變電所500kV構(gòu)架設(shè)計優(yōu)化

500千伏滁州變電所500kV構(gòu)架技術(shù)報告安徽省電力設(shè)計院

陳慧勇2OO4年5月500kV滁州變電所是華東安徽500kV輸變電項目的一個子項，本工程500kV配電裝置采用懸吊式管型母線，#1、#2主變進(jìn)線采用低架橫穿進(jìn)串方案。根據(jù)電氣配電裝置布置，結(jié)合新材料新工藝以及計算機技術(shù)，我對500kV構(gòu)架進(jìn)行了設(shè)計優(yōu)化，以達(dá)到質(zhì)量高、施工快、投資省的目的。下面從以下幾個方面作詳細(xì)說明。1配電裝置的布置1.1配電裝置的型式從我國已建的500kV電壓等級的變電所來看，500kV配電裝置基本上為戶外軟母線、硬母線（懸掛式、支撐式）配電裝置，戶內(nèi)僅為個別。戶外配電裝置型式的優(yōu)缺點見表1:戶外配電裝置型式表1結(jié)構(gòu)形式優(yōu)點缺點1軟母線構(gòu)架高度低，抗震性能好，造價低導(dǎo)線張力大，布置占地大2支撐管母布置占地小，視覺美觀，導(dǎo)線張力小構(gòu)架高度高，抗震性能差3懸吊管母導(dǎo)線張力小，布置占地小，抗震性能好，視覺美觀構(gòu)架高度高根據(jù)以上分析，本工程500kV配電裝置采用懸吊式管母。1.2配電裝置的構(gòu)架結(jié)構(gòu)500kV配電裝置戶外結(jié)構(gòu)安全等級為一級，由此可見其重要性。戶外構(gòu)架種類較多，差異較大，設(shè)計一般要考慮：結(jié)構(gòu)方案滿足電氣布置要求，各種工況條件下安全可靠，構(gòu)造簡單，受力明確，制作、安裝、運輸方便，投資經(jīng)濟。根據(jù)500kV變電所屋外配電裝置布置型式，考慮到變電構(gòu)架主要受導(dǎo)線拉力作用，本工程提出聯(lián)合構(gòu)架布置的設(shè)計方案。其主要設(shè)計指導(dǎo)思想是，在主要受力方向用無掛線的聯(lián)系梁或延長母線梁，將相互獨立的構(gòu)架連成一體，使構(gòu)架之間的導(dǎo)線張力成為以梁為支點的內(nèi)力，線路側(cè)的導(dǎo)線張力由多棉構(gòu)架共同承擔(dān)。這種布置方案不僅需要結(jié)合工藝的條件，而且體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計的主動性，從有利于結(jié)構(gòu)性能的角度，增加部分聯(lián)系梁，使構(gòu)架梁、柱在受力范圍和受力方向形成聯(lián)合受力體系。其特點是，在導(dǎo)線張力相同的情況下，能使每個構(gòu)架柱及基礎(chǔ)的最大內(nèi)力大幅度降低，從而達(dá)到減少構(gòu)架材料用量及占地面積，降低工程造價，提高整體構(gòu)架安全性能的效果。從實際效果看，用鋼量較常規(guī)布置可以節(jié)約12.5~15噸，占整個聯(lián)合構(gòu)架用鋼量的5%。2構(gòu)架受力分析2.1構(gòu)架力學(xué)模型聯(lián)合構(gòu)架受力分析比分立式構(gòu)架稍顯復(fù)雜，不僅要考慮各種工況下各種荷載組合，而且每個構(gòu)架柱對于不同的荷載工況，需要考慮不同的力學(xué)模型。以出線構(gòu)架柱為例，對于所內(nèi)單側(cè)掛線荷載，聯(lián)系梁或母線梁是出線構(gòu)架柱的固定鉸支座（忽略梁的軸向變形）；而對于所外線路側(cè)掛線荷載，聯(lián)系梁或母線梁是出線構(gòu)架柱的彈性支座，其彈性系數(shù)取決于構(gòu)架柱以及母線梁和聯(lián)系梁的合成剛度，相互聯(lián)系的構(gòu)架柱按剛度分配結(jié)構(gòu)內(nèi)力。