变电站110kV“风帆联合式”出线设计

变电站 110kV“风帆联合式 ” 出线设计

谭卜铭

中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司 湖南长沙 410007

摘 要：生产生活对电力的需求急剧增长，随着城市的扩张，变电站可用地面积大幅减小，优化变电站占地，除减小设备尺寸外，设计一种110kV GIS配电装置出线方案，可大量减少用地面积，灵活变电站布置，并附带减少土石方工程量及用钢量。

关键词：变电站；110kV出线；风帆联合式

0 引言

近年来，国家经济大力发展，电力需求急剧增长。随着城市的扩张，可用于建设变电站工程的规划用地越来越紧张，可用地面积也大幅减小。为了合理节约变电站工程占地，提高土地利用效率，优化变电站设备的布置在工程设计中十分重要。随着我国电网的快速发展，电力装备水平也在不断提升。在城区及城郊变电站设计时，常面临场地狭小、出现走廊拥挤等外部条件，一般采用紧凑型的GIS组合电气设备以减少工程占地。GIS设备将母线、断路器、隔离开关、互感器、避雷器等元件封装在接地的金属壳体内，并在管内充SF₆气体作为绝缘和灭弧介质，从而压缩设备间的纵向和横向距离。

考虑到节约线路投资，采用GIS设备的变电站仍采用架空出线，其出线构架一般采用和常规AIS设备相同的方案，即出线的三相导线水平排列，使得GIS配电装置出线间隔宽度仍与常规AIS配电装置相同，常规GIS变电站压缩间隔横向宽度的措施一般有以下两种方式：

1. 通过控制引下线的风偏摇摆等手段缩小相间跨线距离。

2. 相邻的两个出线间隔共用一个出线构架。

以上两种方式对配电装置横向尺寸压缩力度有限，采用GIS设备对配电装置横向尺寸的压缩效益未能得到充分体现。因此，设计一种“风帆联合式”出线方案，对于国家电网公司110kV GIS配电装置构架典型尺寸、构架梁柱及节点标准化施工图和施工工艺标准库的完善，实现110kV“风帆联合式”出线设计方案的标准和通用性，推动公司系统内变电站工程的模块化建设和机械化施工，缩短施工工期，具有重大的意义。

1 规程规范

作为设计和验收的重要依据性文件，本设计必须遵循规程规范要求的基本技术原则：

1）理论依据为《高压配电装置设计技术规程》（DL/T 5352-2016）、《电力工程电气设计手册 电气一次部分》、《变电站建筑结构设计技术规程》（DL/T 5457-2012）等规范。

2）依据《电力工程电气设计手册 电气一次部分》，附录10-2“屋外中型配电装置的尺寸校验”和附录10-3“软导线和组合导线短路摇摆计算”，对110kV GIS配电装置采用“风帆联合式”出线方式的各项电器距离进行分析计算；利用STAAD.pro对出线构架进行整体建模计算，采用ANSYS对节点进行设计优化；并采用三维设计平台开展协同设计，对110kV GIS配电装置、“风帆联合式”出线构架、线路终端塔进行一体化建模、距离校验、碰撞校验。

3）依据国家电网公司编制的《220kV智能变电站施工图通用设计技术导则》、《国家电网公司输变电工程标准工艺》等文件。

2 一种风帆联合式出线设计

目前，在国家电网公司通用设计方案中，220kV配电装置GIS出线构架宽度推荐两个间隔24米，110kV配电装置GIS出线构架宽度推荐两个间隔15m。在一些土地资源紧张的地区，特别是城市中心，采用这种典型的配电装置并不能满足其用地要求，需要进一步对配电装置的横向尺寸进行优化。目前“风帆联合式”方式，在安徽牌坊220kV变电站的220kV GIS配电装置得到初步应用。如图1，通过将三层横梁的纵向距离加大到3.5m，构架尺寸与GIS套管布置相匹配，满足了引上线的带点距离要求，采用悬垂绝缘子串实现了导线的引上。

