特殊環(huán)境下的特高壓軟母線安裝技術

羅本壁

(1.華北電力大學，北京市，102206;2.國家電網(wǎng)公司交流建設分公司，北京市，100082)

0 引言

建設特高壓電網(wǎng)對于實現(xiàn)能源資源集約化開發(fā)、優(yōu)化能源資源配置方式、提高能源利用效率、推動電網(wǎng)技術升級、促進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展具有重大意義［1］。特高壓交流輸電在遠距離、大容量輸電中具有成本低、損耗小的經(jīng)濟優(yōu)勢［2］。為進一步發(fā)揮1000kV晉東南(長治)—南陽—荊門特高壓交流試驗示范工程的輸送能力，滿足華北電網(wǎng)與華中電網(wǎng)之間遠距離大容量電能調配需要，促進特高壓電網(wǎng)發(fā)展，特高壓交流試驗示范工程擴建工程于2011年初開工建設，并已順利完成。特高壓交流試驗示范工程擴建工程主要包括擴建主變、增加串補等內容，而串聯(lián)補償有利于提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性［2］，在晉東南(長治)特高壓站，需擴建3 000 MVA主變1組，在長治至南陽出線側，增加20%固定串聯(lián)補償裝置。

1 軟母線安裝條件和技術特點

1.1 軟母線安裝條件

晉東南(長治)站擴建工程分為2個區(qū)域，擴建區(qū)與原站區(qū)連為一體，而串補區(qū)域脫離于主站區(qū)而獨立成區(qū)，兩區(qū)之間有鄉(xiāng)村公路、低壓電力線路等。串補區(qū)域除了安裝串補平臺外，還安裝2榀獨立架構，架設軟母線，與原出線架構連接，如圖1所示。圖中0號架構為原出線架構，其下方有1000kV高抗及配電裝置。0號與1號架構之間的軟母線要跨越2個站區(qū)之間的公路、10kV配電線路等。

1.2 軟母線安裝技術特點

擴建工程軟母線的安裝較以往工程有一定的區(qū)別，其主要技術特點如下:

(1)以往變電站軟母線的水平面平行正投影均在站區(qū)內，而此次軟母線安裝要跨越鄉(xiāng)村公路、10kV配電線路等障礙物，無法采用常規(guī)的施工方法，需要進行技術方案更新與論證。

圖1 軟母線架設條件Fig.1 Erection condition of flexible busbar

(2)軟母線在安裝中，要跨越1000kV高抗、電壓互感器、避雷器、支柱絕緣子等運行設施，如果發(fā)生高空墜物現(xiàn)象，會危及設備，所以必須采取可靠的技術方案，保證軟母線安裝萬無一失。

(3)軟母線采用1 600 mm2擴徑耐熱鋁合金絞線，該種導線性能良好［3］，得到較廣泛的應用。在本工程中軟母線為4分裂形式，導線直徑、質量較大，安裝應力也較大，需要選用較大規(guī)格的受力工器具。

(4)架構間距離較遠，0號與1號架構間軟母線跨距為113.25m，1號與2號架構間軟母線跨距為97.25m，這在以往工程中是較少出現(xiàn)的。

2 軟母線安裝技術方案的論證與選擇

對于1號與2號架構之間軟母線安裝，雖然具有導線質量大、跨線距離遠等特點，但其施工作業(yè)過程與以往變電安裝工程的軟母線安裝并沒有本質的區(qū)別，只要按照施工工藝示范手冊要求［4］，選擇較大規(guī)格的鋼絲繩，較大噸位的牽引機械就可以完成施工作業(yè)，在此不作討論。而0號與1號架構之間的軟母線安裝，則具有第1節(jié)中描述的施工技術特點，在此進行探討。

2.1 軟母線架設前準備工作

2.1.1 對跨越物的保護

在0號與1號架構之間的軟母線安裝前，要對所跨越物進行有效的保護。該跨越段內，主要跨越物有1000kV高抗及配電裝置(在施工期間處于停電狀態(tài))、鄉(xiāng)村公路、10kV配電線路。

(1)1000kV高抗及配電裝置的保護。若軟母線安裝施工時采用搭設全封閉式架體的施工方案，可以使高抗及配電裝置設備處于完全保護之中，最大限度地保護設備安全。但是，這個方案卻帶來一個很大的問題，就是在搭設、拆除封閉架體的過程中，由于組成架體的架桿、扣件很多，需要較多人員進行較大量的組裝和拆卸工作，在此過程中可能會碰撞、磕碰已運行設備，也有空中墜物砸壞設備的可能，帶來巨大損失［5］。為減少作業(yè)風險，現(xiàn)場采取了施工作業(yè)量較少、對設備損壞可能性小的保護施工方案。

