750kV变电构架（精选八篇）
750kV变电构架 篇1
关键词：750kV超高压,联合钢构架,结构选型,有限元分析,优化设计
1 引言
随着国家经济的快速发展和电压等级的不断提高, 750kV国家级电网主干网架正在西北地区逐步建设和大规模形成。我国电力建设水平与规模也正在与世界上其它先进国家电力建设逐步进行国际接轨和同步发展。超高压电网建设已处于国际先进水平。
西北地区现有电网主要以330kV电压等级为主, 随着750kV超高压电网的逐步建设, 它将成为未来西北地区电网的骨干网架, 750kV变电工程作为电网的支撑和枢纽, 对其进行研究和优化都显得意义非常重大。
750kV变电构架承受荷载大, 构架的大型化不可避免, 需要研究750kV变电构架钢管结构的方案。在750kV变电工程中, 若要优化变电工程站的各项指标, 必须优化750kV配电装置区的设计。750kV联合构架是对750kV构架采用连续多跨联合, 母线构架向进出线构架靠拢联合, 形成巨型空间框架。通过优化构架结构, 进而减少其占地面积, 降低工程造价, 从而节约土地资源, 达到可持续发展的目标。
针对上述问题, 采用联合钢构架进行空间模型的有限元分析及优化设计, 通过选择构架的布置方式, 利用空间分析的方法, 初步优化结构受力体系, 确定梁柱的断面尺寸, 达到结构优化、经济合理、加工安装方便的目的。并在甘肃某750kV超高压变电工程中应用, 取得了良好的经济效益和社会效益。
2 结构体系和控制工况分析
2.1 结构体系概述
750kV配电装置联合钢构架优化设计采用图1结构形式, 构架柱高分别为56m和27m, 横梁跨度分别为42m和41m, 横梁高度分别为41.5m和27m, 形成一个6柱5梁的巨型空间框架结构体系, 结构长84m, 宽41m, 最高56m。作为联合构架在各种受力情况下确定梁柱断面尺寸的有限元计算模型, 见图1。
750kV配电装置构架采用矩形变截面圆钢管格构式自立柱, 矩形等截面圆钢管格构式梁, 弦杆采用法兰连接, 节点采用螺栓连接, 从而形成空间钢管结构。
结构体系在方案设计时严格按照强柱弱梁, 更强节点的设计思路。构件计算长度系数和允许长细比均按照有关规范的规定取值。自立式格构柱的计算长度, 随腹杆体系的布置而有所不同, 腹杆基本上由长细比控制, 由于钢管最小回转半径比较大, 因此采用钢管格构柱可使结构自重较小。由于杆件少、节间大, 使结构整体迎风面面积较小, 承受的风荷载相对较小。自立式格构柱和矩形断面格构式钢梁组合, 使连接构造简单, 还可加强构架整体抗侧刚度。
2.2 控制工况分析
作用于构架的荷载主要有:结构自重荷载、导线张力荷载、冰荷载和安装检修临时荷载、大风作用、温度作用及地震作用。导线张力荷载工况一般有覆冰工况, 大风工况, 低温工况, 安装工况, 单相检修工况, 三相检修工况等。在各种工况下, 梁、柱、节点既要满足强度要求, 也要满足变形要求。经过空间分析计算, 联合构架的强度和变形均需控制在规范规定的允许值以内。在用软件计算时可以区分不同工况进行荷载效应组合, 分别计算, 确定最不利荷载组合, 最终确定构架各个构件的截面尺寸。
作用于构架的导线张力荷载资料如图1和表1。
注:G=6.8KN
本工程场地基本风压为0.38kN/m2, 抗震设防烈度8度, 设计基本地震加速度0.20g, 场地土类别为II类, 地震作用对构架的设计不起控制作用, 因此计算中未考虑地震作用的影响。由于本工程属于轻覆冰区, 设计不考虑结构梁柱覆冰荷载, 仅考虑导线覆冰。
结合《变电所建筑结构设计技术规定》和《建筑结构荷载规范》的有关要求, 作用于构架的荷载效应组合分别按承载能力极限状态和正常使用极限状态两种设计, 计算荷载组合共25种。
2.3 有限元分析
采用联合构架后, 结构体系为空间受力体系, 联合构架两个方向均有导线水平荷载, 需考虑双向水平受力作用, 结构模型选择整体空间有限元杆系模型, 计算单元模型见图2。计算采用专业结构计算软件STAAD/CHINA空间分析与设计软件, 采用空间有限元分析方法, 使结构受力更接近于其实际受力状态, 由于可以对所有的构件设定的应力控制指标进行满应力设计, 所有的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单个构件的可靠度指标, 从而提高了整个结构的安全度。
3 结构优化设计
3.1 构架梁柱断面的优化设计
750kV联合构架梁柱主要材质选择Q345B钢, 其它构件采用Q235B钢。在对750kV构架进行梁、柱断面几何尺寸的选择时, 针对各种可行的几何断面尺寸分别进行了结构计算, 在保证结构安全的前提下, 依照各种尺寸形式下的用钢量情况, 综合考虑各方面的因素后, 来确定梁柱的最优化尺寸断面。
优化设计分两步, 首先假定构架柱底部纵向根开尺寸为挂线点高度的1/6, 即7.0m, 对应构架柱底部横向根开尺寸分别取1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、3.5m来进行建模和计算比较, 梁断面取矩形截面2.0m×2.0m及2.5m×2.5m分别进行计算, 结构计算用钢量见表2。
从表2可以看出, 在相同梁断面情况下, 不同的柱侧宽, 构架用钢量有一定的差别:即柱侧宽在1.5m-2.5m之间时构架用钢量差别稍大;而柱侧宽在2.5m-3.5m之间时, 构架用钢量差别很小。因此, 将构架柱侧向宽度确定为2.5m较为合理。在相同侧宽、不同梁截面情况下, 构架的用钢量差别不大, 2.0m×2.0m 比2.5m×2.5m梁钢材用钢量稍小, 但没有质的区别, 可以说在一个档次上。所以将梁确定为2.5m×2.5m比较合理。
其次, 在确定柱侧宽为2.5m、梁断面为2.5×2.5m后, 重新对构架柱底部根开尺寸进行不同数值优化计算, 构架柱底部纵向根开尺寸分别按挂线点高度的1/4.5、/1/5、1/5.5、1/6、1/7进行选取, 取值在6.0 m～9.0m之间, 分别进行建模和计算, 结构计算用钢量见表3。
柱纵向根开尺寸从7.0 m～9.0m结构用钢量在逐渐增大, 结合以上计算得出的数据, 因此柱纵向根开尺寸取值7.0 m。
3.2 构架梁柱优化计算结果
通过上述优化方案, 初步确定联合构架梁柱断面尺寸, 其中56m变截面钢管柱底部断面尺寸7.0m×2.5m, 柱主材为Φ351×10;27m变截面钢管柱底部断面尺寸4.5m×2.5m, 柱主材为Φ273×8;矩形梁断面尺寸2.5m×2.5m, 梁主材为Φ194×6。
计算柱脚最大内力为:最大下压力1423KN, 最大上拔力1047KN。
4 结论与建议
对于750kV超高压变电工程, 通过对联合构架结构形式的优化选择, 采用有限元分析计算软件, 可以提高构架的整体可靠度指标, 钢管结构取材方便, 螺栓连接构造简单, 技术经济指标较好。
通过梁柱不同断面的优化选择, 寻找结构最优的方案, 使结构重量减轻, 从而节省钢材用量。
750kV变电工程采用联合构架, 可以优化总平面布置, 压缩设备区平面布置尺寸, 减少占地指标, 提高场地利用率。
联合构架全部采用钢结构, 可以提高构架工厂生产化水平, 提高构架生产质量和加工速度。钢结构表面采用适当的防腐措施, 可以提高结构的耐久性, 钢结构与设备外壳在材质上统一协调, 增加了变电站的观感质量, 使变电站富有现代化气息。
在后续750kV变电工程的设计中, 建议在本研究结构优化的基础上, 进一步对节点进行优化设计, 不断改进存在的不足, 使750kV配电装置联合钢构架设计更加合理, 加工安装更加方便。
参考文献
[1]中南电力设计院编.变电构架设计手册.湖北科学技术出版社, 2006.
