220kV-主变构架计算

工程名称：            雨雪220kV变电站设计 

计算书名称：        220kV主变压器构架及基础计算书         

工程检索号：    65-B1001S-T0301     卷册号：    T0301   

220kV主变压器构架及基础

计  算  书

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审  核  人：          

校  核  人：         

计  算  人：          

西安思维电力设计公司

2011年 8 月

220kV构架及基础计算书

一、设计资料

1.220kV主变构架资料

220kV主变构架，构架高度14.5m，构架梁跨度16m，构架梁为3相挂点，导线挂点高度为14.5m，平面外计算时偏角按0°考虑。详见图一、图二、图三所示：

                图一：220kV构架轴测图

             图二：构架梁展开图

图三：挂线点位置示意图

2.220kV主变构架荷载资料

图四：主变架两侧导线连接示意图

2.1主变架两侧导线型号与长度

主变架220kV侧导线： LGJ-500/45,L=31.7m,v=25m/s,最大弧垂2.0m。引下线两处，每相长度两处引下线合计为22米。导线长度合计=31.7+22=53.7米：

主变架110kV侧导线： 2xLGJ-500/45,L=30.0m,v=25m/s,最大弧垂1.5m。引下线两处，每相长度两处引下线合计为2x22=44米。导线长度合计=2x(30+22)=104米：

2.2主变架两侧导线荷载[电气提供]

2.2.1 主变架220kV侧导线荷载计算结果

LGJ-500/45 Ａ= 531.68 mm^2 Ｅ= 65000 ＭPa α= .0000205 1/℃ Ｎ= 1 

λ1= 2.55 ｍ Ｇ1= 47.5 Kg 串X片= 1 X 17 每片受风 .02 ｍ^2 

λ2= 2.55 ｍ Ｇ2= 47.5 Kg 串X片= 1 X 17 每片受风 .02 ｍ^2 

Ｌ  = 31.7 ｍ 构架允许最大张力 8000 Ｎ/相

第一引下线长 11 ｍ 距一侧 12.7 ｍ 第二引下线长 11 ｍ 距一侧 27.7 ｍ

------------------------------------------------------------------------------

各气象条件下的张力(控制条件:过牵引)

 条  件 气温  风速  覆冰 导线荷载(Ｋ 张力 (N)

  最低气温 20   0     0        16.5424      2.413656E+12     2944.828 

  最 大 风 25    0         23.95948     4.608003E+12     3986.185 

  覆 冰         -5    10    0        16.66543     2.442548E+12     2962.283 

  最高气温          40   0     0        16.5424      2.413656E+12     2790.088 

  安 装          0    10    0        16.66543     2.442548E+12     2943.682 

2.2.2 主变架110kV侧导线荷载计算结果

LGJ-500/45 Ａ= 531.68 mm^2 Ｅ= 65000 ＭPa α= .0000205 1/℃ Ｎ= 2(双) 

λ1= 2.55 ｍ Ｇ1= 57.5 Kg 串X片= 1 X 17 每片受风 .02 ｍ^2 单片覆冰 1 Kg

λ2= 2.55 ｍ Ｇ2= 57.5 Kg 串X片= 1 X 17 每片受风 .02 ｍ^2 单片覆冰 1 Kg

Ｌ  = 30 ｍ 构架允许最大张力 8000 Ｎ/相

第一引下线长 11 ｍ 距一侧 3 ｍ 第二引下线长 11 ｍ 距一侧 27 ｍ

各气象条件下的张力(控制条件:过牵引)