對于高抗設備，利用兩側防火墻，采用簡易桁架搭設防護架體，將各個桁架可靠連接后，在其上方用帆布進行保護，如圖2所示。這種架體的搭設過程較為簡單，通過吊車將簡易桁架單根分別吊裝于防火墻上，然后用鋼管將其固定，形成保護骨架，再在高抗上方需保護的位置將帆布鋪設于搭好的架體上，帆布鋪設時利用吊車進行吊裝作業(yè)，減少人工高空作業(yè)量。這種方法施工作業(yè)量較少，且能夠在高抗上方形成有效的防護。

圖2 高抗設備防護Fig.2 High-voltage reactor protection

電壓互感器、避雷器、支柱絕緣子等1000kV配電裝置均為柱狀結構，采取包裹防護措施。軟母線安裝施工前，先將管母線與均壓(屏蔽)環(huán)均拆除并妥善保存，然后采用棉被、海綿包裹，在設備頂端再加厚包裹，最外層再裹1層塑料布以防水，這種防護措施操作簡單，但可以對設備進行有效防護。

(2)鄉(xiāng)村公路與10kV配電線路的防護。對于鄉(xiāng)村公路與10kV配電線路，搭設跨越架進行保護。10kV配電線路上方使用木桿或竹桿搭設跨越架，封頂時10kV配電線路要停電。鄉(xiāng)村公路上方使用木桿、竹桿或鋼管搭設跨越架，路面上方使用尼龍網(wǎng)封頂，封頂時要加強路面車輛的安全監(jiān)護?？缭郊荏w的搭設要符合有關安全工作規(guī)程［6-7］。

2.1.2 導線下料

導線下料時，先根據(jù)經(jīng)驗公式［8］計算出下線長度，再根據(jù)計算程序進行驗證并進行模擬，然后方可正式下料。下料采用經(jīng)計量檢測合格的鋼卷尺進行準確測量，在斷線處兩側將導線綁扎牢固，然后利用切割設備進行切割下料。

2.1.3 導線壓接

本工程導線的壓接采用液壓方式并按照有關導線壓接規(guī)程進行壓接［9］。壓接前，線夾內部、導線插入部分及芯棒必須用酒精或丙酮清除氧化物，待干燥后在壓接接觸部位涂適量的電力復合脂，然后進行壓接。每模壓接重合長度應大于模具長度的1/3;壓后形成六邊形，并且六邊形的任一對邊應不大于0.866D+0.2 mm(D為線夾外徑)，否則必須更換模具;壓接彎曲變形不大于線夾全長的2%。

2.2 單導線架設方案

擴徑導線質量較大，掛線張力大，如果采取分裂單導線分別架設、掛線的施工方法，則可以有效降低掛線張力，提高施工安全系數(shù)。單導線架設方案施工方法及步驟如下:

(1)導線下料與壓接。

(2)軟母線兩端絕緣子串的懸掛。絕緣子為平行雙串式，采用300 kN級瓷質絕緣子。吊裝前，將絕緣子串在地面組裝好，注意螺栓穿向等工藝要求。吊裝時，利用卷揚機、鋼絲繩、滑車、U形環(huán)將其吊裝于掛點上。掛好后，均壓環(huán)可安裝就位。在不影響掛線的情況下，屏蔽環(huán)可以安裝好;如果對掛線有影響，可以掛完線后再安裝屏蔽環(huán)。操作過程中，注意對均壓環(huán)與屏蔽環(huán)進行保護。

(3)導線展放。采取2臺卷揚機一牽一張的張力展放方式進行導線展放，牽、張機械均為5 t卷揚機，采用φ21.5 mm鋼絲繩作為牽引繩。在2號、0號架構下方分別設置1臺5 t卷揚機，其上的鋼絲繩通過懸掛于架構上的滑車后引至地面。將前后端已壓接好的單根軟母線布置于1號與2號架構間。2號架構處卷揚機上的鋼絲繩連接于導線尾端，占用壓接管鋼錨的掛線孔。采取人工方式在0號與1號架構間展放1根絕緣高強度φ20 mm尼龍繩，利用此繩牽引展放鋼絲繩，在高抗等設備上方利用高空作業(yè)車輔助通過。利用特制夾具將牽引繩連接于軟母線的牽引端，然后開始展放，0號架構下方5 t卷揚機為牽引設備，2號架構下方5 t卷揚機為張力設備。在展放過程中，要注意2臺卷揚機互相配合，軟母線保持對下跨越架體與設備不小于5m的安全距離。牽引力不得大于導線允許最大張力［4］。導線展放布置如圖3所示。

