料与混凝土的用量；周玉霞〔2〕的研究阐述了钢结构设计软件对现代化过程钢结构的准确性与实用性具备较大的影响；张清旭〔3〕为提高大跨度钢结构悬索桥的安全性，采用结构优化软件建立空间结构模型，有效地分析动荷载与静荷载作用下桥梁的安全属性；张浩〔4〕的研究表明，基于ANSYS软件的应用，对钢结构的建模、加载、后处理等进行优化设计，取得良好的经济效益。综上所述，依据现有成熟的软件进行模拟分析与荷载优化计算，可以取得良好的经济效益与工程技术优化。

1 模型优化研究理论阐述〔5-6〕

本文依托青海某变电站工程进行330 kV HGIS配电装置双层出线构架的设计研究，总体构想采取“模型建立→受力分析→结构设计→实验及观察→获得优化成果”的研究路线，理论与实践紧密结合，相互依托，其结构优化模型如图1所示。

1.1 软件的类别分析

根据实际工程的计算分析表明，各软件的计算侧重点均存在差异，导致最终的计算结果有所不同，因此为保证数据的可靠性，应通过不同的计算软件同时进行建模类比，以求达到最符合工程实际受力情况的模型及计算数据。针对于上述问题，本文采取了结构计算软件A与结构计算软件B同步类比计算分析，使得结构计算数据准确、可靠，为下一步结构构造优化设计提供技术支撑。

1.2 受力分析

依据330 kV HGIS配电装置双层出线构架的导线水平拉力、导线垂直荷载以及侧向风压的不同，采用多方案多软件的同步类别分析。依照实际的输入值，控制指标进行满应力设计，达到构架的安全度的适用值，使得构架的整体可靠度指标也就等同于任意构件的可靠度指标。其构架的受力分析示意图如图2所示。

2 优化模型的构建

2.1 可靠性研究分析

随着钢结构在变电站内的广泛应用，HGIS配电装置通常采用常规式布置，该结构形式受力简单、明晰，是国内变电站设计时通常考虑的方式，使用结构分析设计软件A其结构形式如图3所示：

该形式的变电站母线间距为25.4 m，配电装置总体宽度达到了50.8 m，长度达到了306 m，配电装置整体占地约21 380 m2，总体用钢量约1 320 t。

采用结构计算软件B，通过对配电装置的整体优化、压缩母线之间的距离、调整HGIS的整体布置等措施，提出了全新的330 kV HGIS配电装置双层出线构架，其结构形式如图4所示：

采用结构计算软件B计算优化的330 kV HGIS双层出线构架，其配电装置整体宽度为41.5 m，长度为228 m，配电装置整体占地约14 970 m2，总体用钢量约1 250 t。较常规HGIS布置形式节约用地约30%，节约用钢量约5%。

由于该配电装置采用了矩形变断面热轧圆钢管格构弦杆的螺栓连接格构式柱，因此配电装置整体受力情况较好，330 kV出线侧导线拉力能够达到30 kN/相，通过对配电装置的整体稳定性计算及构件的应力比优化，该配电装置满足变电站的正常使用要求。

2.2 方案设计研究分析

变电站内常规330 kV HGIS布置均采用双跨式单层出线方式，该方式结构形式简单、受力明晰，是国内变电站设计时通常考虑的方式，但该形式也存在占地面积大，整体用钢量大等缺陷凸显，因此有必要研究新型的配电装置形式。

2.2.1结构型式

本文对青海某变电站工程330 kV配电装置采用户外HGIS方案。出线构架跨度24.0 m，梁挂线点高度24.5 m及27.5 m；母线构架跨度41.5 m，挂线点高度24.5 m；主变进线构架跨度24.0 m，梁挂线点高度28.0 m，与示范变电站750 kV构架类似。

在众多变电构架结构型式当中，钢管格构式结构具有更好的受力特性。其优点在于结构构件惯性矩较大、更适合于高耸结构，且取材方便，用钢量节省，技术经济指标较好。因此，该工程330 kV变电构架可以直接引用西北电网750 kV输变电工程关键技术研究之《750 kV变电构架及设备支架设计研究》科研课题的结论，采用钢管格构式结构。

2.2.2梁柱断面

在对330 kV构架进行梁、柱断面几何尺寸的选择时，我们对各种可行的几何断面尺寸分别进行了结构计算，依照各种尺寸型式用钢量的差异现状，综合考虑占地面积、施工工艺、钢构架高度占比等多因素，确定梁柱的最优化尺寸断面。

1)确定柱侧宽和梁断面

根据类似工程750 kV构架设计经验，构架柱底部纵向根开尺寸分别按挂线点高度的1/4、1/4.5、1/5、1/5.5、1/6进行选取，综合考虑占地、带电距离、结构用钢量等方面的因素后，最终确定出线侧构架柱底部纵向根开尺寸以挂线点高度的1/5.5即5.0 m、主变进线侧架柱底部纵向根开尺寸以挂线点高度的1/8即3.5 m考虑。