[2]DL/T5218-2005.220kV~500kV, 变电所设计技术规程.
[3]NDGJ96-92, 变电所建筑结构设计技术规程.
[4]陈海波, 等.750kV输变电钢管塔架结构承载力及构造的试验研究.中国电力, 2005, 38 (12) .
[5]GB50135-2006, 高耸结构设计规范.
[6]荆军, 王元清, 石永久.门式刚架轻型钢结构端板连接节点性能研究与设计[J].建筑结构, 2000 (4) :16-19.
750kV变电构架 篇2
关键词：电网系统；750KV变电站；安装施工；应用
目前西北地区电网的变电站等级远远无法满足西北地区的用电需求，研究更高等级的变电站对实现电网的技术升级，实施国家西部崛起战略，将西部资源优势转变为经济优势具有重要意义。750KV的变电站输电具有距离远、容量大、经濟高效的特点，在建设变电站之前首先应该对变电站的选址进行详细的分析，本文对在喀什建设的75KV变电站选址的分析给出了相关性的研究。
一、变电站项目选址意义和原则
（一）选址意义。变电站的站址选择是电力网络系统建设和规划中最基础的部分，选址的好坏直接关系到电网系统的安全运行和长期稳定性，也会对电网架构的合理性、适应性产生较大的影响。如果选址位置不好，不仅电压质量难以满足居民和工业用电需求，整个电网系统结构容易受到干扰影响，很难保证系统的经济、安全、高效运行。
（二）选址原则。变电站选址是电网规划中最基础的环节，也是相当重要的环节，选址的合理性有利于提高电能输送的质量和运行的经济可靠性，在实际选址中还应该遵循以下原则：
1、供电安全原则。供电安全原则指的是选址应该考虑到供电是否安全，如是否周围有易燃易爆物、是否有纤维和粉尘积累、是否处在人员密集场所、是否处在工作单位下风侧等等。
2、经济性原则。变电站的选址应遵循经济适用的原则，例如应该尽可能的靠近负荷中心，否则会导致远离变电站的负荷的相应馈线长度更长，增加项目成本。
3、防洪、防震原则。一般变电站的选址标高应该高出平均水位1m以上，地势尽量高一点，防止洪水内涝，导致电站不能正常运行等等。
二、变电站选址的基本步骤
一般的初选址应该在可行性研究之前确定好，确定初址后要考虑到变电站建设模式及设计电气布置方案，同时对所选变电站站址进行现场实地踏勘收资、工程地质勘探、钻探等外业勘探工作，可利用初步设计阶段资料等多种勘测手段完成。勘测工作根据《变电所岩土工程勘测技术规程（DL/T 5170—2002）》以及设计任务书要求进行，具体项目如下：
（一）初址选择。按选择的变电站模式和等级基本选定电气接入系统方案，并进行负荷预测，找出负荷中心，在负荷中心区域选择变电站初址。
（二）收集资料。初址选择完成后应该前往水利、土地规划等部门收集所选站址的地质、水文、气象等基础资料，分析选址的可行性。
（三）实地勘测。在站址实地采集土层、水质样本进行检验，具体有土常规及湿陷、自重湿陷、固结及剪切性试验；土壤易溶盐分析和土腐蚀性判定；土样的粘粒分析试验；水的腐蚀性分析等等。
（四）探井钻孔评价。实地勘测后还需要利用探井和钻孔结作业来对更深处地质进行试验分析。钻孔分为一般性钻孔和控制性钻孔，深度为25m，主要是确定地层力学特性并评价饱和粉土的液化特征。
二、喀什750KV变电站项目的地质条件
（一）地质评价。依据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001），得到站址区域地震动峰值加速度为0.20g，相对应的地震烈度为Ⅷ度。根据站址实际勘测得到的岩土性质以及收集的相关资料并结合根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010），站址场地土类型为中软场地土，建筑场地类别为Ⅱ类，根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）第4.1.1条，站址场地属抗震不利地段。
（二）站址粉土的液化评价。根据《建筑抗震设计规范》，抗震设防烈度为8度，地基土存在饱和粉土及砂土，上覆非液化土层厚度和地下水位深度也不满足要求，所以要对粉土进行标准贯入试验来进一步判定液化情况。由于探井钻孔深度为25m，应按下式计算标准贯入锤击数的临界值：
其中N0是液化判别标准贯入锤击数的基准值，p为粘粒含量百分率。判断出土层存在液化后，应计算每个钻孔的液化指数，公式如下：
其中I为液化指数，N’和N分别为标准贯入的实测值与临界值，W为层位影响权函数值。根据其中24个钻孔进行的标准贯入试验可知，在C20孔附近存在液化现象，土层液化指数为1.78，液化层厚度为上部2m左右，土层液化等级为轻微液化。
三、施工设计方案
（一）地基选择。场地地层岩性主要以粉土、粉质黏土为主，局部夹粉细砂薄层，设计人员经过承载力计算如能满足抗震、抗洪等基本要求，可考虑选用天然地基，若不能满足，则可采用人工地基或采用变形及承载力要求的基础形式，人工地基采用换土垫层法。
（二）降、排水方案。根据站址地形拟采用轻型井点法，可沿基坑周围埋设井点管，距离基坑0.8～1.0m，井点管间距为0.8～2.0m，在地面铺设集水总管，将各井点管与总管用软管或钢管连接，在总管中段适当位置安装抽水泵或抽水装置，在管路中形成一定的真空度，使基坑水位降低，使地下水得到有效输干。井点平面布置可采用“U”型布置。
（三）勘探结构设计。根据设计资料，站址建筑物均采用砖混结构和钢筋混凝土条形基础，基础埋深2.2m～3.5m，结合建筑物边线和设备基础布置勘探线，拟采用9条水平和5条垂直勘探线。布置勘探点34个，全部为鉴别孔，深度为12.0m，钻孔25个，其中控制性钻孔13个，深度为25.0m，一般性钻孔12个，深度为20.0m，全部钻孔均采取标贯试验。
结束语
750KV的变电站对于电网等级提升和运行具有重要意义，在实际安装施工中，要合理利用各种优势安装施工技术，保证变电站施工质量和施工速度，以确保高电压电网系统的正常运行。
参考文献：
[1]程志国.世界海拔最高城市光伏电站并网发电日月山750kV变电站工程施工技术资料控制管理[J].青海电力，2011，30（z2）：67-69.
