特高壓變電站軟母線弧垂測量方法

陳 凱，羅兆楠，江海濤

（國家電網(wǎng)公司交流建設分公司，北京 100052）

0 引言

與架空輸電線路的相關定義相同，特高壓變電站軟母線任意一點弧垂是指軟母線上的點在鉛錘方向上到軟母線兩端絕緣子串掛點連線的距離，弧垂也可稱作導線弛度［1-2］。

弧垂是導線設計和運行維護的重要指標之一。一方面，由于弧垂是軟母線拉應力的直觀體現(xiàn)，若弧垂過小，導線的拉應力就大，造成振動現(xiàn)象加劇，降低了導線安全系數(shù)，嚴重時還可能發(fā)生斷線事故；同時導線拉應力過大也導致構架荷載增大，增加投資和施工難度。另一方面，若導線弧垂過大拉應力不足，導線容易產(chǎn)生風擺、舞動和跳躍等安全隱患，為了滿足對地及交叉跨越物安全距離，需要增加構架高度，使投資再度提高。

特高壓變電站軟母線連接常以孤立檔型式出現(xiàn)。通常所說軟母線弧垂值指的是該檔連線的最大弧垂值。設計院在給出施工圖紙時，會對每一檔軟母線連接給定溫度弧垂表，用以給定在施工時特定環(huán)境溫度下，軟母線需要達到的弧垂值。

在特高壓變電站建設中，構架間的軟母線連接數(shù)量眾多，為滿足軟母線機械強度及電氣安全距離的要求，應在軟母線掛線完畢后對其弧垂進行復測。GB 50149—2010《母線裝置施工及驗收規(guī)范》相關章節(jié)規(guī)定：母線弛度應符合設計要求，其允許誤差為-2.5%～+5%；擴徑導線彎曲度不小于導線直徑的30倍。同時，弧垂值還需要滿足軟母線安全距離的相關要求［3-4］。選擇一種簡單、可靠的弧垂復測方法具有重要意義。

1 常見弧垂測量方法

1.1 直接測量法

根據(jù)導線弧垂的定義，直接測量法直接量取軟母線上的點到掛點連線的鉛錘距離。每隔一定距離取值，采用分段方式測得一組弧垂值，取其中最大值即為該檔線最大弧垂。

首先，使用一根細鋼絲由構架間軟母線兩端掛線點依次穿過，作為直接測量的掛點連線基準?；鶞输摻z兩端施加張緊拉力，盡可能減小基準鋼絲本身弧垂。由于基準鋼絲本身重量較輕，自然弧垂較小，兩端施加張緊力后，可以將其視作掛點連線。

如圖1所示，負責測量的工人攜帶鋼尺及鉛錘乘入起重機頂筐。地面人員經(jīng)過直觀觀察，確定最大弧垂所在位置區(qū)間。起重機將測量工人送至該范圍測量基準線高度。測量工人使用鋼尺和鉛錘配合，測量軟母線與基準線的豎直距離，獲得一組弧垂值f1并記錄。再控制頂筐位置，測量工人沿基準線向遠端掛點移動 0.2 m，測得弧垂 f2。若 f2＜f1，則接下來的移動方向反向。以上述方法操作依次得到f3，f4，…，fn，…直至得到 fn+1＞fn+2＞fn+3為止，得到一組 fi。fi的趨勢應為小→大→小，其中的最大值fmax即為該檔線最大弧垂值。

圖1 直接測量法

軟母線弧垂使用直接測量法時，測量方式簡單易行、結果直觀，在一定程度上保證精度，對施工人員技術素質要求不高。但是，直接測量法測量過程耗時較長，且需要在高空中進行，增加了施工的危險性。同時，在施工現(xiàn)場風力較大時，鋼尺測距不易操作，影響施工效率和精度。

直接測量法對于軟母線掛點是否存在高差沒有限制，適用于構架間距相對較小的掛線檔，如GIS—主變壓器構架、聯(lián)合構架連線。

1.2 中間點法

對于變電站中掛點無高差的軟母線弧垂測量，中間點法是一種簡便、精確的測量方法。其測量原理如圖2所示。構架間連線掛點在同一標高位置，連線程空間對稱，掛點連線中間點即為該檔線最大弧垂所在位置。

在實際測量時，需要測量該檔軟母線兩個掛點的高度h1，h2和掛點連線中點導線的高度hf，測量工具采用水準儀和激光測距儀配合，測量全程在地面完成。該檔軟母線的最大弧垂計算式為

圖2 中間點法

首先在線檔側面選定一點架設水準儀設定水準面。將尺桿豎直立于掛點A之下，在水準儀讀數(shù)位置，使用激光測距儀測量A點距水準面距離h1。同理，測得掛點B高度h2。

