变电所500kV构架设计优化

500千伏滁州变电所500kV构架技术报告安徽省电力设计院

陈慧勇2OO4年5月500kV滁州变电所是华东安徽500kV输变电项目的一个子项，本工程500kV配电装置采用悬吊式管型母线，#1、#2主变进线采用低架横穿进串方案。根据电气配电装置布置，结合新材料新工艺以及计算机技术，我对500kV构架进行了设计优化，以达到质量高、施工快、投资省的目的。下面从以下几个方面作详细说明。1配电装置的布置1.1配电装置的型式从我国已建的500kV电压等级的变电所来看，500kV配电装置基本上为户外软母线、硬母线（悬挂式、支撑式）配电装置，户内仅为个别。户外配电装置型式的优缺点见表1:户外配电装置型式表1结构形式优点缺点1软母线构架高度低，抗震性能好，造价低导线张力大，布置占地大2支撑管母布置占地小，视觉美观，导线张力小构架高度高，抗震性能差3悬吊管母导线张力小，布置占地小，抗震性能好，视觉美观构架高度高根据以上分析，本工程500kV配电装置采用悬吊式管母。1.2配电装置的构架结构500kV配电装置户外结构安全等级为一级，由此可见其重要性。户外构架种类较多，差异较大，设计一般要考虑：结构方案满足电气布置要求，各种工况条件下安全可靠，构造简单，受力明确，制作、安装、运输方便，投资经济。根据500kV变电所屋外配电装置布置型式，考虑到变电构架主要受导线拉力作用，本工程提出联合构架布置的设计方案。其主要设计指导思想是，在主要受力方向用无挂线的联系梁或延长母线梁，将相互独立的构架连成一体，使构架之间的导线张力成为以梁为支点的内力，线路侧的导线张力由多棉构架共同承担。这种布置方案不仅需要结合工艺的条件，而且体现了结构设计的主动性，从有利于结构性能的角度，增加部分联系梁，使构架梁、柱在受力范围和受力方向形成联合受力体系。其特点是，在导线张力相同的情况下，能使每个构架柱及基础的最大内力大幅度降低，从而达到减少构架材料用量及占地面积，降低工程造价，提高整体构架安全性能的效果。从实际效果看，用钢量较常规布置可以节约12.5~15吨，占整个联合构架用钢量的5%。2构架受力分析2.1构架力学模型联合构架受力分析比分立式构架稍显复杂，不仅要考虑各种工况下各种荷载组合，而且每个构架柱对于不同的荷载工况，需要考虑不同的力学模型。以出线构架柱为例，对于所内单侧挂线荷载，联系梁或母线梁是出线构架柱的固定铰支座（忽略梁的轴向变形）；而对于所外线路侧挂线荷载，联系梁或母线梁是出线构架柱的弹性支座，其弹性系数取决于构架柱以及母线梁和联系梁的合成刚度，相互联系的构架柱按刚度分配结构内力。从上面分析可知，联合构架受力分析应优先采用空间三维计算模型，也可简化为平面模型，按平面内或平面外组合分析。在本工程计算中，我采用了美国REI公司的STAAD-PRO空间杆系分析与设计软件。在构架柱计算中，把格构式梁按等刚度法简化成一根钢管梁，然后再单独计算格构式梁，这样可大大简化模型输入，提高设计速度，同传统的平面分析方法比较，构件的受力更接近于实际受力。传统的平面设计方法，由于无法精确反映构架的真实受力状态，造成一些构件受力不足，而另一些构件却接近于满应力工作，虽然构架用钢量并不低，但构架的整体安全度并不高。当采用空间分析方法计算时，由于可以对所有的构件依照设定的应力控制指标进行满应力设计，所有构件的安全度都是接近的，构架的整体可靠度指标也就等同于任意构件的可靠度指标，避免了因局部破坏而对整体造成的影响。这样，在用钢量方面可节约钢材10%左右，在结构可靠度方面，由于构件本身不再存在余度特别大或设计应力比较紧张的构件，从整体上讲，构架的可靠度反而提高了。