摘要：在户外变电站中，户外配电装置场地面积约占整个变电站面积的５０%左右，而变电构架又起着承上启下的作用，因而在输电线路架空进出线过程中发挥着十分重要的作用。在当前变电构架体系中，钢构架相对于传统预制高强混凝土构架具有自重轻、强度高、耐久性好和施工速度快等优点，在大量变电站工程中得到广泛运用。随着社会用电量的持续增加，架空线路输送负荷越来越高，导线截面选型也相应越来越大，导线截面的增加导致构架所受拉力随之增加，因而对变电构架结构体系提出了更高的要求。
关键词：110kV变电站；变电构架；选型；优化
如何使钢构架受力合理、施工便捷、材料节约、经济合理、缩短工期，是当前需要研究解决的一大课题。笔者利用三维有限元分析软件STAAD PRO建立空间模型，对110KV出线构架进行有限元分析及优化设计，确定梁、柱截面尺寸，达到结构优化、经济合理、加工安装简便的目的。
一、110kV变电站出线构架选型
（一）110KV出线构架整体选型
某地区110KV变电站110KV屋外配电装置电气采用单母线分段接线形式，母线采用硬管母线，主要电气设备均采用屋外敞开式配电装置，电气总平面布置在此基础上进行优化。根据电气总平面的总体优化结果，变电构架选型时初步作如下考虑。
①方案一：将两跨合为一跨，即跨度由7m调整为14m，构架采用A字型钢管柱，构架横梁采用十二边形钢管梁，母线构架采用“T”形钢管支架及单管钢横梁。②方案二：将110KV出线构架与母线构架组合成联合构架，出线构架和母线构架跨度均为7m，构架柱采用单根钢管柱，构架横梁采用十二边形钢管梁。③方案三（常规方案）：跨度为7m，构架采用A字型钢管柱，构架横梁采用格构式三角形横梁，母线构架采用“T”形钢管支架及格构式角钢横梁。
从上可知，方案一结构简单，受力合理，两跨合一跨，使得构架柱及基础数量大大减少，既节省了钢材用量，又节约了基础混凝土用量，但该方案对梁、柱构件及节点制作安装精度要求较高；方案二采用联合构架型式，进出线构架与母线构架垂直布置，使得110KV联合构架在两个方向上都形成联合受力体系，相互垂直布置的构架梁，既能支撑站内进线及母线拉力，又能使全部构架柱联合作用抵抗线路侧导线拉力，有效的减少了单个构架柱和基础所承受的荷载，但该方案构件较多，用钢量高，对梁、柱构件及节点制作安装精度要求较高；方案三构架横梁钢材型号种类多，弦杆与腹杆连接需要进行多次焊接和螺栓连接，既耗时、耗工，又不节能环保，施工放样不便，且构架柱较多，整体用钢量较高，构架基础较多。通过上述分析，方案一和方案二较优，但方案二母线构架梁与出线构架柱连接，整体用钢量最大，方案三为常规方案，整体用钢量较大，构架基础也较多，不推荐采用。故以下对方案一（两跨合一方案）和方案二（联合构架方案）进行比较分析。
（二）构架柱选型
确定构架整体型式后，采用三维有限元分析软件STAAD PRO进行结构计算分析得出，方案一：采用两跨合一，可以达到减少构架柱及基础数量的目的，相较方案三（常规方案）可充分利用构架柱平面外整体抗压强度，结构平面内外稳定性、位移和挠度等参数均满足规范限值要求，用钢量整体减少20%左右，优化后的构架柱结构受力简单、传力明确、安全可靠；方案二：因采用联合受力型式，较传统A字型柱柱脚轴力小很多，达到了减少构架柱及基础数量的目的，且结构平面内外稳定性、位移和挠度等参数均满足规范限值要求，优化后的构件数量减少30%，但整体综合用钢量明显增加。
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（三）构架梁选型