750kV变电构架 篇3
关键词：钢管格构式构架,节点,优化,有限元
1 概述
随着越来越多的750kV变电站投运, 750kV及以上电压等级变电构架越来越受关注。750kV配电装置区构架作为站内最主要的构筑物, 其本身的安全问题将直接影响到变电站运行的可靠性。从结构专业的角度来考虑, 750kV构架的安全问题又集中反映在其节点的安全性上。因此, 研究节点的受力特点是解决750kV构架安全问题最基本也是最有效的手段。
钢管格构式750kV构架的节点主要有三类[1]:第一类为主材连接节点, 多为法兰连接 (见图1) ;第二类为梁、柱本身的主材与腹材连接节点, 以K型节点最具代表性, 这些节点的承载力直接决定梁、柱作为一个整体构件的承载能力 (见图2) ;第三类为梁、柱连接的节点, 这些节点构件交汇较多, 构造也最为复杂 (见图3) 。
上述三类节点中, 第二类节点所占比例最大, 在以往工程中受到的关注也较少, 其受力特点的分析较多地停留在按规范公式计算的层面, 应力分布及最优型式尚不完全明确。因此, 本文将第二类节点中K型节点作为研究对象, 通过有限元分析来明确整个节点应力分布特点, 并给出控制应力分布的最佳构造措施。
2 计算方法探讨
以往的工程, 第二类节点的计算一般按规范计算以下内容[2~4]。
1) 腹杆按实际受力选择截面
式中, N为轴心拉力和轴心压力, N;An为净截面面积, mm2;f为钢材的强度设计值, N/mm2;φ为轴心受压构件稳定系数;A为构件毛截面面积, mm2。
2) 确定在杆件力作用下需要的螺栓等级、直径及数量
螺栓抗剪承载力:
式中, nv为每个螺栓的受剪面数目, 个;d为螺栓杆直径, mm;fvb为螺栓的抗剪强度设计值, N/mm2。
3) 节点板的抗拉压强度及孔壁承压承载力计算
式中, d0为螺栓孔直径, mm;t为节点板厚度, mm。
4) 节点板与主材之间的焊缝长度及焊脚尺寸计算
式中, he为角焊缝的有效长度, mm;lw为角焊缝的计算长度, mm;βf为正面角焊缝的强度设计值增大系数;ffw为角焊缝的强度设计值N/mm2。
式中, σf为焊缝正应力, N/mm2;τf为焊缝剪应力, N/mm2。
5) 节点板自身稳定承载力计算
节点板自身稳定承载力:
式中, t为节点板厚度, mm;Ni为受压斜腹杆的轴向力, N;li为各分区曲折线长度, mm;φi为各受压区板件的轴心受压稳定系数;bi为各折线段在有效宽度线上的投影长度, mm。
节点板失稳的问题在很多工程中并未受到足够的重视, 在很多情况下是控制端板的尺寸。由于板失稳的问题比较复杂, 通常做法是将节点板失稳按照《钢结构设计规范》 (GB50017—2003) 附录F分三个区域分别计算, 此公式本质上仍是以杆件失稳来考虑节点板的失稳问题。
以往的750kV构架设计, 腹杆根据整体结构计算结果选择截面, 保留一定的安全裕度;节点计算按本文第2部分所述方法以腹杆实际受力大小作为计算依据, 同时也保留一定的裕度。这一方法在理论上不存在问题, 计算结果能够满足承载力要求。其缺点在于杆件和节点分开来考虑, 尤其是出现杆件归并时, 节点承载力经常会出现较杆件弱的情况, 不符合钢结构“强节点”的理念, 也与我们计算模型的破坏型式不符, 不是最优计算方法。
鉴于上述第二类节点承载力可能弱于杆件承载力的情况, 本文建议在计算750kV构架节点时, 以杆件承载能力作为节点的计算依据, 使节点的承载力超出杆件承载力, 从而保证结构的破坏不出现在节点, 与构架的整体计算模型能够较好地吻合。
为说明在750kV构架设计中“以杆件承载能力作为节点计算依据”方法的可行性, 以某变电站750kV构架实际K型节点为例, 分别按实际内力和杆件承载能力为依据, 对比两种方法计算出的节点的具体区别。
节点型式及各杆件规格如图4所示。
根据计算模型, 各杆件受力分别为:主材①号杆主要承受压力, 大小为900kN;斜腹材②号杆受压力250kN, 斜腹材③号杆受压力130kN, 两根斜腹材取相同规格钢管;水平腹材④号杆受拉力20kN。按实际受力计算时, 以斜腹材②号杆所受压力作为计算依据。此方案记为方案一。
按杆件承载力确定节点承载力的原则计算时, 根据同一类型桁架杆件受力特点, 选择以强度或稳定承载力作为计算依据。此方案记为方案二。
两种计算方法的结果如表1所示。
从表1中可以看出, 节点板取12mm厚Q345B钢板时, 两种方案的差别仅在于一个M24螺栓, 故采用方案二不会过多增加造价, 且能够保证结构整体失效是由于杆件的破坏, 而不是节点, 从概念上较方案一更为明确, 也更为合理。
综上所述, 本文推荐以后的工程采用方案二, 即以杆件的承载能力作为节点的计算依据。
3 节点型式优化
由于传统计算方法均建立在构件均匀受力的假设之上, 经计算后得到的节点能够满足这种计算方法的检验, 因此, 对于节点的加劲措施纯按构造要求来布置。工程中K型节点一般有两种型式, 第一种如图4所示, 在斜腹杆和水平腹杆附近各加一道加劲肋;第二种仅在水平腹杆端部设加劲肋, 如图5所示。
考虑节点板加工的方便, 本文重点关注图4型式的节点。
由于加劲措施是在“满足受力计算”的前提下设置的, 加劲肋自身、加劲肋与节点板结合处、节点板等应力状态均不做计算, 不能定量了解加劲肋对于节点板及主材受力的影响。本文以构架常用设计计算软件STAAD.Pro建立节点的有限元模型, 探讨在相同荷载下不同构造措施对于节点应力分布的影响, 找出最佳的构造措施, 为以后的工程提供参考。
图6所示节点为与图4节点完全一致的有限元模型, 腹杆不出现在模型中, 以荷载的型式在节点板上体现。
首先探讨图6中3道加劲肋对于节点应力分布的影响。从最简单的情况开始分析, 在仅有节点板时, 节点在荷载作用下, 应力分布如图7所示。
节点板两端为应力集中最为严重的区域, 应力极值为307.4N/mm2。
如图6所示, 节点板中加上3道加劲肋的节点型式在工程中应用最为广泛。此时, 节点在相同荷载作用下的应力分布如图8所示。应力集中最大值291.3N/mm2, 与图7节点相比, 节点板与主材连接处的应力有所降低, 幅度为5.23%, 总体而言, 对改善受力效果实际上并不明显。因此, 虽然图8节点在以往750kV构架中应用最多, 但显然不是最优。
为更有效降低应力集中效应, 在节点板端部应力集中最大处加加劲肋, 其宽度取为中部3个加劲肋的两倍, 即由中部的单侧加劲肋改为端部的双侧加劲肋。在相同荷载作用下, 节点应力云图如图9所示。
从图9中可以看出, 节点板端部的应力集中得到明显改善, 应力最大值降低至159.3N/mm2, 较图7节点降低幅度接达到48.2%, 效果不错。此节点的不足之处在于, 端部加劲肋的边缘仍有较为严重的应力集中, 这一点从应力云图上可以明显表现出来。为使应力分布更为均匀, 将端部加劲肋加长至主材钢管直径的1/4, 此时其应力云图见图10。
与前几种节点相比, 图10所示节点应力分布明显均匀许多, 且其最大应力值已降至115.1N/mm2。即无论是最大应力值还是应力的分布, 图10节点均已得到此类节点中理想的结果。
现在再来讨论中间3个加劲肋的存在是否必要。我们在图10节点的基础上, 删掉中间3道加劲肋, 其应力云图如图11所示。
从图11可以看出, 在取消中间3道加劲肋之后, 应力极值进一步减小, 节点板四周应力分布更为均匀, 只是节点板与主材连接处应力略有增大。
通过以上计算, 可以归纳出以下结论:在节点板端部自由的情况下, 中间加加劲肋可以增加节点板的刚度, 并在一定程度上降低应力集中的程度, 但效果不明显;当节点板端部被加劲肋约束后, 中间3道加劲肋的存在反而会加剧应力集中, 导致应力极值升高, 但影响的程度也不是很大[5]。
综上所述, 我们认为, 中间3道加劲肋对于节点板及附近主材的应力分布无明显影响, 若仅从改变应力分布的角度来说, 可以不必设置。
除改变应力分布之外, 中间3道加劲肋尚有另一项重要功能, 即增大节点板局部截面几何特性, 防止节点板局部失稳破坏[6]。本文第2节已经指出, 现行钢结构规范对于节点板失稳计算方法的规定与杆件失稳的公式在本质上是相同的, 因此对于将节点局部由“一”字形截面变为“丁”字形截面、甚至“十”字形截面, 对其截面几何特性将有数量级上的提高, 对于节点板抵抗失稳极为有利。因此, 本文建议仍然保留节点板中间部分的3道加劲肋, 但将其方向改为与腹杆相同, 如图12所示, 以期得到最大的几何特性。
4 结论
通过上述讨论, 得出以下结论:
1) 对于同一组相同的腹杆而言, 以杆件的承载能力作为节点的计算依据更符合构架整体模型的计算假定, 且仍能做到经济合理。
2) 对文中讨论的节点, 其最优型式为节点板两端加加劲板, 板的宽度应不小于主材周长的1/4;节点板中间与腹杆连接处也设置加劲肋, 方向与腹杆中心线重合, 以改善节点板局部抗失稳能力。
参考文献
[1]中南电力设计院.变电构架计算手册[K].武汉:湖北科学技术出版社, 2006.
[2]GB50017—2003钢结构设计规范[S].