  最低气温         -20   0     0        16.5424      1.426696E+12     2048.54 

  平均气温          10   0     0        16.5424      1.426696E+12     1987.488 

  最 大 风         -5    25    0        19.7219      1.886624E+12     2318.705 

  覆 冰         -5    10    10       27.8693      3.871095E+12     3316.716 

  最高气温          40   0     0        16.5424      1.426696E+12     1931.512 

  安 装         -10   10    0        16.66543     1.4430E+12     2039.095

2.3主变架荷载表

地震抗震烈度6度，建筑场地类别Ⅰ类；地面粗糙度为B类，基本风压为0.90kN/㎡。

二、主变架风荷载计算

1.人字柱风荷载计算    

a)=1.2 

b)标高14.5-4.5/2=12.25m ，按B类场地粗糙度查得风压高度变化系数

=1.00+=1.06

c)d=1.126×0.9×0.273=0.076>0.015故体形系数=0.6

d)标高10.00m以上时：==1.2×0.6×1.06×0.9=0.69 kN/㎡

    标高10.00m以下时：==1.2×0.6×1 .00×0.9=0.65 kN/㎡

e)沿高度方向线荷载：

标高10.00m以上：q=×d=0.69×0.273=0.19 kN/m（当为ø273钢杆）

                  q=×d=0.69×0.377=0.26 kN/m（当为ø377钢杆）

标高10.00m以下：q=×d=0.65×0.273=0.18 kN/m（当为ø273钢杆）    

q=×d=0.65×0.377=0.25 kN/m（当为ø377钢杆）

总上所述，构架10.00m以上及以下时线荷载差别不大，为方便计算均取构架10.00m以上值：

q=×d=0.69×0.3=0.207 kN/m（钢杆为ø300）

三、主变架横梁计算

1.设计资料

计算简图及尺寸如图三所示，导线张力及竖向荷载见前页。

根据电气提供的荷载值，考虑最大荷载、单相上人两种工况下梁内力计算。

梁自重按1.2 kN /m计算,安装时梁上人及工具重2.0kN

本计算书型材截面特性均由“钢结构截面特性”软件算得，不再写详细计算过程。

查《手册》1.3.2条取[]=150。

2.运行工况（取最大风速工况）

最大风速工况内力分析计算，按考虑主变架挂线核算水平力时,梁材料强度和考虑主变架挂线核算垂直力时梁材料强度。计算时假定各节点均为交接。

1)上主材

图五：梁受力示意图

垂直力R产生的主变架横梁最大弯矩设计值【取110kV侧和220kV侧的大者】：

2.1  110kV侧垂直力R产生的主变架横梁最大弯矩设计值

M1= 1.4×（R×16/4+ R×5.8）+1.2×（×q×L）

     =1.4×(3.12×16/4+3.5×5.8)+1.2×(×1.2×16)=91.972kN.m

2.2  220kV侧垂直力R产生的主变架横梁最大弯矩设计值

M2= 1.4×（R×16/4+ R×4.0）+1.2×（×q×L）

     =1.4×(3.12×16/4+3.5×4.0)+1.2××1.2×16

     =37.07+46.08=83.15kN.m

垂直力R产生的主变架横梁最大弯矩设计值,取110kV侧和220kV侧的大者。

实际取M= M1=91.972kN.m

2.3  轴力设计值N

轴力设计值：N===114.96 kN

上主材采用角钢L100x12，A=22.8cmi=1.95cm

=L/i=120/1.95=62<[]=150  查《手册》附录表A-4得=0.878（B类）

应力===57.4N/mm2)下主材

M=114.96kN.m

水平力产生的最大弯矩设计值：

M=1.4×(H×16/4+H×5.8+1.5×16/4)

=1.4×(3.12×16/4+3.12×5.8+1.5×16/4)

=51.212kN.m

N=== kN

下主材采用角钢L100x12，A=22.8cmi=1.95cm

=L/i=120/1.95=62<[]=150  查《手册》附录表A-4得=0.878（B类）

拉应力===87.67N/mm压应力===3.91N/mm3)水平斜材

   设计轴力N===13.1 kN

水平斜材采用角钢L50×6 ，A=5.688cmi=0.98cm

=L/i=120/0.98=122.5<[]=150  查《手册》附录表A-4得=0.707（B类）

应力===32.6N/mm3.检修工况（取单相上人工况）

检修工况内力分析计算，按考虑主变架挂线核算水平力时梁材料强度挠度，按考虑主变架挂线及出线侧核算垂直力时梁材料强度挠度。

1)上主材

垂直力产生的最大弯矩设计值：

M= 1.2 [（R+2）×16/4+（ R）×5.8+×q×L]