2.2构架温度应力温度应力根据《变电所建筑结构设计技术规定》3.3.4条规定，两端设刚性支撑的连续排架长度超过150米时，应考虑温度应力的影响，此项规定参照钢结构条款而来，事实上，根据构架的构造特点，其受力时为不连续的铰支座，梁必定产生一定滑移，无法将全部由温度引起的力传递到支撑，因而对温度应力的影响条件可放宽，特别是对联合构架，可采用改善支座约束条件的方法，让梁在温度变形时有滑移的可能，从而达到释放温度应力取消构架温度变形缝的目的。本工程主要采用这种方式，这样构造简单，可减少纵向布置尺寸，经济实用，工程实践下来，效果较好。3构架柱的类型及截面形式3.1构架柱的类型目前，国内500KV构架，其构架柱采用A型人字柱形式，具有受力性能好、稳定性好、结构简单、造型美观、经济等特点，按其材料类型具体又可分为钢管构架、钢管混凝土构架，薄壁离心钢管混凝土构架，角钢格构式构架。各结构优缺点如表2:出线构架类型表2结构型式优点缺点1钢管加工、安装、运输方便，自重轻耗钢量大，投资大，内部易锈蚀2钢管混凝土刚度大，耗钢量小，内部防腐好施工困难，周期长3薄壁离心钢管混凝土结构合理，充分发挥材料受力特性；刚度大、耗钢量小、内部防腐好；便于加工，质量稳定、经济加工安装要求高，起吊运输重量增加，防腐处理难4角钢格构加工、运输方便，自重轻，易镀锌安装复杂，杆件种类多，占地面积大从上表可以看出，各结构都有自己的优缺点，综合我国兴建的多个变电所，其中钢管结构所占比重最大，技术也最为完善，因此本工程采用钢管结构。3.2构架柱截面形式钢柱采用的钢管，工程中多采用螺旋焊接钢管或直缝焊接钢管，随着机械加工能力的提高，又出现了一种正多边形钢管的新型截面形式。它是采用大型压力机冷弯成形的直缝钢管，可以根据需要任何选择断面规格，能充分利用钢材强度，使断面选择更加合理，避免了螺旋焊接钢管必须按型号进行选取而造成的浪费。在力学性能上，当截面面积和壁厚相同的条件下，正多边形边数越多，其截面特性与圆管越接近。正八边形及以上钢管和圆管在截面力学性能和局部稳定性方面都已比较接近，能满足变电所构架柱的受力要求，并且其外观棱角分明，立体感强，加上其加工速度快、成本低的特点。3.3构架柱的连接钢管柱的连接可采用剖口对焊连接或法兰连接。采用焊接连接，可以节省钢材，外形美观，其缺点是焊接工作需现场进行，作业条件差，焊缝外需要现场喷锌，焊缝及喷锌质量不易保证，焊缝处钢管内侧防腐能力较差，一旦产生薄弱点，将为氧化一一还原反应的腐蚀创造条件，加速钢材的腐蚀，大大地缩短了构件寿命。法兰连接虽增加了用钢量（随着加工工艺条件的改善，加工长度逐步提高，可减少法兰个数，降低钢材用量），但由于其所有焊接和热镀锌工作均在工厂完成，现场组装，因为没有现场焊缝，钢管防腐性能好，安装方便，节省工期，因此从耐久性和适用性上看，钢管柱的连接宜采用法兰连接。4构架梁的形式及应力分析500kV构架梁常用断面形式有三角形和矩形。小荷载条件下，三角形断面梁用钢量少，荷载较大时，矩形断面梁用钢量少，但二者相差不大。矩形断面梁用于自立式角钢构架柱，可加强整体构架的抗侧力性能。三角断面梁配合钢管构架柱，构造简单，安装方便。梁的结构形式下面结合钢管构架柱，主要说明三角形断面梁的形式，其结构方案有以下三种形式。梁的设计受刚度控制，梁挠度变形决定梁所需刚度，一旦梁的高度、主材确定，刚度也随之确定。梁受力特点是主材中间大，腹材两边大，主材一般占梁总用材量的35%-50%左右，梁自重越大，主材所占比重越小，腹材节间距离越小，梁自重越大。梁的受力分析在受力分析方面，上面已说明最好采用空间三维分析软件，尽量使主材、腹材在各种工况下最不利的受力保持相近的应力水平，避免材料未尽其用而造成浪费。对出线梁及高架梁要区别对待，两者荷载相差很大，材料用量也差别很大。对在梁上悬吊阻波器的出线梁，有的工程采用四点悬吊，有的采用两点悬吊，如每串绝缘子串重150kg，阻波器重250kg，则四点悬吊集中力为850kg，而两点悬吊则只有550kg，在同等条件下，采用两点悬吊可比四点悬吊节约钢材。5、构架柱基础形式基础形式有刚性基础，柔性平板基础及联合基础，基础设计因地质情况差别较大，设计时