[3]李星荣, 魏才昂, 丁峙崐.钢结构连接节点设计手册 (第二版) [K].北京:中国建筑工业出版社, 2009.
[4]《钢结构设计手册》编辑委员会.钢结构设计手册 (第三版) [K].北京:中国建筑工业出版社, 2009.
[5]陈誉, 赵宪忠, 平面KT型圆钢管搭接节点有限元参数分析与承载力计算[J].建筑结构学报, 2011, 32 (4) :134-141.
750kV变电构架 篇4
1.1 工程概况
集贤500k V变电站的500k V构架场地共有6个间隔, 4个跨度, 悬吊管母线。母线构架高度20.5m, 出线构架高度28.0m, 主变高低进线, 分别为35.0m、20.5m。出线间隔28.0m, 4个跨度的间距由北至南分别为26.0m, 33.0m, 31.0m, 26.0m。构架梁为3相挂点, 偏角按10°考虑, 母线梁为3相挂线点, 导线挂点高度为20.5m, 偏角0°。应用STAAD.Pro钢结构设计分析软件对此联合构架进行建模分析, 三维模型见图1。
1.2 环境荷载
集贤500k V变电站位于黑龙江省双鸭山市集贤县东部约18km, 2009年开展施工图设计, 2011年投产验收。按地震烈度6度 (0.05g) 设防, 建筑场地类别为II类, 设计地震分组第一组。地面粗糙度为B类, 50年一遇的基本风压为0.75kpa, 基本雪压为0.50kpa, 标准冻结深度为2.22m, 温度作用计算温差取±55℃。导线风荷载、覆冰荷载及安装检修荷载由电气专业提供。全联合梁、柱可不考虑风振影响[1]。结构自重由程序自动计入。
2 空间模型建立
500k V构架全联合建模大体分两种:实际模型和简化模型[2]。实际模型是按构件实际截面建立构架梁、柱、地线柱和避雷针等。三角形格构梁建模分两种情况:上下弦杆按钢接, 腹杆两端铰接;弦杆、腹杆均为铰接。经计算对比, 铰接承载力稍小, 设计截面偏大, 但与钢接对比, 偏差5%左右。简化模型是把格构梁简化为等钢度等重量的杆件, 然后对梁进行单独建模计算。前一种方法杆件单元较多, 模型复杂, 但准确度高;后一种方法杆件单元少, 能节省计算时间。本工程采用实际模型建模计算。
3 计算结果分析及杆件选择
3.1 计算结果
500k V构架柱采用A型直缝焊接圆形钢管柱, 在10.0m、20.5 m高处设置横撑。柱钢管接头采用无加劲法兰连接。构架横梁采用三角形变截面、钢管弦杆、角钢腹杆的格构式钢梁, 钢管弦杆采用有加劲法兰连接[3]。由STAAD.Pro程序计算出的构架主材在最不利组合下的内力结果见表1、表2。
注:压力为“+”, 拉力“-”
注:压力为“+”, 拉力“-”
3.2杆件选择
根据上面计算的结果, 通过SSDD模块规范检验, 构架梁、柱最终优选杆件结果见表3、表4。
注:材质均为Q235D
4 提高严寒地区结构抗脆断能力
本工程地处严寒II气候区, 极端最低气温达-37.1℃ (1970-01-03) , 设计及施工过程中需考虑防止结构脆断措施[4]。
第一, 结构形式和加工工艺应尽量选择减少结构的应力集中, 焊接构件采用较薄构件。
第二, 安装连接宜采用螺栓连接, 应采用钻成孔或先冲后扩钻孔。
第三, 受拉构件的钢材边缘宜为轧制边或自动气割边。
第四, 对接焊缝的质量等级不得低于二级。
第五, 主要受力钢材选用D级钢。
5 结语
第一, 采用STAAD.Pro钢结构设计分析软件进行全联合构架建模计算, 本工程最大风工况对联合构架的梁、柱起控制作用。
第二, 通过SSDD模块的规范检验, A型人字柱平面外稳定、端承上柱平面内稳定为最不利情况。根据计算结果, 优化杆件截面, 节省钢材, 减少投资。
第三, 采取严寒地区钢结构设计、施工应对措施, 提高结构抗脆断能力。
摘要：采用STAAD.Pro钢结构设计分析软件, 建立集贤变电站500k V构架全联合计算模型。通过SSDD模块的规范检验, 优化杆件截面, 节省钢材, 减少投资。采取钢结构抗严寒脆断的设计、施工措施。为严寒地区变电站构架设计提供参考。
关键词：变电站,全联合计算模型,严寒地区,STAAD.Pro
参考文献
[1]韩文庆, 刘建秋, 商文念, 等.500k V全联合构架风荷载影响分析[J].低温建筑技术, 2011, (09) :54-56.
[2]吴伟康.应用STAAD CHINA设计变电构架[J].电力建设, 2008, 29 (2) :44-45.
[3]中南电力设计院.变电构架设计手册[K].武汉:湖北科学技术出版社, 2006.
750kV变电构架 篇5
国内500 k V变电构架中, 人字柱变电构架结构应用最广泛。 该结构由人字形普通钢管构架柱和三角形断面格构式钢梁或单根钢管梁组成。 构架柱与构架钢梁采用刚接或铰接的形式相连, 结构超静定次数低。 人字柱钢结构变电构架具有结构型式明确,构件数量较少,传力明确且易于安装,占地面积较小等优点,其产生的经济效益和社会效益较大。
而国内与变电构架有关的文献较少。 陈传新,刘素丽[3]以四门出线构架为例,采用空间计算对750 k V变电构架进行结构选型, 提出了一种合理的构架型式。 文献[4]通过一个实际工程中所用的变电构架柱中高架柱与人字柱连接节点进行有限元计算,提出了连接节点处加劲肋布置优化方案。 朱朝阳、靳振宇[5]利用STAADCHINA软件进行了变电构架的空间分析, 总结了计算步骤及计算结果。 本文主要针对220k V人字柱变电构架,进行结构选型,以确定较为合理的钢梁型式,并选择最优的梁、柱节点连接形式,满足安全性、经济性及美观性等要求,为类似工程提供一个参考依据。
1 构架型式简介
变电构架的受力主要以水平载荷为主, 承受的主要水平载荷是导线张力、地线的张力以及风荷载。 目前国内外500 k V及以上电压等级大多采用人字柱变电构架, 其结构形式主要包括等截面普通钢管结构和格构式钢结构这2 种型式。 其中格构式钢结构依据杆件类型不同又可以分为钢管格构式和角钢格构式。 格构式钢结构的优点在于其整个结构均由较小角钢或钢管组成, 节点采用螺栓连接,构件尺寸小、自重轻、制作、运输及防腐处理很方便,缺点是杆件种类和数量较多,现场拼装工作量较大。 本文分别设计了4 种类型的220 k V人字柱变电构架,进行了4 种构架型式的分析,比较其优缺点。
(1) 六门普通钢管构架。 梁跨度为13 m,构架柱采用人字形普通圆钢管柱, 构架横梁采用单根圆钢管梁,梁、柱节点刚接,纵向设置端撑,腹杆刚接,柱脚刚接。
(2) 六门格构式角钢构架。 梁跨度为13 m,构架柱采用人字形普通圆钢管柱, 构架横梁采用格构式钢梁,弦杆和腹杆均为角钢,梁、柱节点刚接,腹杆刚接,柱脚刚接。
(3) 三门格构式钢管构架(刚接)。 梁跨度为24m,构架柱采用人字形普通圆钢管柱, 构架横梁采用格构式钢管梁,弦杆和腹杆均采用圆钢管,梁、柱节点刚接,腹杆铰接,柱脚刚接。
(4) 三门格构式钢管构架(铰接)。 梁跨度为24m,构架柱采用人字形普通圆钢管柱, 构架横梁采用格构式钢梁,弦杆和腹杆均采用钢管,梁、柱节点铰接,腹杆铰接,柱脚刚接。
4 种变电构架型式如图1 所示。 220 k V人字柱变电构架主要尺寸如表1 所示。
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2 门形出线构架选型
2.1 构架结构验算
