2021年6期科技创新与应用
Technology Innovation and Application设计创新某变电站220kV双层出线构架设计优化 赵李源1，程春健2，刘碧3
（1.中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北武汉430071；2.湖北省华网电力工程有限公司，湖北武汉430042；
3.中南建筑设计院股份有限公司，湖北武汉430071）
引言
随着经济建设的快速发展，同一地区的用电负荷也越来越大，因此常常造成新建变电站的出线规模不断增加，但是变电站的占地面积指标却又时长受限，为了解决二者之间的矛盾，达到既能满足出线需求，又能尽可能降低变电站占地面积的目的，越来越多的变电站开始采用双层出线构架的方案。 双层出线构架有不连续设置的，也有两跨连续或者三跨连续设置的，为了与站外终端塔相匹配，尽可能减小出线侧导线偏角，就需要合理布置双层出线构架的位置。同时为了尽可能降低工程建设成本，就需要选择合适的构架结构形式，既能满足受力和变形的要求，又能减少用钢量和占地面积。
1工程概况
该变电站位于云南省保山市隆阳区蒲缥镇，站址原始地貌属横断山系切割山地峡谷区，自然高程为1687m~ 1717m之间。本工程抗震设防烈度8度（0.17g），建筑场地类别为Ⅰ1类，设计基本风压：W=0.43kN/m2。220kV交流场采用敞开式布置，本期出线10回，远期出线8回，出线间隔宽度为13m，下层出线构架挂线高度为16m，上层出线构架挂线高度为23m，220kV交流出线构架本期全部建成。
2结构方案及优化
2.1结构选型
500kV及以下变电构架通常采用焊接普通钢管结构，该结构通常是由焊接普通钢管人字柱和格构式钢梁组成，加工工艺很成熟，生产厂家较多，占地面积小，节点数量少，构造简单，加工和安装较为方便，外形美观[1]。
本变电站220kV交流出线构架为单排门型构架，部分间隔双层出线，适宜采用钢管人字柱和格构式钢梁，有利于节省配电装置场地占地面积。双层出线构架优化前后的布置如图1中方案一和方案二所示。
2.2双层构架布置及优化
根据电气专业布置，本工程中220kV出线构架中仅第1跨和第3跨设置双层出线，如图1中方案一所示。考虑到采用23m高带端撑人字柱后，一层构架仅一端设置端撑，对于构架纵向的侧向力传递不是十分有利，与电气和线路专业沟通后，可将双层出线间隔设置在第2跨和第3跨，适当调整第2跨二层出线导线偏角，如图1方案二所示。
2.3构架几何信息
220kV出线构架几何信息如表1所示。
3设计分析
防水微动开关3.1计算模型
220kV出线构架采用通用有限元结构分析与设计软件STAAD.Pro V8i建模并计算，构架梁（含弦杆和腹杆）、
摘要：为解决变电站占地面积逐渐减小和出线规模不断增加之间的矛盾，不少变电站开始采用双层出线门型构架。文章依托某500kV变电站内的220kV双层出线构架设计实例，分析比较了不同结构形式的双层出线构架的特点，为今后其他类似工程提供参考。
关键词：双层出线构架；变电站；设计优化；变形
中图分类号:TU391文献标志码:A文章编号:2095-2945(2021)06-0105-03
Abstract:In order to solve the contradiction between the reduction in the area of substations and the increasing scale of outlets,many substations have begun to adopt double outlet framework.Based on a design example of a220kV double outlet framework in a500kV substation,this paper analyzes and compares the characteristics of the double outlet framework with
different structures,whichprovides a reference for other similar projects in the future.