     =1.2[(3.36+2)×16/4+2.63×5.8+×1.2×16]

     =90.1kN m

★安装时梁上人及工具重2.0kN

轴力N===112. kN

上主材采用上主材采用角钢L100x12，A=22.8cmi=1.95cm

=L/i=120/1.95=62<[]=150  查《手册》附录表A-4得=0.878（B类）

应力===56.27N/mm< f= 215 N/mm满足要求

2)下主材

M=90.1kN.m

水平力产生的最大弯矩设计值：

M=1.2×[(H+1.5)×16/4+H×5.8)]

=1.2×[(17.8+1.5)×16/4+2.63×5.8)]

=1.2×[77.2+15.25)]

=110.9kN m

N=== kN

下主材采用角钢L100x12，A=22.8cmi=1.95cm

=L/i=120/1.95=62<[]=150  查《手册》附录表A-4得=0.878（B类）

拉应力===85.52N/mm压应力===41.15N/mm3)水平斜材

   设计轴力N===20.83 kN

水平斜材采用角钢L50×6 ，A=5.688cmi=0.98cm

=L/i=120/0.98=122.5<[]=150  查《手册》附录表A-4得=0.736（B类）

应力===49.8N/mm4.横梁挠度

A.梁刚度计算：B=EI

查《手册》表2-16得：E=206×10N/mm 

I=hA=×800×2280=9.728×10 mm

B= EI=206×10×9.728×10=2.004×10N mm

B.根据《手册》3.3.4.3条规定,取安装工况时变形作为横梁的挠度,即P=2.63kN；查《手册》表4-1得：

C.f=

=

  =4.81x2.474+6.=18.5mm<=80mm

5.材料一览表

综上所述220kV主变构架横梁材料一览表如下：（详见220kV主变构架梁图纸）

1.内力系数计算

      图七：人字柱受力示意图

a)查《手册》4.1.13

i===0.111

t===7.72

=

=

=4.85

2.边柱平面内力计算[左侧]

1) 各荷载重(均为标准值)：

由构架横梁传来R=G+ R110+R220 ——中柱

=15.3+(3.5)×3=56.4 kN

由构架横梁传来R= R/2 ——边柱

=56.4/2=28.2kN

主变进线张力 H=(17.8+20.44×2)/2=29.34kN  

2)作用在柱顶的荷载值为：（荷载简图见图七所示）

G=R=56.4kN   

W= H=29.34kN     

3) 内力计算：

   M=(29.34×7.382)( ×0.2+15.451×0.111)- (29.34×15.451)

=-30kN·m

   N=- N = N(进线张力所产生作用)

=(29.34×7.382) =108.29kN 

   拉杆 N=N-G/2=108.29-56.4/2=80.08kN  

   压杆 N=N+G/2=108.29+56.4/2=1.69kN  

3.边柱平面内内力计算[右侧]

                图八：人字柱受力示意图

1)查《手册》4.1.13

i===0.111

t===7.72

=

=

=4.85

2)作用在柱顶的荷载值为：（荷载简图见图七所示）

G= R=29.34kN 

W=H=29.34/2=14.67kN

3)内力计算：

 M= M(导线所产生的弯矩)

=-(21.2×7.10)( ×0.3+15.451×0.111) 

=-140kN·m

   N=- N = N(进线张力所产生作用)

=(21.2×7.1) =75.26kN

   拉杆 N=N-G/2=75.26-29.34/2=60.59kN

   压杆 N=N+G/2=75.26+29.34/2=.93kN

五、人字柱平面外计算

1.计算简图

           图九：平面外受力示意图

   平面外受力包括:导线风压V1和人字柱风压q造成的风荷载.