目前国内外计算变电出现构架的方法主要有2种:一是平面简化计算法,二是空间计算法。 由于平面简化计算精度不高,手算工作量较大,目前—般较少应用。 而随着计算机应用的普及, 变电构架静力分析计算—般通过各种平面或空间结构计算分析程序完成。与平面计算相比, 空间计算更加符合结构实际受力性能,计算结果更加精确,设计可靠度更高。 本文以220k V人字柱门形出线构架为对象,分别采用图1 所示的各种结构型式, 考虑多种工况下受力情况, 运用SAP2000 有限元分析程序进行整体计算, 进行计算结果对比,以确定一种较为合理的结构型式。
2.2 荷载参数
本文分析时,钢材材料均为Q235B。 共有12 个设计工况,分别为大风(0°)、大风(90°)、覆冰(0°)、安装(0°)、检修(0° )、 验算(0° )、 大风(0° )- 转角5°、大风(90°)- 转角5°、覆冰(0°)- 转角5°、安装(0°)- 转角5°、检修(0°)- 转角5°、验算(0°)-转角5°。 荷载模式只考虑不同工况下的导线荷载、地线荷载以及风荷载。
由式(1)求得基本风压,然后参照《建筑结构荷载规范》[6]中风压标准值计算式(2),立柱、地线支架及水平桁架梁等杆件的风荷载为各风荷载标准值乘以杆件直径,转化为各杆件上的线荷载;导线荷载及地线荷载按荷载表给出的荷载值, 采用节点力的方式施加在导线挂点处。
考虑最不利荷载组合,按《建筑结构荷载规范》,取1.2×永久荷载+1×活荷载+1.4×风荷载, 各工况下导线挂点荷载、 地线挂点荷载如表2 所示。 工况1 至工况12 分别为大风(0° )、 大风(90° )、 覆冰(0° )、 安装(0°)、检修(0°)、验算(0°)、大风(0°)- 转角5°、大风(90°)- 转角5°、覆冰(0°)- 转角5°、安装(0° )- 转角5° 、 检修(0° )- 转角5° 、 验算(0° )-转角5°。 X,Y,Z且分别为水平拉力、侧向风压和垂直荷载。
2.3 计算结果分析
运用SAP2000 有限元分析软件,按照空间杆系结构进行建模,建模时选择梁单元和杆单元。 分别对4 种型式模型开展受力分析,考虑结构P-Δ 效应,得到不同工况下相应的计算结果。 提取不同工况对应的主要受力杆件的综合应力比和杆件位移,绘制成表,进行对比分析。 13 m三门变电构架计算结果如表3 所示,24m三门变电构架计算结果如表4 所示。
(1) 当变电构架横梁采用单根钢管梁时, 梁跨为13 m六门变电构架主要杆件的综合应力比明显小于采用格构式角钢梁。说明采用单根钢管梁时,构件的利用率较低,安全裕度较大。 而采用格构式角钢梁时,各杆件利用率较高,能充分发挥构件的承载能力,且都在构件的安全限值以内。
(2) 对于2 种构架横梁型式,梁、柱的连接方式均为刚接,各主要杆件的位移变化小于10%,且都没超出位移限值。说明人字柱变电构架,各杆件的位移受构架梁型式的影响较小。
(3) 当变电构架横梁采用格构式钢管梁时, 梁跨为24 m三门变电构架梁、柱节点采用铰接连接时各主要杆件的综合应力比明显小于刚接。 说明采用铰接连接时,各杆件的利用率较低,安全裕度较大。
(4) 2 种连接方式所对应的各主要杆件的位移,梁、柱铰接连接时比刚接大10%以上,但都没超出位移限值。说明人字柱变电构架,各杆件的位移变化主要与梁、柱节点连接形式有关。
(5) 对于不同梁跨度和不同横梁型式的人字柱变电构架, 最大位移和最大应力比的控制工况都是大风工况, 且构架梁两端人字柱的应力比和位移小于中间人字柱。
2.4 经济性对比
(1) 220 k V人字柱变电构架采用单根钢管梁时,所用构件规格较大,且用钢量较多,构件重量也大。 同时因构架梁跨度较大,其梁断面尺寸也较大,构架梁与人字形柱头的连接较难处理,接头复杂,耗钢量也多。
(2) 使用格构式钢管梁时,梁、柱铰接连接与刚接连接用钢量近似,且构件规格较小,便于安装和防腐。较刚接连接,铰接连接时构件安全裕度高。
各变电构架的用钢量如表5 所示。
综合上述各个方面对比发现:在相同荷载作用下,220 k V人字柱变电构架采用单根钢管梁时,杆件的利用率较低,安全裕度高,但采用单根钢管梁时,钢管梁管径较大,安装及镀锌较为困难。而采用格构式角钢梁时,杆件的利用率高于单根钢管梁时,且没有超出构件的安全承载力。格构式角钢梁由多根小角钢相连,节点采用节点板螺栓连接,构件尺寸小、自重轻,制作、运输及防腐处理很方便,但其杆件种类和数量较多,现场拼装工作量将增大,安装周期较长,而且角钢结构风阻大,外形也不够美观。
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格构式钢管构架,其整个结构均由较小钢管组成,弦杆节点采用法兰盘螺栓连接, 腹杆采用节点板螺栓连接或直接焊接,构件尺寸小、自重轻, 制作、运输及防腐处理也很方便。杆件种类和数量较全角钢构架少,杆件刚度好,风阻较小,立面简洁,外形美观。对格构式钢管构架而言,腹杆受力较小,利用率较低。 而采用角钢腹杆较采用钢管腹杆能节约投资,降低总造价。而且角钢腹杆比钢管腹杆布置灵活, 钢管腹杆仅能布置成单斜杆,局限性很大,安装及热镀锌较角钢繁琐。 角钢腹杆则布置多样化,适应性强,可依据不同分段采用不同的布置方式,能有效减小弦杆断面尺寸,使得塔柱更为美观。因此,对于220 k V人字柱变电构架,采用钢管弦杆,角钢腹杆的格构式钢管梁无论是经济性,还是建筑外观都较优越。
3 结束语
(1) 梁、 柱节点刚接时,220 k V人字柱变电构架横梁采用格构式角钢梁较单根钢管梁杆件利用率高,安全裕度较低。 但工程综合成本较低,安装、输送及防腐较为简便。
(2) 220 k V人字柱变电构架梁采用格构式钢管梁时,梁、柱节点刚接杆件利用率高于铰接,安全裕度较低,且用钢量近似相同。
(3) 220 k V人字柱变电构架在荷载作用下各杆件的位移主要与梁、柱节点的连接方式有关。 梁、柱节点铰接时,构架柔度较大,各杆件位移较大。
(4) 提出一种较为合理的220 k V人字柱变电构架型式:构架梁采用格构式钢管梁,钢管弦杆,角钢腹杆,梁、柱节点铰接,构架整体安全裕度高,经济性好,外观美观,且运输、安装方便,可为以后类似工程提供参考。
摘要：以三门和六门220kV人字柱出线构架为例,设计4种国内外变电站常用的变电构架型式。运用有限元分析软件进行变电构架空间整体分析,对比不同构架横梁型式和不同梁、柱节点连接方式的优劣,并进行经济性比较。研究结果表明,梁、柱节点刚接时,变电构架横梁采用格构式角钢梁较单根钢管梁杆件利用率高;变电构架横梁采用格构式钢管梁时,梁、柱节点刚接杆件利用率高于铰接;梁、柱节点铰接时,构架柔度较大,各杆件位移较大;提出较为合理的220kV人字柱变电构架型式:构架横梁采用格构式钢管梁、钢管弦杆、角钢腹杆、梁和柱节点铰接。
关键词：220kV变电站,人字柱变电构架,结构型式
参考文献
[1]中南电力设计院.变电构架设计手册[M].武汉:湖北科学技术出版社,2006:49-54.
[2]NDGJ96-92变电所建筑结构设计技术规定[S].1993.
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[4]卢海陆,刘广鹏,张津荣.变电构架中高架柱与人字柱的节点优化[J].低温建筑技术,2011,33(3):65-67.
[5]朱朝阳,靳振宇.变电构架的空间分析[J].武汉大学学报:工学版,2010,43(S):110-112.