圖3 單根軟母線展放Fig.3 Single-wire stringing

當導線牽引到0號架構處停止牽引，高空作業(yè)人員乘高空作業(yè)車將1條φ30 mm普通棕繩拴于導線牽引端的合適位置處，地面作業(yè)人員牽拉這條繩索，同時開啟牽引用卷揚機作適當調整。當導線端部鋼錨掛孔與懸掛在架構上的絕緣子串的掛線金具靠近時，由高空作業(yè)人員乘高空作業(yè)車將二者相連。

(4)導線收緊與掛線。當導線在0號架構掛好后，啟動其尾端的卷揚機將導線收緊，接近設計弧垂時停止。高空作業(yè)人員乘高空作業(yè)車在導線尾端設置如圖4所示的緊線與掛線系統(tǒng)。該系統(tǒng)由5 t卷揚機、φ21.5 mm鋼絲繩、特制卡線裝置、5 t滑車、5 t U形環(huán)等組成。收緊該掛線系統(tǒng)，當絕緣子串上掛線金具與導線尾端壓接管鋼錨接近時，高空作業(yè)人員乘高空作業(yè)車將二者相連。

這樣，完成1根導線的展放與掛線。

圖4 緊線與掛線系統(tǒng)Fig.4 System for wire tightening up and hanging up

(5)其他導線的展放與掛線。其他導線的操作方法與第1根類似，只是導線的牽引端、尾端與絕緣子串連接時，絕緣子串已處于水平張力狀態(tài)。牽引端掛線時，只要牽引到合適位置，然后可以在第1根導線與絕緣子串的連接處設置起吊裝置(滑車與繩索)，地面作業(yè)人員稍稍牽引，由高空作業(yè)人員完成連接。而尾端連接由于掛線張力較大，還需與第1根分裂子線類似設置緊線與掛線系統(tǒng)。

通過上述步驟，逐步完成各相各根導線的展放與掛線。

2.3 四根導線同時架設方案

四根導線同時架設方案是將四分裂導線與絕緣子串全部連接好，然后采用帶尾張力展放方式、一次展放的施工方法，具體施工方法及步驟如下。

(1)軟母線制作與連接。導線下料與壓接后，在地面組裝絕緣子串，將導線與絕緣子串連接好。為防止在施工過程中絕緣子與導線受到損壞，對絕緣子串采取棉被包裹防護措施;同時也暫不拆除對導線起保護作用的紙質包裝條，在掛線完畢再拆除導線紙質包裝條。

(2)牽引、張力系統(tǒng)布置。在0號架構下方、串補區(qū)2號架構下方各布置1臺10 t卷揚機，串補區(qū)1號架構下方布置1臺15 t卷揚機，將連接好絕緣子串的軟母線放置于1號與2號架構之間。2號架構下方的10 t卷揚機的鋼絲繩通過橫梁上方滑車返至地面，與軟母線尾端絕緣子串的金具可靠連接。1號架構下方的15 t卷揚機的鋼絲繩通過橫梁上方的滑車連接到尾端絕緣子串。其中，10 t卷揚機鋼絲繩需與絕緣子串最前端金具連接，15 t卷揚機鋼絲繩經(jīng)特制專用掛線聯(lián)板與金具連接，如圖5所示。特制掛線聯(lián)板可以防止絕緣子串前后錯位而發(fā)生絕緣子相碰。

圖5 特制掛線聯(lián)板Fig.5 Special plate for wire hanging up

提前在0號與1號架構之間展放1根絕緣高強度φ20 mm尼龍繩作為過渡繩。0號架構下方10 t卷揚機鋼絲繩通過橫梁上方滑車返至地面后與尼龍繩相連，然后在1號架構處人工牽引將鋼絲繩從0號架構牽引到1號架構。為避免鋼絲繩接觸、損壞已投運設備，布置1臺高空作業(yè)車，高空作業(yè)人員對鋼絲繩進行輔助控制，使鋼絲繩安全通過。