2.人字柱柱顶弯矩、剪力计算

人字柱风压值: q=0.206 kN/m（ø300钢杆）

导线偏角按0°考虑，水平张力按最大风荷载工况计算，H=23.959x157/2=1.88kN 

1)截面特征：

ø300×6 钢杆(查<<手册>>表2-13):

EI=[206×10N/mm]×[5851.714×10 mm]=1.205×10kN m

EA=[206×10N/mm]×[66.602×10 mm]=1.372×10kN

   钢梁:

 EI=206×10×8.686×10=1.7×10kN m

 EA=206×10×2035×3=1.258×10kN 

2)受力大小计算(导线作用力)：

V1=V2= V=23.959x157/2=1.88kN

3.平面外《结构力学求解器》计算

1.构架平面外计算采用《结构力学求解器》软件。

2.所有截面特性见五.2条。

3.计算数据及结果详见软件计算结果，下面列出几个控制内力(标准值)：

1.端撑内力组合

轴力N= N±N=277.93±(1.+1.53+2.79)= kN

柱底弯矩M=-13.95kN.m

2.边柱内力组合

轴力N=N+ N=62.31+271.39/2=198.01 kN

轴力N=N+ N=98.49+271.39/2=234.19 kN

柱底弯矩M=-9.6 kN m

柱底弯矩M=-14.06kN m        

3.钢杆承载力计算

(1) A:  端撑（采用ø300×6钢杆）强度计算，查《手册》公式5-8：

≤f=215N/mm

查钢结构截面特性： A=5523 mm    W= W==×1000= 1052790 mm

=

                  = N /mmB:局部稳定：查《钢结构设计规范》GB50017-2003第5.4.5条规定，其外径与壁厚之比不应超过100（235/f）

     =37.5C:整体稳定（见图十）：查《钢结构设计规范》GB50017-2003第5.2.2条：

公式5.2.2-1：

≤f=215N/mm

查《手册》表5-2得µ=0.7  H=0.7×8700×=6210mm

i=13.049cm        ===47.5    =0.867

图十：端撑尺寸示意图

根据《钢结构设计规范》GB50017-2003第5.2.2.1.1）说明取=1.0，

表5.2.1取=1.15，W==×1000=1052790mm，==4525585N

=

                         =46.55+19.33=65.88N/mm

  (2)边柱内力计算

   A:  边柱（采用ø300×6钢杆）强度计算，查《手册》公式5-8：

≤f=215N/mm

查钢结构截面特性： A=5523 mm    W= W==×1000=1052790 mm

=

                  =32.83±12.95±18.97= N /mmB:局部稳定：查《钢结构设计规范》GB50017-2003第5.4.5条规定，其外径与壁厚之比不应超过100（235/f）    

  =37.5C:整体稳定（见图七）：查《钢结构设计规范》GB50017-2003第5.2.2条：

公式5.2.2-1：

≤f=215N/mm

查《手册》表5-2得µ=0.7  H=0.7×8700×=6210mm

i=13.049cm        ===47.5    =0.867

根据《钢结构设计规范》GB50017-2003第5.2.2.1.1）说明取=1.0，

表5.2.1取=1.15，W==×1000=1052790mm，==4525585N

=

                         =37.86+19.48=57.34N/mm

4.结论

通过计算可知上述主材均已满足设计要求。

七、基础验算：

图十五：J1详图

1.端撑基础（J1）承载力验算：

基础承载力特征值为160kPa，基础承载力深宽修正值为[<<建筑地基基础设计规范>>（GB50007-20002）式 5.2.4]

fa ＝ fak + ηb × γ× (b - 3) + ηd × γm × (d - 0.5) 

   =   160+0+1×18×(2.5-0.5)=198 kPa

e=M/N=13.86/287.9=0.048P===79.85 kPa<100 kPa

G=2.8×3.8×2.0×10+2.8×3.8×0.5×20=319.2kN(-0.5m以下取浮重)

2.端撑基础（J1）柱子插入杯口深度验算：

查《手册》公式8-42 ：

h===268mm（参考公式8-41取f=0.5MPa）<1200mm且大于1.5D

3.端撑基础（J1）柱子抗拔验算：

T=267.9kN