750kV变电构架 篇6
电力系统变电运行的任务是准确监视设备的运行状况, 正确进行设备倒闸操作和事故处理, 准确监视变电站设备的健康运行水平, 是保证电网安全、可靠、连续、优质供电的重要保障, 它与整个电网的安全运行息息相关, 因此监视变电站设备健康、稳定运行更是变电运行人员的天职。一旦出现运行人员监盘不利, 轻者造成电网运行参数异常或造成电网可能发生事故的潜在隐患, 对电网安全运行构成威胁;重者可能发生重大电网事故、设备事故给整个电网带来严重威胁, 对国家和单位造成不可估量的损失。变电站运行人员的监盘工作做为防止设备发生异常和事故的重要手段, 其监盘能力的大、小至关重要。
2 750kV变电站现状分析
2.1 现状
宁夏电网内750kV变电站是建成投运的新一级电压等级的变电站, 而且750kV设备均为国内首次研发的, 其安全性能和可靠运行水平还有待考验。宁夏电力公司超高压电网运行分公司是一个新单位成立时间不长, 运行人员经验缺乏, 且新员工较多, 业务技术水平参差不齐, 变电站运行人员监盘没有主心骨, 特别是新人员甚至不能正确地进行监盘工作, 使变电运行工作形成了金鸡独立的尴尬局面。据现状分析在750kV变电运行工作中急需有一个可供参考的信号功能一览表, 使运行人员一目了然, 根据监控机上发出的任何一个信号, 与信号功能一览表进行对照即能判断此信号的来源、功能及出现的原因, 从而进行准确判断设备的健康运行状况并采取必要的措施。
2.2 不安全因素
2.2.1 人员因素
750kV变电运行专业人员紧缺, 人员对现场设备、运行工作的熟练程度不够, 很大程度上影响了变电站的正确监盘。从人员思想上讲变电运行人员在某种程度上对变电站监盘能力的重视程度不够, 总认为异常信号发生的概率很小, 不会遇到自己头上, 存在侥幸心理, 未能做到心中有数, 导致不能正确及时的监控到设备的不正常运行状态, 给设备的健康稳定运行带来严重威胁。
2.2.2 设备因素
7 5 0k V变电站投运工期紧, 工程质量较差, 投运时变电站设备存在的小问题较多, 给设备健康运行带来压力。就设备本身来说, 宁夏电网内750kV设备均为国内首次研发使用的新产品, 其运行性能的好坏还在试验阶段。
3 提高750kV变电站运行人员监盘能力的目的及指导思想
鉴于宁夏电力公司超高压电网运行分公司750kV变电站的现状和存在的问题, 以明确运行人员监盘的重点思路和尽快培养一批适应超高压电网运行的技能人才为出发点, 以提高变电运行人员的监盘能力为目的, 集合领导和变电运行人员的智慧, 针对运行人员监盘工作中目前存在的具体原因, 共同提高750kV变电站运行人员的监盘能力, 确保变电站设备安全、健康、稳定运行, 营造创争“学习型班组、知识性职工”的良好氛围, 为培养素质尤佳的Π型人才奠定基础。
4 提高750kV变电站运行人员监盘能力的具体措施
4.1 编制小室公用测控信息功能一览表, 使公用测控信息清晰化、条理化
编制小室公用测控信息功能一览表, 在公用测控信息功能一览表中根据信号名称, 明确了其内侧端子号、柜内端子号外侧标签号、对侧位置来源和功能说明。运行人员根据表内指示可以清楚的判断信号由何而来, 是什么原因引起, 它的影响程度有多大, 并采取必要的措施使影响电网安全稳定的不良因素尽量减小或将其控制在萌芽状态, 使得公用测控信息清晰化、条理化, 为提高运行人员的监盘能力奠定了扎实的基础 (例如:附表1) 。
4.2 编写变电站断路器、电抗器、线路信息一览表, 使断路器、电抗器、线路信息明了化
在断路器、电抗器、线路信息一览表内, 除填写公用测控信号的功能外, 又增加了一项信号出现的原因说明, 进一步对电气设备发出异常信号进行了阐述, 最大程度地保证了运行人员对每一个信号的理解。简单的理清了每一个信号的来龙去脉及影响范围给运行人员很直观的判断, 使运行人员对发出的每一个信号, 均能迅速判断发信的来源及引起的后果, 从而正确的采取有力措施, 以最快的速度与调度及相关部门取得联系, 使异常情况尽快得以控制, 减少其影响范围 (例如:附表2) 。
5 结束语
通过编制变电站信息一览表, 解决了750kV变电站盲目监盘的被动局面, 为监盘工作提供了可供参考的有力依据, 使变电站监盘培训工作不再迷惘。变电站信息功能一览表, 帮助运行人员理清了监盘工作的思路, 增强了运行人员对异常及事故信息的分析判断能力, 激发了运行人员的学习兴趣, 提高了监盘工作的准确率。一个信息一条路清晰而明了, 彻底消除了运行怕烦、厌学的心理因素, 使每一种信息的功能在运行人员的心中生根发芽, 真正做到了变电站监盘工作有备无患。实现了安全工作的可控、在控、能控。
摘要：750kV变电站是宁夏电网投资建设的新一级电压等级的变电站, 它的建成加强了西北750kV电网间的联络, 优化了宁夏现有电网结构, 大大提高了宁夏电网与西北功率交换能力, 加快了自治区能源优势转化为经济优势的步伐。然而新设备、新人员给750kV变电站的安全稳定运行带来了巨大的压力, 因此提高人员的监盘能力是750kV变电站运行人员目前工作的重要任务之一, 本文以“如何提高750kV变电站运行人员的监盘能力”为出发点, 为变电站运行人员进行准确的监盘工作提供一个简单的平台。
关键词：750kV变电站,人员,监盘能力
参考文献
[1]苏玉林等编.怎样看电气二次回路图.北京:中国电力出版社.1992.2
[2]变电运行.上海超高压变电公司编.北京:中国电力出版社.2005
750kV变电构架 篇7
目前, 站用常规直流电源由高频开关电源模块+铅酸蓄电池组+蓄电池巡检仪+监控系统等构成。蓄电池组由52/104只蓄电池构成, 在运行过程中主要存在以下问题[1~3]:单只蓄电池内部质量问题和连接线问题造成整组蓄电池不能正常带载;蓄电池组中最差一只蓄电池容量决定整组蓄电池容量;新更换蓄电池与原运行蓄电池性能不匹配造成整组蓄电池性能迅速下降;铅酸蓄电池组只能依靠定期离线全容量核容试验才能真正确定实际容量;蓄电池出现内部质量问题时不能在线更换, 需先将备用蓄电池组并联带载后, 再退出问题蓄电池组进行维护;蓄电池巡检仪在串联模式下只能监测单体电池端电压, 无法在线监测其实际容量;对于常规直流系统, 蓄电池核容试验要求人员必须在现场, 且单只蓄电池损坏时需整组更换;变电站突破规模扩建时, 需更换充电机、蓄电池组。本文将针对传统串连电池组运行过程中主要存在的问题, 设计一款模块化的并联电池组。
1 并联直流电源系统原理
并联直流电源系统由多个并联智能电池模块组成, 每个模块独立配置1节12V电池, 每节电池相互独立, 互不影响[4,5]。并联直流电源系统接线如图1所示。
并联蓄电池模块是并联直流电源系统的关键, 它由12V蓄电池与匹配的AC/DC充电模块、DC/DC升压模块等器件组成;多只组件输出并联就组成了满足实际需要的并联蓄电池系统。在每个并联智能电池组件内, CPU智能电路对组件内的AC/DC电路、DC/DC变换器进行监控, 精确控制组件工作在其对应状态, 并与整个系统的监控器进行通信, 接收系统指令。单个并联蓄电池模块基本原理如图2所示。