鋼絲繩到達1號架構處時，通過特制專用掛線聯(lián)板與絕緣子串上的金具可靠連接。至此，牽引、張力系統(tǒng)全部布置好，如圖6所示。

圖6 四導線展放現(xiàn)場布置Fig.6 Site layout of four-wire stringing

(3)軟母線張力架設。緩緩收緊0號架構下方10 t卷揚機，安排專人對運行設備、10kV配電線路跨越架等處進行監(jiān)護，防止鋼絲繩與設備相碰。繼續(xù)收緊0號架構下方10 t卷揚機，使軟母線牽引端絕緣子串逐漸離開地面。2號架構下方10 t卷揚機也收緊，使軟母線高度達到與下方設施相距5m時停止，如圖7所示。

圖7 軟母線升空示意圖Fig.7 Schematic diagram of flexible busbar hanging up

0號架構處10 t卷揚機收緊，同時2號架構處10 t卷揚機帶張力送繩，使軟母線整體向0號架構展放，2臺卷揚機配合調整使軟母線高度基本保持穩(wěn)定，不發(fā)生上下起伏過大情況，防止牽引力過大。

軟母線依次跨過10kV線路、站內高抗設備，至距離0號架構橫梁掛點10m左右時，單側收緊0號架構下方卷揚機，使該端絕緣子串升高。同時2號架構下方卷揚機配合調整，完成首端絕緣子串與0號架構橫梁掛點的連接。然后由高空作業(yè)車配合將鋼絲繩送至地面。此時軟母線狀態(tài)如圖8所示。

圖8 軟母線一側掛線示意圖Fig.8 Schematic diagram of flexible busbar hanging up on one side

逐漸收緊1號架構下方15 t卷揚機，并松放2號架構下方的10 t卷揚機，使其鋼絲繩慢慢不受力。繼續(xù)收緊15 t卷揚機，完成1號架構處的掛線，然后由高空人員拆除2套卷揚機的鋼絲繩。

至此，完成1相軟母線的展放與掛線。其他2相的操作與此相同。

(4)安全補充措施。在軟母線展放過程中，張力較小，而絕緣子串的質量較大，單側質量為1 950 kg，單位長度質量約為150 kg/m，遠遠超過導線單位長度質量(18.28 kg/m)。在這種情況下，可能會出現(xiàn)絕緣子串下垂、距離設備較近甚至觸碰的可能，所以在絕緣子串到達設備上方時，采用了吊車輔助起吊、配合施工的安全防護措施。

根據(jù)現(xiàn)場施工環(huán)境及吊車技術參數(shù)，在現(xiàn)場布置2臺大噸位吊車，1臺160 t吊車位于高抗設備附近，保護范圍為高抗區(qū)域，另1臺160 t吊車位于電壓互感器、避雷器、支柱絕緣子等配電區(qū)域，保護這些設備。

在軟母線展放過程中，當絕緣子到達第1臺160 t吊車吊臂伸縮范圍后，將吊帶安裝于絕緣子串上金具的合適位置處，配合卷揚機的牽引而緩緩移動。當?shù)竭_柱式配電裝置區(qū)域后，暫停牽引，由第2臺160 t吊車吊住絕緣子串，第1臺吊車不再受力，摘鉤后繼續(xù)牽引，此時起到保護作用的是第2臺吊車。

這樣，直到絕緣子串到達0號架構橫梁掛點并掛線后，吊車完成保護任務。

在此過程中，操作要緩慢，并要注意吊車與卷揚機的配合，防止吊車受水平拉力。

2.4 方案比較與選擇

對上述2種方案進行了可行性、可靠性、經(jīng)濟性等方面的比較，具體比較結果如下。

(1)實用可行方面。單導線架設方案存在以下問題:1)擴徑導線在下線、壓接完成后，需要與牽引的鋼絲繩相連，如果占用鋼錨的掛孔影響掛線，需要特制一種能夠卡線且動態(tài)牽引的工器具，原設想加工一種類似光纖復合架空地線(optical fiber composite overhead ground wire，OPGW)卡線器的工器具，但需要完成設計、加工樣品、試驗、鑒定等工作，實現(xiàn)難度較大;2)在牽引端完成與絕緣子串的連接后，在尾端需要設置緊線掛線裝置完成掛線，也需要使用特制的卡線裝置，并且，變電安裝專業(yè)的人員缺乏這種作業(yè)方式的施工經(jīng)驗。另外，在完成第1根子導線掛線后，在掛第2、3、4根子導線時，存在掛線裝置與已掛子導線相磨的可能性。

