杜风宇 陈晓东
（中国电建集团青海省电力设计院有限公司，青海 西宁 810008）
摘要:经济的快速发展促进了电力行业技术的进步，在电网系统的组成结构中，变电站是重要的组成部分。变电站的建设水平决定了电网的整体效果。特别是智能电网投入使用后，变电站的结构形式，影响了电网的整体效能。变电站的构架选型是一项重点的工作。本文以变电站构架形式为研究对象，分析阐述了变电站构架结构选型中需要注意的问题，从构架选型的设计使用条件，组合方式，计算方面对变电站的构架选型与优化进行了理论性的研究。
关键词：变电构架；联合构架；选型；优化
1 变电站构架结构选型分析
1.1 钢筋混凝土环形杆柱结构
该结构可以简化为桁架结构，只受轴向方向的力。早期，钢筋混凝土环形杆柱结构不存在防腐保护问题，使得钢筋混凝土环形杆柱结构在早期变电站构架上得到了较为广泛的应用，但是钢筋混凝土环形柱存在易开裂、难修复等问题，而且支座时杆长会有限制。钢筋混凝土环形杆柱结构多用于220kV及以下电压等级的变电站。总体而言，钢筋混凝土环形杆结构前期的投资较少，但后期的维护花费较大，总体的费用较大。从全寿命周期分析来看，钢筋混凝土环形杆柱结构经济性不突出，已逐渐被钢管、角钢等结构所替代。
1.2 A型高强度钢管结构
A型高强度钢管结构的主要特点就是使用了高强度的钢材，一般会使用420MPa和520MPa这两种，具有多边形的截面。高强度钢管构架柱采取合理的方式将用钢量有效减少，但因为构架梁通常是稳定和挠度方面起到控制的作用，因此高强度钢管构架梁对于钢材梁并未有节省，且比普通钢管结构总体造价略高。由于具有较大的构架梁跨度，因此高强度钢管构架梁的截面尺寸是比较大的，具有较差的美观性，一般被用到220kV架构中去。
1.3 A型普通钢管结构
A型普通钢管结构能够简化为排架—桁架的力学模型，在对其受力进行计算的过程中只需要考虑它的轴力，不需要对梁、柱的共同作用进行考虑。在现场安装的工作过程中，一般选择螺栓连接的方式，因为结构特点所以普通钢管结构方便安装和运输，选择的防腐处理方式为镀锌处理。通过节点板与腹杆螺栓将构架梁主杆进行连接，其特点是包装简易、运输方便、安装快捷。一般被用到220kV和500kV变电站的构架中去。
1.4 格构式钢结构
格构式钢结构有两种结构，根据主杆和腹杆的类型不同可以分为钢管格构式和角钢格构式。钢管格构式构架用的钢量比较少，结构的主杆以及腹杆全部采用钢管，主杆的连接方式为法兰连接，主杆以及腹杆的连接方式为节点板螺栓连接，结构材料具有较高的强度利用率，圆形截面风阻也比较小。由于钢管材料用到的角钢材料有较高的单价，且具有较多数量的钢管连接节点板，非常不方便进行包装和运输工作，一般被用作750kV及以上电压等级的构架中去。全角钢格构式构架具有较少的用钢量，主要有较小角钢组成，构件的特点就是小尺寸、轻自重，较为方便的进行制作、运输及防腐处理。选择角钢拼接连接结构的主杆，具有灵
活多变的腹杆布置方式，采用单螺栓进行交叉腹杆之间的连接。采用螺栓连接角钢腹杆与主材，将节点板的使用数量有效的降低，方便进行长距离的运输，由于构件的数量比较多，在进行现场安装工作时有较大的工作量，一般被用作国外500kV变电站的构架中。
2 设计使用的条件与要点
2.1 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。
2.2 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》(DL/T5457—2012)，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及以下等级的构架不受地震作用控制。电气专业的应用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标准值。
2.3 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STAADPro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，STAADPro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。
2.4 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。
3 节点选型
3.1 主材拼接节点
柱节点的连接方式有焊接连接、刚性法兰连接、柔性法兰连接等方式。焊接连接外形美观，且工厂加工方便。而法兰连接可以避免现场焊接质量不易保证的情况，但多个变电站实际投运数年后，均发现构架法兰连接会导致钢管内渗入雨水，导致内部腐蚀和冻胀，对柱形
成破坏，较难处理。而从造价上看，焊接由于取消了法兰，节省了钢材量，一般焊接较法兰连接节省钢材5%。针对桁架式钢梁而言，由于其构件截面小，且为整体拼装后吊装，其节点可用螺栓连接，主材多采用钢管，故其连接宜采用刚性法兰连接，斜材多为角钢，宜采用
螺栓连接。
3.2 梁柱节点
梁柱节点主要有刚接和铰接两种。从受力模型分析，前者用于门型钢架，而后者适用于排架结构。高强钢管结构采用的刚性法兰用钢量高，加工安装要求精度高，且常产生初始应力；而桁架式钢梁与柱通过螺栓连接，螺栓孔可采用长孔，在受力时允许一定形变，减小节
点应力，可充分模拟铰接，受力明确，提高了结构安全性能，因此而广泛采用，也是目前最为成熟的节点连接方式。
3.3 柱脚节点
针对构架基础的受力形式，刚性连接除了可以传递竖向和水平荷载外，还需传递弯矩，因此，其柱脚适宜采用刚性固定柱脚。常采用的有杯口基础插入式柱脚和露出式柱脚。插入式柱脚由于基础施工简便，安装精度易于控制，受力合理，应用最为广泛，也最为成熟。
露出式柱脚采用地脚螺栓连接，这种连接方式特点是能够加快施工周期，但施工加工精度要求较高，后期维护工作量大。
从设计角度进一步分析，采用杯口插入式基础能使基础和柱脚深埋地下，这样既有利于避免与电缆沟、构支架基础等邻近构筑物相碰，又可节约基础钢筋混凝土量，最为经济合理。
4 结语
综上所述，由于构架跟钢结构是变电站的重要组成部分，对变电站的运作起着支撑作用。因此，如何在变电站中合理的布置构架以及对其钢结构进行优化，在当今社会高速发展中的“绿色发展”是很有必要的，这就需要相关的技术人员要不断的试验探索以及总结，得出最合理的使用方案。
参考文献：
[1]谢忠强.浅谈变电站构架结构选型与优化[J].通讯世界，2017，(19):124-125.