變電站構架結構選型分析

楊慶陶　馬曉爽（國核電力規(guī)劃設計研究院，北京　100095）

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變電站構架結構選型分析

楊慶陶馬曉爽
（國核電力規(guī)劃設計研究院，北京100095）

摘要：介紹了國內(nèi)外變電站構架的結構型式，分析了不同結構型式的特點及適用范圍，并結合某變電站架構案例，通過對多種構架型式的分析對比，選出最適合該項工程的構架型式，從而保證工程的順利進行。

關鍵詞：變電站，結構型式，構架結構

0　引言

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，國家用電負荷的快速增長，三十多年來我國的電網(wǎng)建設也經(jīng)歷了高速發(fā)展。變電站是電網(wǎng)建設中的重要一環(huán)，關系著整個電網(wǎng)的正常運行。構架是變電站最主要、最復雜的構筑物，而且隨著電壓等級越高，構架的重要性和復雜性就越高。

1　國內(nèi)外變電站構架的結構型式現(xiàn)狀［1-3］

目前國內(nèi)外變電站構架的結構型式主要有以下四種：

1）鋼筋混凝土環(huán)形桿柱結構，該結構的主要受力構件是鋼筋混凝土環(huán)形桿，現(xiàn)場安裝時構件的連接方式均采用螺栓連接或焊接。

2）A型高強度鋼管結構，該結構由高強度單桿式鋼管梁和A型鋼管構架柱組成，梁柱之間采用剛接連接。

3）A型普通鋼管結構，該結構由三角形斷面的格構式鋼梁和A型等普通鋼管構架柱組成，梁柱采用鉸接連接。構架柱和構架梁主桿采用普通鋼管，構架柱和構架梁主桿拼接接頭采用法蘭連接。

4）格構式鋼構架，該結構由矩形或三角形斷面格構式柱和矩形或三角形斷面格構式構架梁組成，構架梁和柱之間采用鉸接或剛接連接。依據(jù)桿件類型不同又可分為鋼管格構式和角鋼格構式。

2　變電站構架結構選型分析

2.1鋼筋混凝土環(huán)形桿柱結構

該結構可以簡化為桁架結構，只受軸向方向的力。由于在設計、施工和制作上積累了廣泛的經(jīng)驗，而且混凝土構件不存在防腐這一問題，使得鋼筋混凝土環(huán)形桿柱結構在早期變電站構架上使用較為廣泛，但是鋼筋混凝土環(huán)形柱存在易開裂、難修復、鋼箍焊接點難防腐等問題，而且支座時桿長會有限制。該結構多用于220 kV及以下電壓等級的變電站。

總的來說，鋼筋混凝土環(huán)形桿結構前期投資較少，但是后期維護花費較大，總體費用較大。從全壽命周期分析來看經(jīng)濟性不突出，目前逐漸被鋼管、角鋼結構取代。

2.2A型高強度鋼管結構

該結構的主要特點是鋼材強度高，常用的420 MPa，520 MPa兩種，截面多為多邊形。高強度鋼管構架柱節(jié)省用鋼量，由于構架梁一般由穩(wěn)定和擾度起控制作用，所以高強度鋼管構架梁并不節(jié)省鋼材梁?？傮w造價略高于普通鋼管結構。由于構架梁的跨度一般較大，所以高強度鋼管構架梁的截面尺寸較大，并不美觀。所以高強度鋼管構架在國內(nèi)應用不廣，多用于220 kV架構。

2.3A型普通鋼管結構

該結構可以簡化為排架—桁架的力學模型，在進行受力計算時只需考慮軸力，不需要考慮梁柱的共同作用，在進行現(xiàn)場安裝時均采用螺栓的連接方式，普通鋼管結構在進行運輸和安裝時較為方便，在防腐方面，通常對鋼構件采取鍍鋅處理。構架梁主桿通過節(jié)點板與腹桿螺栓連接，包裝、運輸方便、安裝快捷。目前國內(nèi)220 kV和500 kV變電站的構架多采用這種結構型式。

2.4格構式鋼結構

該結構根據(jù)主桿和腹桿的類型不同可分為鋼管格構式和角鋼格構式。

鋼管格構式構架用鋼量較少，結構主桿采用鋼管，腹桿全采用鋼管，或少量采用角鋼。結構主桿采用法蘭連接，結構主桿與腹桿通過節(jié)點板螺栓連接。鋼管格構式結構材料強度利用率較高，而且圓形截面風阻較小。但鋼管材料較角鋼材料單價高，而且鋼管連接的節(jié)點板數(shù)量多，不便于包裝、運輸，該結構多用于國內(nèi)750 kV及以上電壓等級的構架。