四導線同時架設方案總體可行，但是存在以下問題:1)需要加工專用掛線聯(lián)板，但聯(lián)板加工的理論計算與實際操作均較為簡單，只要根據(jù)最大受力狀況計算板材厚度及連接螺栓尺寸即可;2)操作過程中，4根導線和絕緣子串同時在高空展放，牽引設備受力大，操作難度也較大;3)雙串絕緣子串在高空展放過程中，要采取可靠的防護措施，防止絕緣子受到損壞。

(2)安全可靠方面。單導線架設方案在架設及掛線過程中，由于是單導線操作，受力較小。單導線操作對于下方設備的威脅較小。采取四導線同時架設方案時，四導線連同兩端絕緣子串同時架設，受力較大，對下方設備的威脅也較大。在采取了吊車輔助保護的安全措施后，風險有所減小。

(3)經(jīng)濟合理方面。單導線架設方案使用卷揚機3臺、高空作業(yè)車2臺及其他配套小型工器具，使用機具較少;操作步驟較多，耗時較長;投入施工人員約30人;需要研制專用大截面卡線器，費用很高。四導線同時架設方案使用較大噸位卷揚機3臺、高空作業(yè)車1臺、吊車2臺，使用機具較多;操作步驟較少，耗時較短;投入施工人員約30人;僅需加工專用掛線聯(lián)板，費用低。

(4)技術創(chuàng)新方面。單導線架設方案需要研制大截面卡線器，技術要求較高;技術方案本身較以往施工方案區(qū)別較大，需要制定新的技術方案。四導線同時架設方案需要加工專用掛線聯(lián)板，技術要求低。

經(jīng)對2種方案各項目進行綜合對比，從利于實現(xiàn)的角度，現(xiàn)場選擇了四根導線同時架設方案。

3 主要受力器具的驗算

現(xiàn)對四導線同時架設方案中主要機械與工具進行受力驗算。

3.1 卷揚機、鋼絲繩校驗

根據(jù)設計有關資料，在風力較小的情況下，安裝過程中導線的弧垂達到設計弧垂6.6m時，4根導線最大水平張力之和為68.120 kN。

采取簡化分析方法，導線受力如圖9所示，圖中H為水平張力，G1為一半導線與一側絕緣子串的重量之和，F(xiàn)為掛線時牽引力。

圖9 軟母線受力示意圖Fig.9 Force diagram of flexible busbar

這樣，根據(jù)圖9可以計算出在掛線時主受力鋼絲繩的牽引力。在實際計算中，得出牽引力約為74 kN。

根據(jù)電力安全工作規(guī)程［10］，取鋼絲繩安全系數(shù)為6，則鋼絲繩破壞拉力不應小于444 kN，而15 t卷揚機所配鋼絲繩規(guī)格為 φ36 mm(6×37纖維芯，1 570 MPa)，其破斷拉力為 671 kN［11］，滿足要求。

同樣，15 t卷揚機也滿足要求。

3.2 吊車校驗

在絕緣子串經(jīng)過高抗設備上方時，吊車作為補充安全措施時，吊車將受到單絕緣子串與部分導線(可按該檔內導線長度的1/2估算)的重力。

單側絕緣子串質量為1 950 kg，四分裂導線質量為1 590 kg，由此架空軟母線總質量為5 490 kg。吊車在起吊導線和絕緣子串通過高抗設備區(qū)時，其吊重(垂直方向受力)為架空軟母線的1/2稍多，但為了安全起見，按軟母線全重校驗，即2臺吊車起吊質量均需超過5 490 kg。

160 t吊車在施工過程中，回轉半徑為30m，查閱吊車性能參數(shù)表，吊車需出臂50m時吊裝質量為11 t，吊車滿足要求。

4 結語

經(jīng)過較為充分的技術論證后，選用了四導線同時架設方案，來完成在特殊條件下的軟母線安裝作業(yè)。在執(zhí)行過程中，先進行了試掛，然后正式安裝，施工全過程安全、順利。該施工方案盡量采用了變電安裝專業(yè)較為熟悉的施工機具與施工方式，同時又考慮了在特殊環(huán)境下的作業(yè)條件，而進行了技術改進，解決了施工難題。該方案對于類似條件下的軟母線安裝施工具有借鑒意義。

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