變電所500kV構架設計優(yōu)化

500千伏滁州變電所500kV構架技術報告安徽省電力設計院

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主變進線采用低架橫穿進串方案。根據(jù)電氣配電裝置布置，結合新材料新工藝以及計算機技術，我對500kV構架進行了設計優(yōu)化，以達到質量高、施工快、投資省的目的。下面從以下幾個方面作詳細說明。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結構形式優(yōu)點缺點1軟母線構架高度低，抗震性能好，造價低導線張力大，布置占地大2支撐管母布置占地小，視覺美觀，導線張力小構架高度高，抗震性能差3懸吊管母導線張力小，布置占地小，抗震性能好，視覺美觀構架高度高根據(jù)以上分析，本工程500kV配電裝置采用懸吊式管母。1.2配電裝置的構架結構500kV配電裝置戶外結構安全等級為一級，由此可見其重要性。戶外構架種類較多，差異較大，設計一般要考慮：結構方案滿足電氣布置要求，各種工況條件下安全可靠，構造簡單，受力明確，制作、安裝、運輸方便，投資經濟。根據(jù)500kV變電所屋外配電裝置布置型式，考慮到變電構架主要受導線拉力作用，本工程提出聯(lián)合構架布置的設計方案。其主要設計指導思想是，在主要受力方向用無掛線的聯(lián)系梁或延長母線梁，將相互獨立的構架連成一體，使構架之間的導線張力成為以梁為支點的內力，線路側的導線張力由多棉構架共同承擔。這種布置方案不僅需要結合工藝的條件，而且體現(xiàn)了結構設計的主動性，從有利于結構性能的角度，增加部分聯(lián)系梁，使構架梁、柱在受力范圍和受力方向形成聯(lián)合受力體系。其特點是，在導線張力相同的情況下，能使每個構架柱及基礎的最大內力大幅度降低，從而達到減少構架材料用量及占地面積，降低工程造價，提高整體構架安全性能的效果。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)合構架用鋼量的5%。2構架受力分析2.1構架力學模型聯(lián)合構架受力分析比分立式構架稍顯復雜，不僅要考慮各種工況下各種荷載組合，而且每個構架柱對于不同的荷載工況，需要考慮不同的力學模型。以出線構架柱為例，對于所內單側掛線荷載，聯(lián)系梁或母線梁是出線構架柱的固定鉸支座（忽略梁的軸向變形）；而對于所外線路側掛線荷載，聯(lián)系梁或母線梁是出線構架柱的彈性支座，其彈性系數(shù)取決于構架柱以及母線梁和聯(lián)系梁的合成剛度，相互聯(lián)系的構架柱按剛度分配結構內力。從上面分析可知，聯(lián)合構架受力分析應優(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空間桿系分析與設計軟件。在構架柱計算中，把格構式梁按等剛度法簡化成一根鋼管梁，然后再單獨計算格構式梁，這樣可大大簡化模型輸入，提高設計速度，同傳統(tǒng)的平面分析方法比較，構件的受力更接近于實際受力。傳統(tǒng)的平面設計方法，由于無法精確反映構架的真實受力狀態(tài)，造成一些構件受力不足，而另一些構件卻接近于滿應力工作，雖然構架用鋼量并不低，但構架的整體安全度并不高。當采用空間分析方法計算時，由于可以對所有的構件依照設定的應力控制指標進行滿應力設計，所有構件的安全度都是接近的，構架的整體可靠度指標也就等同于任意構件的可靠度指標，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，在結構可靠度方面，由于構件本身不再存在余度特別大或設計應力比較緊張的構件，從整體上講，構架的可靠度反而提高了。2.2構架溫度應力溫度應力根據(jù)《變電所建筑結構設計技術規(guī)定》3.3.4條規(guī)定，兩端設剛性支撐的連續(xù)排架長度超過150米時，應考慮溫度應力的影響，此項規(guī)定參照鋼結構條款而來，事實上，根據(jù)構架的構造特點，其受力時為不連續(xù)的鉸支座，梁必定產生一定滑移，無法將全部由溫度引起的力傳遞到支撐，因而對溫度應力的影響條件可放寬，特別是對聯(lián)合構架，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，從而達到釋放溫度應力取消構架溫度變形縫的目的。本工程主要采用這種方式，這樣構造簡單，可減少縱向布置尺寸，經濟實用，工程實踐下來，效果較好。3構架柱的類型及截面形式3.1構架柱的類型目前，國內500KV構架，其構架柱采用A型人字柱形式，具有受力性能好、穩(wěn)定性好、結構簡單、造型美觀、經濟等特點，按其材料類型具體又可分為鋼管構架、鋼管混凝土構架，薄壁離心鋼管混凝土構架，角鋼格構式構架。各結構優(yōu)缺點如表2:出線構架類型表2結構型式優(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，內部易銹蝕2鋼管混凝土剛度大，耗鋼量小，內部防腐好施工困難，周期長3薄壁離心鋼管混凝土結構合理，充分發(fā)揮材料受力特性；剛度大、耗鋼量小、內部防腐好；便于加工，質量穩(wěn)定、經濟加工安裝要求高，起吊運輸重量增加，防腐處理難4角鋼格構加工、運輸方便，自重輕，易鍍鋅安裝復雜，桿件種類多，占地面積大從上表可以看出，各結構都有自己的優(yōu)缺點，綜合我國興建的多個變電所，其中鋼管結構所占比重最大，技術也最為完善，因此本工程采用鋼管結構。3.2構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行選取而造成的浪費。在力學性能上，當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性能和局部穩(wěn)定性方面都已比較接近，能滿足變電所構架柱的受力要求，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)場進行，作業(yè)條件差，焊縫外需要現(xiàn)場噴鋅，焊縫及噴鋅質量不易保證，焊縫處鋼管內側防腐能力較差，一旦產生薄弱點，將為氧化一一還原反應的腐蝕創(chuàng)造條件，加速鋼材的腐蝕，大大地縮短了構件壽命。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構架梁的形式及應力分析500kV構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架柱，可加強整體構架的抗側力性能。三角斷面梁配合鋼管構架柱，構造簡單，安裝方便。梁的結構形式下面結合鋼管構架柱，主要說明三角形斷面梁的形式，其結構方案有以下三種形式。梁的設計受剛度控制，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、構架柱基礎形式基礎形式有剛性基礎，柔性平板基礎及聯(lián)合基礎，基礎設計因地質情況差別較大，設計時