全角鋼格構式構架用鋼量小，由較小角鋼組成，構件尺寸小、自重輕，制作、運輸及防腐處理很方便。結構主桿采用角鋼拼接連接，腹桿布置方式靈活多變，交叉腹桿之間采用單螺栓連接。角鋼腹桿與主材之間可直接采用螺栓連接，大大減少了節(jié)點板的數(shù)量，便于長距離運輸。缺點是構件數(shù)量較多，所以在現(xiàn)場安裝時，工作量較大，工期較長。國外500 kV變電站的構架多采用這種結構。

3　變電站架構案例分析

非洲某500 kV變電站的500 kV出線構架，該出線構架為連續(xù)四跨的鋼架結構，每跨32 m，總長度128 m，構架梁高度33 m。構架梁導線張力為45 kN，地線張力為9 kN，變電站所處區(qū)域基本風壓0.6 kN/m2。

3.1構架結構選型

由于非洲當?shù)劁摬膮T乏，鍍鋅工藝落后，供貨工期長，不能滿足工程建設需要，需要從國內(nèi)供應構架材料，依次通過陸運、海運的形式運送至施工工地現(xiàn)場。

該工程構架梁跨度較大，構架柱高度較高，導線張力較大。如果采用A型普通鋼管構架型式，所用鋼材規(guī)格大，構件重量也大。本工程不推薦采用A型普通鋼管構架，推薦采用格構式構架，由于格構式角鋼構架腹桿與主材之間可直接采用螺栓連接，大大減少了節(jié)點板的數(shù)量，便于長距離運輸。所以本工程推薦采用格構式角鋼構架。

3.2構架柱、梁結構選擇

構架柱的平面形狀多為四邊形，四邊形構架柱側向剛度和整體抗扭性能較好，是一種較好的結構型式，應用也最為廣泛，該工程推薦采用四邊形構架柱。

構架梁平面形狀有三角形和四邊形兩種，三角形梁多用于A型普通鋼管構架中，也常見于梁跨相對較小的500 kV電壓等級以下變電構架。四邊形構架梁受力體系較好，在格構式構架中多采用四邊形構架梁。該工程導線拉力較大，本工程推薦采用四邊形構架梁。

3.3腹桿體系選型

腹桿的用鋼量大約占整個結構用鋼量的40%，所以腹桿的布置型式不僅關系到結構的受力是否合理，外觀是否美觀，還影響整個結構的造價。目前角鋼格構式構架柱的腹桿型式主要有以下兩種：第一種腹桿布置型式：寬邊采用人字斜撐和橫撐，窄邊采用交叉斜撐，見圖1。第二種腹桿布置型式：寬邊和窄邊都采用交叉斜撐，見圖2。

圖1　腹桿布置型式一

圖2　腹桿布置型式二

這兩種腹桿布置型式窄邊布置相同，只是寬邊的中下部分布置不同。這兩種布置型式對主材分段長度一樣，主材的計算長度也一樣。寬邊中下部分的腹桿的型號一般往往都是由長細比控制，而不是型材的強度和穩(wěn)定性起控制作用。第一種布置型式斜腹桿的長細比由最小軸回轉半徑控制，由于水平腹桿設置了橫隔，水平腹桿的長細比也是由最小回轉半徑控制。所以第一種布置型式腹桿材料的強度沒有充分發(fā)揮，材料強度利用率較低。第二種布置型式中斜腹桿的長細比由平行軸回轉半徑控制，腹桿材料的強度利用率較高。

根據(jù)電力行業(yè)標準DL/T 5154—2012架空輸電線路桿塔結構設計技術規(guī)定第8.1.4條，在桿塔塔身坡度變化的斷面處、直接受扭力的斷面處和塔頂及塔腿連接斷面處應設置橫隔面。同一塔身坡度不變段內(nèi)，橫隔面設置的間距一般不大于平均寬度（寬面）的5倍，也不宜大于4個主材分段［4］。所以四個主材分段只需要設置一個橫隔面即可，與第一種布置型式相比，第二種布置型式在主材型號不變的情況下降低了腹桿的總重量，節(jié)省鋼材。

4　結語

1）變電站構架型式有許多種，我們應在參考電壓等級、工程預算、工程重要性、施工條件、物流條件等多方面的綜合因素的前提下，選擇出最適合的構架型式，進而保證工程的順利開展。2）構架柱、構架梁選用合理的結構型式，選用合理的腹桿布置型式，能降低整個構架的總用鋼量，節(jié)省鋼材。

參考文獻：

［1］陳傳新，劉素麗.750kV變電站結構選型［J］.電力建設，2007，28（5）：33-35.

［2］常偉，張玉明，雷曉標，等.750kV格構式桿系結構設計優(yōu)化［J］.鋼結構，2015，6（30）：64-68.

［3］中南電力設計院.變電構架設計手冊［M］.武漢：湖北科學技術出版社，2006：24-28.

［4］DL/T 5154—2012，架空輸電線路桿塔結構設計技術規(guī)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

中圖分類號：TU318

文獻標識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）06-0059-02

收稿日期：2015-12-18

作者簡介：楊慶陶（1982-），男，工程師；馬曉爽（1981-），女，工程師