從上面分析可知，聯(lián)合構(gòu)架受力分析應(yīng)優(yōu)先采用空間三維計算模型，也可簡化為平面模型，按平面內(nèi)或平面外組合分析。在本工程計算中，我采用了美國REI公司的STAAD-PRO空間桿系分析與設(shè)計軟件。在構(gòu)架柱計算中，把格構(gòu)式梁按等剛度法簡化成一根鋼管梁，然后再單獨計算格構(gòu)式梁，這樣可大大簡化模型輸入，提高設(shè)計速度，同傳統(tǒng)的平面分析方法比較，構(gòu)件的受力更接近于實際受力。傳統(tǒng)的平面設(shè)計方法，由于無法精確反映構(gòu)架的真實受力狀態(tài)，造成一些構(gòu)件受力不足，而另一些構(gòu)件卻接近于滿應(yīng)力工作，雖然構(gòu)架用鋼量并不低，但構(gòu)架的整體安全度并不高。當(dāng)采用空間分析方法計算時，由于可以對所有的構(gòu)件依照設(shè)定的應(yīng)力控制指標(biāo)進(jìn)行滿應(yīng)力設(shè)計，所有構(gòu)件的安全度都是接近的，構(gòu)架的整體可靠度指標(biāo)也就等同于任意構(gòu)件的可靠度指標(biāo)，避免了因局部破壞而對整體造成的影響。這樣，在用鋼量方面可節(jié)約鋼材10%左右，在結(jié)構(gòu)可靠度方面，由于構(gòu)件本身不再存在余度特別大或設(shè)計應(yīng)力比較緊張的構(gòu)件，從整體上講，構(gòu)架的可靠度反而提高了。2.2構(gòu)架溫度應(yīng)力溫度應(yīng)力根據(jù)《變電所建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》3.3.4條規(guī)定，兩端設(shè)剛性支撐的連續(xù)排架長度超過150米時，應(yīng)考慮溫度應(yīng)力的影響，此項規(guī)定參照鋼結(jié)構(gòu)條款而來，事實上，根據(jù)構(gòu)架的構(gòu)造特點，其受力時為不連續(xù)的鉸支座，梁必定產(chǎn)生一定滑移，無法將全部由溫度引起的力傳遞到支撐，因而對溫度應(yīng)力的影響條件可放寬，特別是對聯(lián)合構(gòu)架，可采用改善支座約束條件的方法，讓梁在溫度變形時有滑移的可能，從而達(dá)到釋放溫度應(yīng)力取消構(gòu)架溫度變形縫的目的。本工程主要采用這種方式，這樣構(gòu)造簡單，可減少縱向布置尺寸，經(jīng)濟實用，工程實踐下來，效果較好。3構(gòu)架柱的類型及截面形式3.1構(gòu)架柱的類型目前，國內(nèi)500KV構(gòu)架，其構(gòu)架柱采用A型人字柱形式，具有受力性能好、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡單、造型美觀、經(jīng)濟等特點，按其材料類型具體又可分為鋼管構(gòu)架、鋼管混凝土構(gòu)架，薄壁離心鋼管混凝土構(gòu)架，角鋼格構(gòu)式構(gòu)架。各結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點如表2:出線構(gòu)架類型表2結(jié)構(gòu)型式優(yōu)點缺點1鋼管加工、安裝、運輸方便，自重輕耗鋼量大，投資大，內(nèi)部易銹蝕2鋼管混凝土剛度大，耗鋼量小，內(nèi)部防腐好施工困難，周期長3薄壁離心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)合理，充分發(fā)揮材料受力特性；剛度大、耗鋼量小、內(nèi)部防腐好；便于加工，質(zhì)量穩(wěn)定、經(jīng)濟加工安裝要求高，起吊運輸重量增加，防腐處理難4角鋼格構(gòu)加工、運輸方便，自重輕，易鍍鋅安裝復(fù)雜，桿件種類多，占地面積大從上表可以看出，各結(jié)構(gòu)都有自己的優(yōu)缺點，綜合我國興建的多個變電所，其中鋼管結(jié)構(gòu)所占比重最大，技術(shù)也最為完善，因此本工程采用鋼管結(jié)構(gòu)。