变电构架结构设计概述及优化

于 莹，张 航

(1.吉林建筑科技学院，吉林 长春 130114; 2.中国石油抚顺石化公司热电厂，辽宁 抚顺 113004)

我国经济建设中，大量的能源消耗对基础建设提出了更高要求，而电能的大量输送显得更为迫切。变电站构架作为电力能源传输的基本通道，是电力产业传输的重要支柱。作为既要承受自重、风荷载、地震作用等基本荷载，又要承受裹冰荷载以及导(地)线荷载等特殊荷载的高耸结构，安全可靠的结构设计、合理的传力途径、反复调整出最优方案成为变电站构架的结构设计重点。

1 变电站构架的结构选型

1.1 材料及截面的选取

为实现国家电力工程所倡导的“两型三新一化”理念，变电架构的结构设计应积极考虑在通用设计基础上采用“新材料、新技术、新工艺”，在确保结构安全前提下，减少占地面积，降低建造成本。变电站构架结构按材料分主要有混凝土结构和钢结构2类，混凝土变电站构架主要应用在220 kV以下等级的变电站中；220 kV及以上等级的变电站构架多采用钢结构；而500 kV及以上的交直流工程中则均采用钢结构构架[1]。由于钢结构强度高、自重轻、抗震性能好、加工方便、速度快，比起混凝土结构更加节能环保，故得到了广泛应用[2]。

1.2 空间结构形式的选取

a.焊接钢管人字柱结构：此构架结构为由钢管焊接成人字形柱，横梁多采用格构式三角桁架与梁铰接相连。

b.高强度钢管梁柱结构：此构架结构梁、柱均采用强度等级为Q460的多边形高强度钢管，梁柱连接方式主要以刚接为主[4]。

c.钢筋混凝土环形杆结构：此构架结构形式主要由钢筋混凝土或预应力混凝土建造，施工受气候天气等影响较大，需根据不同自然条件和需求进行设计，可靠性相对于其他构架较低，现已应用不多。

d.格构式杆塔结构：此构架结构多采用钢管进行主体焊接，高强度角钢作为肋条加强，使结构成为承载力及可靠度均较高的不变体系，由于其能够承载较大负荷的优势明显，近年在我国运用较多。

本文选取了一个220 kV开关站出线构架模型对变电构架结构设计进行讨论，模型(见图1)及条件(见表1—表3)如下。

图1 变电构架模型示意图

表2 变电构架导线和地线工艺荷载 kN

表3 场地条件

2 各种荷载对变电站构架结构设计的影响

作用在变电构架上的荷载主要由以下3类组成：

a.永久荷载：构架自重、导线及绝缘子自重、固定设备等产生的荷载。

b.可变荷载：作用在构架和导线上的风荷载、裹冰荷载、地震作用、检修荷载以及温度变化所产生的热胀冷缩。

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c.偶然荷载：短路产生的电动力及其他在设计基准期内不一定出现，一旦出现会产生巨大破坏力的荷载。

下面选取3项对变电构架影响较大的荷载类别进行模拟，以分析其对变电构架带来的影响。

2.1 风荷载对变电构架的影响

此处所提及的风荷载为作用在构架上的风荷载，作用在导线上的风荷载在导线荷载中体现。其计算方法及参数取值与GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》相同。图2为构架风荷载布置图。

图2 构架风荷载布置

由图3可以看出，构架的变形主要来自相对透风率较小的横梁以及横梁对其支座——钢结构人字柱的拉扯。梁、柱节点可靠及横梁足够的刚度是抵抗风荷载的重点。

图3 风荷载在最不利工况下构架变形

2.2 地震作用对变电构架的影响

地震导致塔架破坏的情况时有发生，在塔架设计时对地震进行验算及分析十分必要。在塔架计算中需要特殊注意的是地震验算时2个主轴方向均应考虑。构架与导线相连接，其组成体系具有空间耦合的动力响应并表现出明显的几何非线性特性[5]，地震计算较为复杂，尤其在考虑基础设计时应把重点放在水平荷载，在考虑能量输入的同时也应考虑基础与土的共同作用。图4为地震作用下最不利工况的构架变形图。

图4 地震作用下最不利工况的构架变形

2.3 导(地)线荷载对变电构架的影响

导(地)线荷载是指在挂点产生的垂直荷载、侧向风压和水平张力。其荷载来源主要是导线上的风荷载、温度变化、裹冰荷载和检修荷载。此荷载是变电构架特有的荷载，也是构架的主要荷载。图5为导(地)线荷载加载点位图，图6为导(地)线荷载在最不利工况下构架变形图。通过图形资料可以看出，导(地)线荷载对构架结构的影响是不可忽视的，也是构架结构破坏的一个主要原因，是决定节点、构架刚度的重要因素。

(a)导线荷载加载点

(b)地线荷载加载点图5 导(地)线荷载加载点位

图6 导(地)线荷载在最不利工况下构架变形

2.4 荷载组合

在单项荷载计算时，对变电构架的各项荷载取值均为相应规范规定年限的重现期统计计算数值，这些荷载可以出现在任何时刻，但是，这么多的荷载同时以最大值出现的可能性很小，故在设计时要对荷载进行组合。图7及图8为不同荷载组合下构架变形图。

图7 荷载组合1构架变形

图8 荷载组合2构架变形

3 基础设计

变电构架的基础主要采用独立基础或桩基础通过法兰盘与上部结构相连接。通过某节点支座反力分析可以发现：其竖向负荷较小，水平荷载较大，故在设计基础截面及配筋时，应重点关注风荷载、地震作用、导(地)线荷载所产生的剪力及弯矩带来的基础倾覆问题。

4 优化过程

变电构架的设计是多元化的，需要根据不同的地理环境、使用要求、电压等级、节约土地资源等限定条件反复设计、优化，最终调试出安全可靠、功能齐全、方便使用、占地面积相对较小、最为合理的结构选型。本文案例中通过反复计算及优化得出最终杆件应力比分布见图9，主要杆件的应力比集中在0.7～0.8，可以认为此设计较为合理。

图9 杆件应力比分布

5 结论

a.经过有限元软件进行的整体分析可以得出该结构案例受力较好，内力、应力比、变形均满足设计规范及规程的要求。

b.根据限定条件选择合理的变电构架形式，能够使工艺要求的满足度、结构的安全可靠度、建造经济性均得到较好的收益。

c.变电构架独有的受力特性和荷载种类直接影响着变电构架的选型、截面、基础等设计，这就要求在变电构架设计中应力求荷载取值及荷载组合的准确性，保证无错项、无漏项。

d.设计时带入优化理念，往往可以得到传力路径更为明确、受力更为合理、成本更为节约的变电构架。

e.变电构架结构设计的准确优质对输发电乃至整个变电站系统建设有着不可忽视的影响，合理的结构设计方案可以获得经济、安全、使用便利等多方面的效益，运用优化思维使变电构架设计更加完善是电力建设不可忽视的方向。