在确定构架柱底部纵向根开尺寸后，对应构架柱底部侧向(短向)根开尺寸分别取1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m来进行建模和计算比较；在梁断面的选择中，参考已建成变电站的构架设计经验，结合不同断面尺寸情况下的安全、经济、合理性的比较，梁断面以方形截面2.0×2.0 m及2.5×2.5 m进行计算。经计算，两跨构架柱底部纵向根开尺寸为挂线点高度的1/5.5即为5.0 m时，对应构架柱底部不同的侧宽、不同梁断面的用钢量见表1。

表1 用钢量比较表

从上表可以看出，在相同梁断面情况下，不同的柱侧宽，构架用钢量有一定的差别：即柱侧宽在1.5 m～2.5 m之间时构架用钢量差别稍大；而柱侧宽在2.5 m～3.5 m之间时，构架用钢量差别很小。因此，将本工程出线侧构架柱侧向宽度确定为2.0 m较为合理。

从表1得出，在相同柱侧宽、不同梁截面情况下，两跨构架的用钢量差别不大，2.0 m×2.0 m比2.5 m×2.5 m梁钢材用量稍小，但没有质的区别，可以说在一个档次上。出线侧构架柱侧向宽度确定为2.5 m，在与梁连接处柱纵向尺寸也不宜小于2.5 m，所以将出线梁截面确定为2.0 m×1.5 m比较合理，母线梁截面确定为2.0 m×2.5 m比较合理。

2)确定柱纵向根开尺寸

在确定柱侧宽为2.0 m、母线梁断面尺寸为2.0 m×2.5 m后，我们重新对构架柱底部纵向根开尺寸进行了反算，计算结果的用钢量比较见表2。

表2 用钢量比较表

由上表计算结果可以看出，柱纵向根开尺寸从5.0 m～8.4 m结构用钢梁在逐渐增大，在8.4 m时构架用钢量又有所下降。

结合以上计算得出的数据，在确定该工程的330 kV构架梁柱断面时，参考已建成变电站750 kV构架设计的成功经验，将本工程母线梁断面尺寸最终确定为2.0 m×2.5 m，出线梁断面尺寸最终确定为2.0 m×1.5 m，出线侧柱断面尺寸最终确定为5.0 m×2.0 m，主变进线侧柱断面尺寸最终确定为3.5 m×2.0 m。

2.2.3结构设计

1)结构体系

钢管格构式构架柱采用矩形变断面钢管自立柱；构架梁采用矩形等断面、钢管弦杆、钢管腹杆、螺栓连接的格构式钢梁。梁与柱的连接采用高强度联接螺栓联接。

2)节点构造

对于钢管格构结构，采用杯口基础、插入式刚接柱脚，柱脚构造比较简单，施工精度要求不高。因此设计中只考虑柱脚按刚接计算。

对于主材的拼接节点，依据变电构架设计手册，且借鉴《750 kV变电构架及设备支架设计研究》科研课题的结论，结合工程实践，推荐采用柔性法兰连接。

对于梁、柱腹材与主材的连接，借鉴《750 kV变电构架及设备支架设计研究》科研课题的结论，结合750 kV变电构架真形试验的经验，采用插板连接的方式。

3)构件设计

a.计算长度

所有构件的计算长度及计算长度系数均按照《变电所建筑结构设计技术规程》中的规定选取。

b.允许长细比

所有构件的允许长细比综合《变电所建筑结构设计技术规程》及《高耸结构设计规范》的有关规定按以下数值设计：

受压主杆、斜杆、横杆：150；辅助杆、横隔杆：200；受拉杆：350。

4)允许挠度

构架横梁(跨中)：L/400；构架柱：H/200、H/100。

3 优化设计的优劣性对比分析

随着国家土地政策日益紧缩，变电站占地指标的优劣对工程本体造价的影响越来越大，因此通过一定的技术手段研究新型的配电装置型式，节约变电站用地是非常重要的，而且采用新型配电装置型式后可有效的减少配电装置构架的总体用钢量，节约工程的本体投资。

高海拔变电站内常规HGIS配电装置母线间距约25.4 m，间隔宽度约22 m，配电装置整体宽度约50.8 m，采用330 kV HGIS配电装置双层出线构架的技术后，配电装置整体宽度减少到41.5 m，间隔宽度约为24 m，其经济技术指标对比见表3。

表3 技经技术指标对比表

由上表对比可以看出，当采用新型330 kV HGIS双层出线构架后，较常规HGIS布置形式双层出线构架节约用地30%，减少出线间隔节约用钢量约5%，同时使得配电装置布局更加紧凑合理，整个结构安全稳定，有效地降低了工程造价。

4 结论

高海拔变电站330 kV HGIS配电装置双层出线构架的应用，对传统的330 kV HGIS布置形式是一个创新，采用该形式后不仅可以有效地节省钢材使用量，而且在我国用地日益紧张的形式下，可以有效节约变电站的占地，这种技术的创新将取得很好的社会效益和经济效益，可在其他变电站设计中大力推广应用。