Keywords:double outlet framework;transformer substation;design optimization;deformation
作者简介：赵李源（1989-），男，硕士研究生，工程师，研究方向：变电土建设计。
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设计创新
构架柱、支撑等均采用梁单元模拟，具体结构模型详见图
1中方案一、方案二。
a 方案一
b 方案二
图1结构模型
精轧管作用在构架上的荷载按其性质可分为以下三类：（1）永久荷载：如构架自重、固定的设备重及导线和绝缘子自重产生的垂直荷载和水平张力等；（2）可变荷载：如风荷载（构架风压、导线侧向风压及其产生的水平张力）、冰荷载（结构覆冰荷载、导线和绝缘子上覆冰所产生的垂直及
水平张力）、安装及检修时临时性荷载、地震作用、温度变化作用等；（3）偶然荷载：如短路电动
力、验算（稀有）风荷载及验算（稀有）冰荷载[1-2]。
风荷载根据《变电站建筑结构设计技术规程》（DL/T
5457-2012）规定按照构架高度分段计算，构架风振系数
取1.0[2]，设计基本风压：W=0.43kN/m 2。
变电构架根据使用过程中在结构上可能同时出现的荷载，按承载能力极限状态（U ）和正常使用极限状态（N ）分别进行荷载组合，如表3所示。其中，承载能力极限状态考虑大风运行、夏季或冬季安装大风运行、地震工况下的基本组合；正常使用极限状态考虑大风工况条件下的标准组合[2-4]。
表3荷载组合
注：G k -结构自重及其他恒载效应标准值；D 11k -大风
气象条件下的导线荷载效应标准值；D 21k -安装气象条件
下紧线相的导线荷效应载标准值；D 22k -安装气象条件下
非紧线相的导线荷载标效应准值；D 32k -单相导线上人检修时的导线荷载效应标准值；W k -大风气
象条件下作用
于构架和导线上的风荷载效应标准值；W 10k -对应风速为
10m/s 时作用于构架和导线上的风荷载效应标准值；E k -地震作用效应标准值
3.3结构内力
220kV 出线构架结构内力计算结果如表4所示：（1）
两种方案的构架柱应力比均控制在0.95以内，因此构架
的承载力验算均能满足规范要求；（2）两种方案中的人字柱内力均相差不大，无论是23m 高人字柱还是16m 高人字柱，由此可见二层出线间隔位置的调整并未影响构架中间段人字柱的内力；（3）方案一中的23m 高端撑轴力较小，原因在于该端撑仅能分担二层1榀构架的侧向力，而未能有效分担一层7连跨构架的侧向力，进而导致一层构架的16m 高端撑内力显著偏大；（4）由于方案二通过调整二层构架间隔的布置，使得一层构架两端具备同时设置端撑的条件，因此方案二的一层构架端撑在根开减小
几何信息 方案一
方案二
导线挂点高度/m 16(一层)/23 (二层) 地线挂点高度/m 20(一层)/27 (二层)
梁跨度/m 13 梁断面尺寸/m △0.9×0.78
16m 高柱根开/m 人字柱 1.82
端撑柱 4.5 3.7 23m 高柱根开/m 人字柱 2.56 2.56 端撑柱
5.1 /
表1几何信息
导线类别 水平张力 垂直荷载 侧向风荷载 导线
10.0 5.0 5.0 地线
5.0
2.0
1.0
表2出线侧导线张力
（大风工况）注：连续出线同方向平均偏角不大于10毅
极限状态 工况名称
组合表达式
U
大风运行 1.3(1.0)G k +1.4D 11k +1.5W k
安装工况 1.3(1.0)G k +1.4D 21k +1.4D 22k +1.5W 10k 检修工况 1.3(1.0)G k +1.4D 32k +1.4D 22k +1.5W 10k 地震作用 1.3(1.0)G k +1.4D 11k +1.4E k +1.5W 10k N 大风运行 1.0G k +1.0D 11k +1.0W 10k (0.5W k )
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的情况下，内力和应力比仍大幅降低；（5）两种方案的控
制工况均为大风工况，因此在对构架进行计算分析时，在
考虑了大风工况的情况下可以不用再考虑地震作用效应