并联蓄电池模块同时接入站内交流电源及蓄电池, AC 220V通过AC/DC电路形成内部母线电压DC 400V, 此母线同时为DC/DC输出变换器及DC/DC充电变换器提供输入能量, DC/DC输出变换器产生系统母线电压DC220V, DC/DC充电变换器输出12V电压给蓄电池充电;交流失电时, 蓄电池端电压通过DC/DC升压变换器升压输出形成内部母线电压, 并联蓄电池模块可以实现无间断切换至蓄电池供电;并联蓄电池模块内的AC/DC、DC/DC变换器受到CPU智能电路控制, 并联蓄电池模块通过CPU单元与系统监控器进行通信。并联蓄电池模块输出具有限流特性, 即并联蓄电池模块运行时能在100ms内持续输出15A电流, 短时1min持续输出2.5倍额定电流 (这段时间内输出电压维持额定) , 若超过1min则输出限流至1.1倍额定, 此电流计时超过5min后, 再次把输出限流提高至2.5倍额定, 若限流负载不消失则进入循环阶段, 否则输出电压恢复至限流前数值。
并联蓄电池模块可做到交流转直流供电0s切换。在交流电源正常输入时, 形成内部DC 400V母线, 同时DC/DC升压变换器输出DC 340V, 两母线间采用二极管隔离, 正常状态下相当于DC 400V带载, DC 340V母线处于空载待机状态, DC/DC输出变换器在宽输入电压范围内 (290~450V) 正常稳压输出;当交流异常 (掉电) 时, DC 400V电压迅速下跌, 只要A点电压稍低于DC340V, 隔离二极管便正向顺序导通, DC/DC升压变换器输出DC 340V带载, 保证DC/DC输出变换器输入电压不跌出正常范围 (290~450V) , 也就保证输出端电压 (DC220V) 不变, 实现供电0s切换。
2 并联直流电源系统的优点
(1) 设备运行可靠性高。传统的104只单体蓄电池串联模式下, 整串蓄电池整体性能受制于最弱的一只, 整体可靠性是“与”的关系, 串联越多, 可靠性越差。而并联直流电源系统整体可靠性是“或”的关系, 并联越多, 可靠性越高。常规串联直流电源系统单只蓄电池损坏, 整组就需更换;而并联直流电源系统单只蓄电池损坏, 不影响运行。
(2) 方便扩容。当变电站需要突破终期规模扩建时, 传统串联直流电源系统只能整组更换蓄电池, 成本增加过多, 安装等工程量增加;而并联直流电源系统可以根据变电站扩建规模增加相应的模块, 扩建方式灵活。
(3) 单节蓄电池利用率高。传统的104只单体蓄电池串联模式下, 整串蓄电池整体性能受制于最弱的一只, 新旧蓄电池不能混用, 因此当一节或几节蓄电池损坏时需连同该组中未损坏蓄电池整组更换, 势必造成资源浪费, 单体蓄电池利用率不高。并联直流电源系统中每节12V蓄电池相互独立, 可单独更换而与其它蓄电池无关, 都可使用到寿命终止期, 从而提高了蓄电池利用率。
(4) 可以实现自动在线核容。传统串联直流电源系统不具备在线管理每只蓄电池的能力及在线更换蓄电池的功能, 核容1组蓄电池需要2人次2天时间。并联直流电源系统可以利用系统现场负载自动对蓄电池进行在线全容量核容, 每次只允许核容1只蓄电池, 核容完毕后自动转入均充管理阶段, 并把核容数据 (包括电压、电流、核容时间、核容后的物理容量) 导出到系统监控界面, 通过冗余设计, 即使现场一个模块因核容出现问题而退运也不会影响整个系统运行, 因此蓄电池核容时工作人员可不到现场。通过自动核容能够及时发现容量落后蓄电池并对其进行在线更换, 从而减小了维护工作量, 提高了直流电源系统运行可靠性。
(5) 便于分散式布置。传统串联直流电源系统一般全站设置1套蓄电池组置于专用蓄电池室中, 各小室设置直流分屏;对于分散式布置的变电站, 直流分屏数量众多且各小室间距离较远, 分屏至主屏间的电缆压降严重, 电缆截面往往很大, 投资非常高。并联直流电源系统可以根据每个分散布置小室中的直流负荷灵活选择所需的容量, 靠近供电对象就近供电, 既方便设备布置, 又节约投资成本。
3 并联直流电源系统模块与蓄电池容量选择
3.1 蓄电池模块数量选择
鉴于蓄电池模块的输出特性 (可在1min内持续输出2.5倍额定电流) , 蓄电池模块数量只需满足正常工作时的经常性负荷和事故状态下的事故负荷需求即可, 冲击负荷可仅作为核算用。
首先确定直流电源系统事故状态下2h的持续放电电流。蓄电池模块数量按N+1 (N≤6) 原则或N+2 (N≥7) 原则冗余配置。蓄电池模块数量N=Pj/ (Pmax·Ka) , 其中Pj为直流负荷计算容量, Pmax为模块输出最大功率, Ka为安全余量 (取80%) 。
鉴于蓄电池模块可在1min内持续输出2.5倍额定电流, 最后根据蓄电池模块额定输出电流的2.5倍核算冲击能力。
3.2 蓄电池容量选择
由于模块具有均流作用, 因此每只蓄电池提供1/N的负荷功率。单只蓄电池放电电流Is=Px/ (N·η·U) , 其中Px为直流负荷实际容量, N为直流系统选择蓄电池模块数量, η为蓄电池的放电效率 (取0.85) , U为蓄电池额定电压 (取12V) 。蓄电池容量Cc=Krel·Is/Kc, 其中Krel为可靠系数 (取1.40) , Kc为容量换算系数 (根据《电力工程直流系统设计技术规程》选择) 。
4 并联直流电源系统应用
4.1 变电站概况
某750kV配送式智能变电站二次系统划分为750kV二次设备模块、330kV二次设备模块、主变及66kV二次设备模块、公用二次设备室模块, 采用预制舱式二次组合设备与装配式建筑相结合方式, 其中公用二次设备室模块布置于装配式建筑物内, 其它二次设备模块布置于模块化的二次设备预制舱内。
4.2 并联直流电源系统方案
为了适应该站二次设备室分散式布置特点, 提出了并联直流电源系统方案。
(1) 该站采用并联直流电源系统, 由多个并联智能电池模块组成, 电压选用220V。并联直流电源系统预置分级减载策略, 优化蓄电池容量, 保证系统通信设备安全运行。
(2) 并联直流电源系统采用分散式布置形式, 在公用二次设备室和每个预制仓中各配置2套, 标称电压为220V, 采用二段单母线接线形式。每套并联直流电源系统冗余配置并联直流模块, 全站交流电源事故停电时间按2h计算。
(3) 并联直流电源系统采用辐射形供电方式, 根据直流负荷分布情况, 在预制舱内设置直流分屏 (柜) , 各单元的测控、保护、自动装置等负荷均从直流分屏 (柜) 引接。
(4) 该变电站应急照明采取在全站交流失电时由直流母线直接供电方式, 每组蓄电池的容量按全站全部负荷的100%选择, 按最严重的事故放电方式校验。正常运行时, 2组蓄电池不并列运行, 每组蓄电池各带部分经常负荷。确定并联直流电源系统事故下2h的持续放电电流, 根据模块的输出特性 (1min持续输出2.5倍额定电流) , 可不考虑冲击负荷, 满足正常工作时的经常性负荷和事故状态下的事故负荷需求即可。模块数量按N+1 (N≤6时) 原则或N+2 (N≥7时) 原则冗余配置。
4.3 预制舱内直流电源系统容量计算
下面以主变及66kV设备舱为例介绍舱内直流电源系统容量计算。主变及66kV设备舱负荷统计见表1, 其中冲击负荷取66kV母线保护动作的情况。
(1) 电池模块数量N=P/ (Pmax·Ka) =4.83, 加上冗余模块后, N取6。
(2) 冲击负荷校验。并联直流电源系统短时输出能力为额定电流的2.5倍, 即Ie×N×2.5=34.05A (额定电流Ie由产品说明书查得) 。短时最大电流为8.77A+18A=26.77A<34.05A, 满足冲击负荷的需求。
(3) 单个蓄电池放电电流Is=Px/ (N·η·U) =31.54A。
(4) 蓄电池容量Cc=Krel·Is/Kc=101.51A·h, 取蓄电池容量为120A·h。
5 经济比较
传统串联直流电源系统采用两段单母线接线, 两段直流母线间设置联络开关, 全站配置2组1 200A·h蓄电池组, 每组蓄电池含104只2V蓄电池, 每组蓄电池及其充电装置分别接入不同母线段, 第3套充电装置经切换电器可对2组蓄电池充电。全站设直流充电柜3面, 直流馈电柜2面, 每个预制仓设直流分电柜2面。