再取導線掛點連線中點C，將尺桿立于跨線正下方，旋轉水準儀確定水準平面，使用激光測距儀測量此時導線距離水準平面距離hf。

最后，根據(jù)測得數(shù)據(jù)帶入式（1）中，計算得出該檔線最大弧垂fmax。

中間點法主要針對掛點無高差的構架間連線弧垂測量，操作簡便，測量工作效率高，具有良好的適用性和準確性。中間點法對檔距大小無要求，比較適合主變壓器構架—過渡構架、過渡構架—聯(lián)合構架的軟母線弧垂測量。

中間點法局限性在于測量弧垂時需要2名工人分別操作水準儀和測距儀合作完成，且僅針對掛點無高差的線檔測量。

1.3 等長觀測法

等長觀測法也稱作平行四邊形法，其實質使用了三點一線的原理。

如圖3所示，構架間連線掛點A，B正下方分別設置標尺，在A點下方標尺某一位置定為觀測起始點，B點下方標尺同樣距離位置設為觀測目標點。掛點A，B及掛點正下方的兩個等距點A1，B1構成一個平行四邊形。當觀測視線A1B1與軟母線相切時，該檔線的弧垂值即為此時AA1距離。切點C即為軟母線最大弧垂所處位置。

等長觀測法測量弧垂操作過程簡便，對于掛點有無高差的測量無限制。但要求觀測過程中，視線清晰不受遮擋，只能在光照條件好時執(zhí)行。同時，為保證視線與軟母線相切觀測點位置需要反復觀測確定，觀測效率較低。

圖3 等長法

1.4 異長法

異長觀測法實質為等長法的一般情況，常用于由于地面設備限制、視線遮擋不能采用等長法的工況下。

異長法的計算理論將構架間軟母線近似于斜拋物線模型，異長法同樣需要在掛點A，B正下方設置標尺，觀測起始點設置于A1處，觀測目標點設置于B1，其中 AA1距離為 a，BB1距離為 b。如圖4所示，視線與導線相切于C，可由觀測得到的a和b的值通過式（2）計算得出切點C處弧垂值。

圖4 異長法

又有拋物線模型孤立檔最大弧垂值與任意一點弧垂值的換算公式［2］：

式中：l為掛點水平投影距離；xc為點A與C的水平距離；g為重力加速度。

由式（3）可知，使用異長法測量弧垂時由式（2）所計算的結果總是存在一定誤差。由式（3）得出當xc=時，f可以精確代替f，得出a=b，即此時為等cmax長測量法的測量原理。

實際上，a或 b取值在 （0.1 fmax～2.9 fmax） 區(qū)間內時，測量誤差已經(jīng)可以忽略，式（2）計算所得值fc已經(jīng)可作為fmax使用。在使用異長法測量軟母線弧垂時，應當依據(jù)此范圍確定觀測點A1的位置［3］。

1.5 角度法

如圖5所示，角度法通過經(jīng)緯儀地面觀測的方式得出軟母線最大弧垂。

圖5 角度法

首先，將經(jīng)緯儀架設在掛點延長線正下方作為觀測基準點，在地面測量觀測點與掛點A距離l1，檔距水平距離l2。

其次，用經(jīng)緯儀分別測出掛點A垂直角α1，掛點B垂直角α2及導線弧垂最低點的垂直角α3，可得

最后，將a與b值代入異長法弧垂計算公式，可得角度法弧垂測量的計算公式為

特高壓變電站構架間距基本為20～70 m，而軟母線掛點高度在30 m以上，軟母線設計弧垂大多為5～8 m。如圖5所示，若設計弧垂f為6 m，l2為50 m，a取1.5 fmax，掛點高度30 m且無高差，可計算得出l1為100 m。施工過程中觀測點經(jīng)緯儀架設常常不能滿足此條件。因此，變電站的場地大小是制約角度法使用的最大因素。

1.6 測量方法對比

根據(jù)上述分析，幾種軟母線弧垂測量方法對比如表1所示。

表1 弧垂測量方法對比

2 工程實踐

錫盟—勝利特高壓工程勝利變電站過渡構架—聯(lián)合構架軟母線關鍵參數(shù)如表2所示。

表2 軟母線關鍵參數(shù)

通過使用特高壓變電站軟母線下料長度計算軟件，將參數(shù)輸入軟件界面，其計算軟母線下料長度為60.14 m。

該檔線為掛點無高差的情況，在軟母線吊裝后，考慮施工現(xiàn)場條件，分別使用了直接測量法、中間點法和等長法進行了弧垂復測。復測結果對比如表3所示。

表3 測量結果對比 m

在實測過程中，使用等長法時調整觀測視線與導線相切讀數(shù)耗費了大量時間；直接測量法需多名工人高空作業(yè)。證明了對于掛點無高差的軟母線連接，使用中間點法測量弧垂的可行性與便利性。

3 結語

針對特高壓變電站的軟母線弧垂復測問題，提出了多種弧垂測量的方法，并且在勝利特高壓變電站軟母線安裝施工過程中進行工程實踐。實踐證明，對于特高壓變電站不同構架間的情況，應分別采取適合的測量方法進行實施，這樣不但保證測量準確性，還極大地提高了施工效率，對以后變電站軟母線的施工具有一定借鑒意義。