变电构架结构设计概述及优化

变电构架结构设计概述及优化

俞洁

中国电建集团福建工程有限公司，闽能设计院 350018

摘要：随着经济的快速发展和电力需求的持续增长，电力系统的重要性日益凸显。变电构架作为电力系统的重要组成部分，其结构设计对于电力传输的稳定性和安全性具有至关重要的作用。在进行变电构架结构设计时，应遵循以下基本原则：安全性、稳定性、经济性、可维护性和环保性。其中，安全性是最重要的原则，必须保证变电构架在各种工况下的稳定性和可靠性，防止因结构失稳或破坏而导致的事故发生。因此，对变电构架结构进行优化设计显得尤为重要。

关键词：变电站构架；结构设计；优化

一、引言

在我国快速发展的经济建设中，能源的消耗日益增长，尤其是电能。这使得电能的稳定、高效输送成为我国基础设施建设的核心任务。变电站，作为电能传输的关键节点，其结构设计的合理性、安全性和可靠性显得尤为重要。变电站构架是电力网络中的重要组成部分，它不仅是电力传输的基础设施，更是整个电力系统的核心支柱[1]。因此，在变电站的设计和建设中，结构的安全性始终是首要考虑的因素。这其中，不仅要考虑常规的荷载，如自重、风荷载和地震作用等，还要特别关注那些特殊的荷载，如裹冰荷载以及导(地)线荷载等。这些特殊荷载对结构设计提出了更高的要求和更大的挑战。

二、变电构架结构设计概述

（一）传统变电构架结构类型及特点

1.混凝土结构

混凝土结构是变电站构架中曾经最为常见的结构类型。其主要特点是结构牢固、稳定性高，且具有良好的耐久性和防火性能。混凝土结构的另一个优点是它的工程造价相对较低，能够有效地降低建设成本[2]。然而，混凝土结构的施工周期较长，且在施工过程中需要大量的模板和支架，这在一定程度上增加了施工的难度和成本。此外，混凝土结构的自重较大，对地基的要求较高，需要在设计时充分考虑地基的承载能力。

2.钢结构

钢结构在变电站构架中的应用也较为广泛。钢结构的特点是强度高、自重轻、抗震性能好，同时具有较高的工业化程度和施工效率。钢结构的构件可以预先在工厂中加工好，然后在现场进行安装，这样可以大大缩短施工周期。此外，钢结构具有较强的可塑性和韧性，能够承受较大的变形而不发生破坏。然而，钢结构对防腐和防火的要求较高，需要进行定期的维护和涂装，以保持其良好的性能。

3.混合结构

混合结构是结合混凝土结构和钢结构优点的一种结构形式。钢结构框架承担设备的承载和支撑功能，混凝土基础用于固定框架，提供稳定的基础环境。这样可以充分发挥混凝土结构和钢结构各自的优点，同时避免它们的缺点。混合结构的优点包括具有良好的稳定性和耐久性、施工周期短、节约材料等。然而，混合结构的施工难度较大，需要综合考虑混凝土结构和钢结构之间的连接和配合问题，因此对施工技术的要求较高。

（二）结构设计的基本原则和要求

1.安全性

这是变电站构架结构设计的基本要求。结构设计应确保在正常工作条件下，构架能够承受各种预定的外荷载，如风、雪、地震等自然力，并且不会发生破坏或产生过大的变形[3]。同时，应考虑在事故状态下的安全性，如短路、过载等情况，确保构架结构不会发生破坏或倒塌。

2.稳定性

变电站构架在承受外荷载时，应保持其平衡状态，不发生过大变形或失稳。这需要在设计时进行详细的结构分析和稳定性计算，确保构架在各种工作状态下都能保持稳定。

3.经济性

结构设计应考虑经济性，即在满足安全性和稳定性的前提下，尽量降低建设成本和维护成本。这需要对材料、施工方法、结构形式等进行合理的选择和优化，以达到节约投资的目的。

4.环保性

随着社会对环境保护的重视，变电站构架结构设计也应考虑环保性。在材料选择、施工方法、能源消耗等方面，应尽量减少对环境的负面影响，同时，应合理利用资源，尽可能地减少能源的消耗和浪费。