组合。
3.4结构变形
根据《变电站建筑结构设计技术规程》（DL/T5457-
2012）中6.5.1条规定，人字柱平面内、平面外（带端撑）的
允许挠度为H/200，人字柱平面外（不带端撑）的允许挠
度为H/100[2]。构架柱的变形计算结果如表5所示：（1）两种方案的变形均满足规范要求；（2）两种方案的平面内位移角相差无几，但是方案二的平面外位移角相较方案一均较大幅度降低。
表5构架柱柱顶变形对比
3.5经济性
两种方案的总耗钢量和间隔耗钢量比较如表6所示，从中可以看出，方案二的耗钢量相对较小，但是减小幅度并不是十分明显。
两种方案的单排构架占地长度和总占地长度如表6所示，与方案一相比，方案二的220kV配电装置场地总占地长度可减小4.4m，考虑到220kV配电装置场地宽度为68m，因此减少的占地面积为299.2m2。
4结束语
通过以上分析可知：（1）与方案一相比，方案二的220kV出线构架的耗钢量和占地面积均有不同程度的减小，构架的应力比和变形也相对更优，因此，今后变电站采用双层构架出线且二层间隔数量不多时，尽量采用方案二的结构形式，即将二层间隔连续布置在构架中部。（2）方案一、二的计算结果表明220kV出线构架的控制工况均为大风工况，因此变电构架设计时若已考虑大风工况，可以不用再考虑地震作用效应组合，以便简化荷载组合和计算。
参考文献院
[1]中南电力设计院.变电构架设计手册[M].武汉：湖北科学技术出版社，2006.
[2]中华人民共和国国家能源局.变电站建筑结构设计技术规程：DL/T5457-2012[S].北京：中国计划出版社，2012. [3]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑结构荷载规范：GB50009-2012[S].北京：中国建筑工业出版社，2012. [4]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑结构可靠性设计统一标准：GB50068-2018[S].北京：中国建筑工业出版社，2018.
[5]中华人民共和国住房和城乡建设部.钢结构设计标准：GB50017-2017[S].北京：中国建筑工业出版社，2018.
结构方案构件名称截面/mm 轴力/kN 面内弯矩/kN·m 面外弯矩/kN·m 应力比控制工况
方案一
23m高端撑Φ426×8 604.5 130.8 1.0 0.88
静压主轴
大风运行23m高带端撑人字柱Φ400×8 542.7 100.0 19.8 0.91 23m高人字柱Φ400×8 487.2 88.9 22.0 0.81
16m高端撑Φ400×8 1765.8 85.9 1.5 0.85
16m高带端撑人字柱Φ350×10 929.0 89.3 2.3 0.90 16m高人字柱Φ300×6 466.7 0.5 13.5 0.68
方案二
23m高人字柱Φ400×8 569.7 94.8 6.0 0.92
大风运行16m高端撑Φ400×8 1485.9 98.5 1.6 0.80
16m高带端撑人字柱Φ350×10 754.8 74.7 4.1 0.93 16m高人字柱Φ300×6 466.4 0.4 13.5 0.68
表4构架柱内力对比
注：16m高端撑柱材质为Q355B，其余构架柱材质为Q235B
结构方案方向
制卡机
一层柱顶变
形值/mm
位移角
二层柱顶变
形值/mm
位移角
防尘服方案一平面内31.4 1/509 23.8 1/672 平面外52.5 1/304 130.9 1/122
方案二平面内31.1 1/514 23.6 1/678
平面外39.5 1/405 115 1/200
结构
方案
哑光玻璃单排耗
钢量/t
总耗钢
量/t
间隔耗
钢量/t
单排占地
长度/m
总占地
长度/m
方案一53.4 106.8 5.93 100.6 201.2
方案二51.1 102.2 5.67 98.4 196.8
表6方案经济性对比
注：（1）站内220kV配电装置区域共两排220kV出线
构架，共计18个出线间隔；（2）表中统计的耗钢量已包含
节点重量
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