3.2構(gòu)架柱截面形式鋼柱采用的鋼管，工程中多采用螺旋焊接鋼管或直縫焊接鋼管，隨著機械加工能力的提高，又出現(xiàn)了一種正多邊形鋼管的新型截面形式。它是采用大型壓力機冷彎成形的直縫鋼管，可以根據(jù)需要任何選擇斷面規(guī)格，能充分利用鋼材強度，使斷面選擇更加合理，避免了螺旋焊接鋼管必須按型號進(jìn)行選取而造成的浪費。在力學(xué)性能上，當(dāng)截面面積和壁厚相同的條件下，正多邊形邊數(shù)越多，其截面特性與圓管越接近。正八邊形及以上鋼管和圓管在截面力學(xué)性能和局部穩(wěn)定性方面都已比較接近，能滿足變電所構(gòu)架柱的受力要求，并且其外觀棱角分明，立體感強，加上其加工速度快、成本低的特點。3.3構(gòu)架柱的連接鋼管柱的連接可采用剖口對焊連接或法蘭連接。采用焊接連接，可以節(jié)省鋼材，外形美觀，其缺點是焊接工作需現(xiàn)場進(jìn)行，作業(yè)條件差，焊縫外需要現(xiàn)場噴鋅，焊縫及噴鋅質(zhì)量不易保證，焊縫處鋼管內(nèi)側(cè)防腐能力較差，一旦產(chǎn)生薄弱點，將為氧化一一還原反應(yīng)的腐蝕創(chuàng)造條件，加速鋼材的腐蝕，大大地縮短了構(gòu)件壽命。法蘭連接雖增加了用鋼量（隨著加工工藝條件的改善，加工長度逐步提高，可減少法蘭個數(shù)，降低鋼材用量），但由于其所有焊接和熱鍍鋅工作均在工廠完成，現(xiàn)場組裝，因為沒有現(xiàn)場焊縫，鋼管防腐性能好，安裝方便，節(jié)省工期，因此從耐久性和適用性上看，鋼管柱的連接宜采用法蘭連接。4構(gòu)架梁的形式及應(yīng)力分析500kV構(gòu)架梁常用斷面形式有三角形和矩形。小荷載條件下，三角形斷面梁用鋼量少，荷載較大時，矩形斷面梁用鋼量少，但二者相差不大。矩形斷面梁用于自立式角鋼構(gòu)架柱，可加強整體構(gòu)架的抗側(cè)力性能。三角斷面梁配合鋼管構(gòu)架柱，構(gòu)造簡單，安裝方便。梁的結(jié)構(gòu)形式下面結(jié)合鋼管構(gòu)架柱，主要說明三角形斷面梁的形式，其結(jié)構(gòu)方案有以下三種形式。梁的設(shè)計受剛度控制，梁撓度變形決定梁所需剛度，一旦梁的高度、主材確定，剛度也隨之確定。梁受力特點是主材中間大，腹材兩邊大，主材一般占梁總用材量的35%-50%左右，梁自重越大，主材所占比重越小，腹材節(jié)間距離越小，梁自重越大。梁的受力分析在受力分析方面，上面已說明最好采用空間三維分析軟件，盡量使主材、腹材在各種工況下最不利的受力保持相近的應(yīng)力水平，避免材料未盡其用而造成浪費。對出線梁及高架梁要區(qū)別對待，兩者荷載相差很大，材料用量也差別很大。對在梁上懸吊阻波器的出線梁，有的工程采用四點懸吊，有的采用兩點懸吊，如每串絕緣子串重150kg，阻波器重250kg，則四點懸吊集中力為850kg，而兩點懸吊則只有550kg，在同等條件下，采用兩點懸吊可比四點懸吊節(jié)約鋼材。5、構(gòu)架柱基礎(chǔ)形式基礎(chǔ)形式有剛性基礎(chǔ)，柔性平板基礎(chǔ)及聯(lián)合基礎(chǔ)，基礎(chǔ)設(shè)計因地質(zhì)情況差別較大，設(shè)計時