三、变电构架结构优化方法

（一）基于有限元分析的结构优化

有限元分析是一种高效的数值计算方法，通过将连续的求解域离散化为有限个小的互连子域（即有限元），从而将复杂的偏微分方程简化为一系列的线性方程组。这种方法可以精确地模拟各种复杂的结构与边界条件，对结构中的应力、应变等性能进行评估，以便对结构进行优化。基于有限元分析的结构优化是一种系统性的方法，首先通过建立精确的有限元模型来模拟变电构架的实际工作状态，然后对模型进行详细的分析，找出结构的薄弱环节，并根据分析结果进行优化设计。这种方法可以有效提高变电构架的安全性和可靠性，降低其发生故障的概率。在进行基于有限元分析的结构优化时，需要考虑多种因素，如结构的静力性能、动力性能、稳定性、疲劳寿命等。此外，还需要对各种可能的载荷和工况进行充分考虑，以便更全面地评估结构的性能。同时，优化过程中还需要注意遵循相关的设计规范和安全标准，确保优化后的结构能够满足实际使用要求。

（二）拓扑优化方法

拓扑优化是一种寻找最佳材料分布和构型的技术，它可以在给定的设计空间内找到最优的传力路径和最合理的支撑布局，以达到减轻重量、提高刚度、增加稳定性的目的。在变电构架结构优化中，拓扑优化方法可用于确定最佳的支撑结构和传力路径，以达到提高整体性能和节省材料的目的。拓扑优化的基本原理是通过不断地迭代和优化，寻找使得目标函数（如结构的重量、刚度等）最优的材料分布和构型。在迭代过程中，不断去除不重要的材料和加强重要的结构部分，最终得到最优的结构设计方案。这种方法可以在很大程度上提高结构的性能和节省材料，具有重要的工程应用价值。

（三）尺寸优化与材料优化

尺寸优化与材料优化是结构优化的两个重要方面。尺寸优化是通过调整结构的尺寸参数来改善其性能的过程。在变电构架结构优化中，尺寸优化可以通过改变杆件的截面尺寸、长度等参数来改善结构的承载能力、刚度和稳定性。材料优化主要是指在满足结构性能要求的前提下，选择合适的材料以降低成本的过程。在变电构架结构优化中，材料的选择不仅要满足结构的使用要求，还要考虑到材料的成本、可加工性、耐腐蚀性等因素。通过对材料的合理选择和使用，可以在保证结构性能的同时降低成本，提高经济效益。

（四）绿色理念优化

随着社会对环境保护的日益重视，绿色理念在工程设计中越来越受到重视。在变电构架结构优化中，引入绿色理念有助于实现可持续发展和环境保护的目标。绿色理念优化主要是指在变电构架的结构设计、制造、使用和回收等全过程中，尽可能地减少对环境的负面影响。为了实现绿色理念的优化，需要在变电构架结构优化的全过程中注重环境保护和资源节约。例如，在设计阶段应考虑采用可再生或可回收的材料；在制造阶段应采用环保的生产工艺和设备；在使用阶段应尽可能地降低能耗和减少排放；在回收阶段应考虑材料的再利用和废弃物的处理。通过将绿色理念贯穿于变电构架结构优化的全过程中，可以实现工程项目的可持续发展和社会效益的双重目标。

四、总结

综上所述，为了确保变电站构架的稳定性、安全性和长期的使用寿命，设计人员在方案制定过程中必须进行反复的论证和优化。因为变电站构架是电力系统中的重要组成部分，它的稳定性和安全性直接影响到整个电力系统的运行。在设计过程中，设计人员需要考虑到结构的力学分析，即确保构架在正常运行过程中不会因自重或外部载荷而发生结构破坏。同时，设计人员还要综合考虑环境、气候、地质等多方面的因素，以确保构架在各种环境下都能正常运行。因此，在设计方案确定的过程中，需要多次进行调整和优化，以确保最终的设计方案能够满足稳定性和安全性的要求。

参考文献

[1]于莹,张航.变电构架结构设计概述及优化[J].东北电力技术, 2021, 42(7):4.

[2]叶俊辰,牛华伟,韩军科,等.变电构架钢管避雷针微风振动研究[J].电瓷避雷器, 2021.

[3]李彩红,孙中华,谭逸超,等.变电站构架结构的主要类型及优化分析[J].山东工业技术, 2019(5):1.

作者简介：俞洁 1990年11月7日 女 福建浦城 汉族 本科 福州大学土木工程学院 土建室主任 中国电建集团福建工程有限公司，闽能设计院 研究方向:土木工程 输变电、新能源项目结构设计