1. 平面布置图

2. 断面图

图1 出线避雷器内置的220kV“风帆联合式”出线图

除牌坊220kV变电站外，湖南省电力公司在建的汨罗西220kV变电站220kV GIS配电装置也采用了这种出线方式。这种出线设计可以有效发挥GIS设备优势，大幅度压缩出线间隔宽度，节约用地，降低了设备成本。通过改进构架，可以缩短装配时间，加快工程进度。欲将此方案在110kV GIS配电装置应用，要结合实际条件，并满足线路对出现高度、角度、构架受力等方面的要求。

由于GIS设备的布置灵活性，在设计时，对于110kV户外GIS变电站的110kV出线构架，将A、B、C三相出线垂直布置，出线梁三层布置，构架断面形式成风帆型，如图2。110kV配电装置出线间隔采用两回一跨风帆式联合构架，构架柱之间采用三层钢管梁或桁架梁连接，用于三相导线的挂线。构架柱由两个高度不同的竖向受力钢管柱支撑，形成一定角度，钢管中间联合布置橫撑和斜撑，以提高平面内的构架刚度，最终形成构架柱；利用A型柱受力特点，将端柱与斜撑布置成一定斜率的A型柱，从而增加了平面外刚度和稳定，受力更加合理，如图3。

1. 平面布置图

2. 架空出线断面图

图2 110kV GIS配电装置“风帆联合式”示意图

图3 “风帆联合式”构架示意图

构架整体受力情况，利用STAAD软件建出构架整体结构模型，从结构的变形、应力、挠度等方面进行详细计算。构架柱采用风帆联合形式钢管柱，构架梁采用钢管梁，其受力共分覆冰、大风、检修、安装四个工况，结构设计根据挂线型式进行荷载组合。通过建立计算模型，对结构进行在自重、风荷载与不同偏角导线拉力的荷载组合下的承载力和位移分析，研究结构在各工况下的应力和应变等。通过计算结果的规范检验，最终确定构架的合理型式和规格。

通过对110kV GIS配电装置采用“风帆联合式”出线方式，分出线避雷器内置和外置2种情况形成2种优化方案。对于110kV变电站110kV出线回路数较少的情况（一般为4回），线路采用单回路或双回路终端塔，出线避雷器内置于GIS设备内部，双回出线间隔宽度可优化至8m；对于220kV变电站110kV出线回路数较多的情况（一般为12~14回），线路采用双回路终端塔，出线避雷器外置，双回出线间隔宽度可优化至10m。在湖南某220kV变电站中应用，110kV配电装置共12回出线，采用风帆联合式GIS配电装置方案后，较通用设计方案节省占地660m²，节省GIS母线导管长度30m，取消主变进线构架3榀，节省工程费用约120万元。

3 结论

利用“风帆联合式”出线设计方案，可以大幅缩短GIS配电装置母线长度，压缩GIS配电装置横向占地尺寸，减少占地面积，使得站址规划及总平面布置更加灵活，且能减少征地、拆迁及土石方工程量，具有较好的经济效益。依托工程项目成果，可完善国家电网公司110kV“风帆联合式”出线布置及构架设计方案的构架尺寸、构架梁柱及节点标准化施工图和施工工艺标准库，广泛应用于国家电网公司系统内户外110kV出线布置及构架设计，进一步推广至系统外变电站的设计工作中，具有指导性作用。

参考文献：

[1]曲浩,周焕林,邱新刚,孟增.风帆式联合出线构架结构设计与分析[J].建筑结构,2019,49(04):38-42.

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[3]耿芳,韩晓罡,王笑一,郭晋芳,张梅,王梦,周楠. 基于户外变电站设计的220 kV配电装置垂直出线研究[A]. 中国电力科学研究院.2017智能电网信息化建设研讨会论文集[C].中国电力科学研究院:中国电子信息产业集团有限公司第六研究所,2017:3.

作者简介：谭卜铭（1989-） 男，硕士研究生，湖南长沙人，研究方向：变电站电气一次设计工作。