并联直流系统每个预制仓设电源模块屏体1面。最终传统串联直流电源系统与并联直流电源系统投资比较见表2。
由表2可知, 虽然并联直流电源系统初期投资较大, 但是在全寿命周期成本上有很大优势。
6 结束语
并联直流电源系统相对于传统串联直流电源系统提高了直流电源系统的可靠性和可维护性, 在全寿命周期内节省了成本, 同时更好地适应了二次设备室分散式布置的变电站。本文给出了750kV变电站并联直流电源系统的具体计算方案, 为后续类似工程的开展提供了借鉴和参考。
参考文献
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750kV变电构架 篇8
现阶段, 国内外非常重视高原融冰项目的综合评价, 提出了各种类型的评价方法, 在输电融冰工程项目中, 综合评价发挥出至关重要的作用[1,2]。融冰工程项目评价由市场需求指标评价、社会经济评价指标、自然环境效益和技术水平指标评价等诸多方面组成[3,4]。然而在我国高原融冰工程项目中的融冰工程项目评价发展过程中, 社会效益评价较晚才开始发展, 直到20世纪70年代国外才出现有关研究。最近几年, 国内进行的融冰工程项目经济评估工作当中, 评估了部分项目的社会效益, 不过因为忽视了评估的价值, 大量项目的社会效益评价工作并不专业, 特别是对于社会效益评价这门学科来说, 它没有适应社会、经济科学的前进速度, 它的理论基础与实践经验均有所缺乏, 所以对社会效益评价进行研讨具有现实意义[5]。因此, 对高原变电站750 k V出线线路进行融冰是至关重要的, 可以确保电网安全可靠地运行。
1 评价指标体系
本文构建的高原750 k V变电站直流融冰指标包括6项一级指标和18项二级指标, 详细的评价指标体系如表1所示。
2 评价指标体系分析
2.1 市场需求指标分析
该项目在施工过程中, 市场需求指标如下所示。输电稳定性与安全性通过电压品质及输电情况得到体现, 一定要确保电力输送的安全稳定, 使各地区电力需求得到满足。
(1) 电力需求程度指标
该指标通过电力供需比进行表示。
(2) 供电安全性指标
此指标体现了出现故障时, 电网连续供应电力给负荷的水平。国际与国内主要根据“N-1”安全标准来评价这一指标。
(3) 供电可靠性指标
此指标体现了供电体系连续供应电力的水平, 在对整个系统的电能水平进行评估时会以此指标作为依据, 它还体现出电力行业满足国民电能需求的水平, 以其为标准可以对国家的发达水平进行评估;此指标包含了各种子指标, 例如:用户平均停电时间、供电可靠率等。
2.2 社会经济效益指标分析
该项目在施工过程中, 经济效益评价由三部分组成, 社会经济效益指标能够很好地反映社会经济产生的影响力。
(1) 拉动经济指标
拉动经济指标指的是在高原750 k V变电站直流融冰项目建设好后, 附近地区经济发展水平, 以及投产之前与之后人均GDP的改变水平。
(2) 增强电力输送能力指标
增强电力输送能力指标是指在高原750 k V变电站直流融冰项目建设好后, 可以降低低温冰覆盖电网线路的面积, 使供电能力上升, 从而使供电与需求间的冲突在一定程度上被缓解。
(3) 产业结构调整力度指标
产业结构调整力度指标能够调整三大产结构所占的比例。
2.3 自然环境效益指标分析
自然环境效益评价组成如下所示, 自然环境效益指标能够体现出该工程的实施对环境产生的影响能力。
(1) 扬尘污染
在施工过程中产生的泥水对外排放, 对当地的水环境造成一定影响;运输车辆以及作业机械产生的污染均对生态环境造成很大影响。
(2) 防无线电干扰能力
开展直流融冰项目阶段会影响工频磁场及电场, 在设置电气装置的高压导电组件阶段, 还会影响到无线电, 对附近地区的信息服务业产生干扰。
(3) 抗洪抗震能力
因为开展直流融冰项目的地区可能出现地震及洪涝灾害的几率会上升, 因此项目开工阶段, 要根据工地地形地貌特征等, 采取防范地震、洪涝的措施, 将防洪墙或截洪沟建设在变电站外部, 从而防止极端暴雨破坏变电站;对于站区内涝的防范工作, 会将抗震垫布置在7550 k V的融冰隔离开关处, 从而保证地震不超过设防等级时, 电力装置的正常工作。
2.4 技术水平指标分析
技术水平指标组成如下所示。
(1) 保线电流
保线电流计算公式如下所示:
式 (2) 中, Ib为保险电流, A;Ro为温度在零摄氏度导线的电阻, Ω/m;t1为导线的温度, t2为结冰时环境的温度, 可以取t2=-3℃或者t2=-5℃;∑d为辐射系数;D为导体的外径, cm;V为风的速度, m/s。
(2) 最小融冰电流
最小融冰电流计算公式如下所示:
其中, h=1.9207 (D+d) -0.534V0.466+2.1546×10-7 (t2+273.15) 3;Ic为最小融冰电流 (A) ;R0为气温在0℃时单位长度导线的电阻 (Ω/m) ;t2为结冰时外界温度, 一般取t2=-3℃或t2=-5℃, ki为冰的热传导率, ki=2.22W/ (m·℃) ;h为空气与冰表面热交换系数;D为导体的外径 (cm) ;d为覆冰厚度 (m) ;V为风速 (m/s) 。
从最小融冰电流公式可看出:最小融冰电流是导线直径D和冰面温度t2以及覆冰厚度d的函数, 最小融冰电流受t2、D、d和V的综合影响。
(3) 最大允许融冰电流
导线最大允许电流计算公式如下所示:
如果风速v>2m/s, 计算公式如下:
如果风速v≤2m/s, 计算公式如下:
式 (4) 和式 (5) 中, R90表示温度为90℃时导线的电阻, Ω;Imax表示导线的最大电流, A;T2表示外界环境的温度, ℃。
(4) 融冰时间
融冰时间计算公式如下所示:
其中, Ir为融冰电流 (A) ;R0为导线温度为90℃时的电阻 (Ω) ;Tr为融冰时间 (h) ;Δt为导体温度与外界温度之差 (℃) ;g0为冰的比重;b为冰层厚度, 即覆冰每边冰厚 (cm) ;D为导体覆冰后的外径 (cm) ;RT0为等效冰层传导热阻;d为导线直径 (cm) ;RT为对流及辐射等效热阻 (℃·cm/W) ;V为风速 (m/s) 。
综上所述, 在已知外界气象条件下, 如覆冰厚度和风速等, 能够将融冰电流数值和融冰时长之间的关系曲线描绘出来。融冰项目设计时能够依据此公式, 在已知最小融冰电流的情况下将大致的融冰时长计算出来, 而多分裂导线上经过的电流值是总电流与导线分裂数目相除得到的。
2.5 工程造价指标分析
单位变动容量造价指标与投资额指标共同构成了变电站直流融冰项目的造价指标, 项目的总投入量与单位投入量通过工程造价指标得到体现。
(1) 投资额
该指标通过工程综合总投资数量体现出来, 涉及到和主辅工程、站址相关的单项工程和另外工程费用的总投资量。
(2) 单位变电容量造价
10 k V和超过10 k V的配电网通过此指标将本地电气装置的造价均值体现出来, 以此为依据可以对配电网项目总投资量进行评估。计算公式如下:
单位变电容量造价=变 (配) 电设备静态投资/变电容量 (7)
3 小结
论文建立了高原750 k V变电站直流融冰项目评价指标系统。第一步是对建立此系统的准则进行了描述, 从而作为指导方向开展后续的研究;第二步是对此项目的评价方面进行了介绍, 包括项目选择路径是否科学、项目的经济性、项目的技术先进性、项目的环保性、项目是否满足本地区电力需求等内容;第三步是将项目评价指标体系完全建立起来, 主要涉及到工程造价、技术含量、环保性、经济性及市场需求等多个方面。
参考文献
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