在传统变电站工程中，构架横梁多采用格构式三角形截面，钢梁上、下弦杆及腹杆构件多，需要通过连接板进行大量焊接及螺栓连接，施工放样要求高，挂线点只能设置在桁架节点上，故本工程考虑横梁采用单根钢管梁，挂线点可随意设置，构件制作安装简便、快捷，构架柱与横梁采用刚性连接，节点采用法兰盘连接，节点受力性能相较传统铰接型式更优。
（四）构架基础选型
传统构架基础与构架柱一般采用预留杯口、柱脚插接形式，杯口中剩余间隙采用二次灌浆填充，此种工艺需多项工序，严重影响到工期及构架放线作业。本工程采用柱下独立基础，基础顶面预埋高强度螺栓方案，柱脚通过法兰盘与螺栓连接，规避了基础杯口二次灌浆工序，且在构架组立后即可进行上部放线施工，极大的缩短了施工工期。
二、110kV变电站变电构架选型设计使用的条件与要点
（一）工艺布置
在变电站构架选型过程中，设计条件使用的工艺布置是按照《变电站建筑结构设计技术规程》执行的。需要掌握好设计的类型和跨距，涉及的配电装置需要严格进行审查。主变进线、跳线双导线、跳线单导线、线路受力，地线受力都是其中涉及的重要元素。在设计优化的过程中，对构架的功能性进行提升，结构布局方面保持整齐简洁的方法，经过精准的计算提高施工的效率。
（二）荷载效应与组合形式
在构件选型优化设计过程中，需要考虑结构的风荷载，同时需要考虑温度的作用，地震作用，覆冰的荷载。按照《变电站建筑结构设计技术规程》，当两端设有刚性支撑的连续排架总长超过150m，或者超过100m，需要考虑温度的影响。地震作用需要考虑动峰值加速度0.05g。工程实践证明，Ⅶ度区500kv及以下登记的构架不收地震作用控制。电气应用的专业到现拉力计算需要结合结构自身的情况，覆冰按照10mm考虑。大风工况、安装工况、检修工况，需要按照结构自重和荷载效应符合标准值。
（三）空间模型的计算分析
变电站构架要充分掌握好受力的特点，在受力中考虑导线的引力和风力，根据空间存在的实际情况，对构架进行整体建模，以这样的方式计算出不同部位杆件的内力。在实际工程执行中多采用STAAD PRO空间有限元计算分析软件，这是通用的有限元分析计算软件，STAAD PRO一般情况下无法自动生成构架荷载，无法自动进行正确的荷载组合。需要通过内里计算后进行处理。各个节点的位移值，各个支座的反力，都需要通过荷载组合的计算分析。变电站的构架结构选型，需要从多个方面进行考虑，选型与优化能够提高变电站的安全性可靠性，有利于变电站在运行的过程中，确保电力安全，保障运行稳定。
（四）安全周期与成本分析
在变电站设计优化的过程中，对于安全周期和成本的分析尤为重要，无论采用哪种构架结构，都需要对方案进行寿命周期成本的分析，更要考虑工程施工的可操作性。构架的设计优化，还要考虑加工，运输和市场采购方面的要求，尽量减少材料的种类，以减少备料，加工安装方面的弊端。构架选型的过程需要考虑材料因素、自然因素、施工因素。
三、结语
变电站构架型式有许多种，我们应在参考电压等级、工程预算、工程重要性、施工条件、物流条件等多方面的综合因素的前提下，选择出最适合的构架型式，进而保证工程的顺利开展。构架柱、构架梁选用合理的结构型式，选用合理的腹杆布置型式，能降低整个构架的总用钢量，节省钢材。
参考文献
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论文作者:王鹏
论文发表刊物:《电力设备》2019年第9期
论文发表时间:2019/10/18
标签：构架论文; 变电站论文; 方案论文; 母线论文; 横梁论文; 荷载论文; 结构论文; 《电力设备》2019年第9期论文;