常規(guī)路徑公里級(jí)35 kV高溫超導(dǎo)電纜的牽放施工

徐 坤 于天剛 蔡俊杰 殷 赟

上海送變電工程有限公司 上海 200235

國(guó)內(nèi)首條長(zhǎng)30 m的35 kV室溫超導(dǎo)電纜2004年在云南投運(yùn)，同年長(zhǎng)75 m的10 kV室溫超導(dǎo)電纜在甘肅白銀投運(yùn)，首條長(zhǎng)50 m的35 kV高溫超導(dǎo)電纜示范線路2013年在上海投運(yùn)……。至今國(guó)內(nèi)現(xiàn)有超導(dǎo)電纜共同的特點(diǎn)均是百米級(jí)的短距離輸電，路徑均采用專用地面橋架方式，敷設(shè)均是以鋪放為主，在長(zhǎng)距離高溫超導(dǎo)電纜敷設(shè)方面沒(méi)有過(guò)多的借鑒經(jīng)驗(yàn)[1-3]。本次上海35 kV超導(dǎo)電纜試驗(yàn)示范工程是世界范圍內(nèi)首次采用常規(guī)路徑，以排管工井方式敷設(shè)的公里級(jí)超導(dǎo)電纜項(xiàng)目，有更加廣闊的應(yīng)用前景和意義。因是常規(guī)路徑敷設(shè)超導(dǎo)電纜，需要牽引施工，但目前沒(méi)有超導(dǎo)電纜牽引施工的相關(guān)參數(shù)及經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)，排管管材、工井空間設(shè)計(jì)對(duì)高溫超導(dǎo)電纜的影響，施工拉力、側(cè)壓力、轉(zhuǎn)向等施工因素對(duì)超導(dǎo)電纜形變的影響，電纜真空頭保護(hù)管通過(guò)轉(zhuǎn)向滑車的狀態(tài)影響等，目前均屬于理論階段，均需要在真纜施工前進(jìn)行研究和驗(yàn)證。

1 擬訂的施工方案

本次35 kV超導(dǎo)電纜試驗(yàn)示范工程使用的高溫超導(dǎo)電纜，外徑約200 mm，質(zhì)量約40 kg/m，設(shè)計(jì)許用拉力≤27 kN，彎曲半徑為≥4 m，允許側(cè)壓力≤3 kN/m，每只導(dǎo)輪上的側(cè)壓力≤2 kN/m。

超導(dǎo)電纜線盤超常規(guī)，直徑達(dá)4.2 m，寬度達(dá)2.8 m，線盤自重達(dá)3.5 t，滿盤質(zhì)量近20 t。實(shí)際路徑位置位于繁華地區(qū)，由三段超導(dǎo)電纜組成，路徑總長(zhǎng)約1.1 km，且工況復(fù)雜，包括排管、電纜溝、管線橋和頂管，有多個(gè)大轉(zhuǎn)角，施工中需要同時(shí)解決多處水平和垂直方向的變化影響、工井內(nèi)伸縮弧布置以及排管內(nèi)測(cè)溫光纜同步敷設(shè)等新情況而采取對(duì)應(yīng)的新工藝和方法。

常規(guī)路徑以排管工井方式敷設(shè)電纜的特點(diǎn)是需要牽引和轉(zhuǎn)向，根據(jù)大口徑電纜敷設(shè)施工的經(jīng)驗(yàn)，擬訂了牽引＋輸送機(jī)和電動(dòng)滾輪輔助輸送＋線盤推送的敷設(shè)工藝，即“牽輸送”工藝，為保障各設(shè)備線速度同步而避免局部過(guò)度拉伸，提前研制加工了力顯液壓牽引機(jī)（圖1）、帶動(dòng)力可變頻調(diào)速的大直徑線盤架（圖2）、帶壓力傳感器的轉(zhuǎn)向滑車、帶拉力測(cè)量的牽引頭裝置，并特制了一定數(shù)量的輸送機(jī)、電動(dòng)滾輪、托輪等相關(guān)裝備及工器具。

圖1 液壓絞磨牽引機(jī)

圖2 動(dòng)力線盤架

2 需要驗(yàn)證的內(nèi)容

超導(dǎo)電纜牽放施工方法需要驗(yàn)證以下內(nèi)容：

1）研究超導(dǎo)電纜牽放施工的裝備和工器具，并驗(yàn)證其性能和參數(shù)是否滿足要求。

2）研究超導(dǎo)電纜牽放施工工藝的可行性，包括“牽輸送”施工不同步、管材的摩擦、轉(zhuǎn)向滑車的布置等對(duì)超導(dǎo)電纜產(chǎn)生的影響，以及大直徑超導(dǎo)電纜與測(cè)溫光纜同步展放、蛇形伸縮弧布設(shè)的方法。

3）研究超導(dǎo)電纜牽引施工時(shí)，牽引頭受力、過(guò)轉(zhuǎn)向滑車的狀態(tài)，以及對(duì)超導(dǎo)電纜變形、真空度、電纜纜芯及整體受力前后伸縮變化的影響。

4）研究工井?dāng)?shù)量、轉(zhuǎn)彎角度、高差、伸縮弧設(shè)置、大口徑排管管材對(duì)超導(dǎo)電纜的影響。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證的方法

由于超導(dǎo)電纜造價(jià)高昂，真纜敷設(shè)前，在電力公司的支持下，斥資建設(shè)了真型試驗(yàn)場(chǎng)地，采用樣纜模擬工程最復(fù)雜工況進(jìn)行試驗(yàn)，以得到相關(guān)規(guī)律及施工參數(shù)，保障真纜敷設(shè)一次成功。試驗(yàn)路徑包括敞開(kāi)式電纜溝、橋面電纜溝、排管、2個(gè)轉(zhuǎn)角工井、3個(gè)直線工井等，總長(zhǎng)293 m，平面、斷面布置如圖3、圖4所示。

按照實(shí)驗(yàn)方法分別測(cè)定鈷產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程CoCl2凈化液(樣品3，實(shí)驗(yàn)時(shí)稀釋了5倍)和Co(NO3)2凈化液(樣品4，實(shí)驗(yàn)時(shí)稀釋了100倍)兩個(gè)體系中Cu、Fe、Ni、Cd、Zn、Mn、Ca、Mg、Na、Si、As、S，進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表11。

圖3 試驗(yàn)場(chǎng)地平面布置示意

圖4 試驗(yàn)場(chǎng)地?cái)嗝娌贾檬疽?/p>

其中，A1、A2、A3為直線工井，B1、B2為轉(zhuǎn)角工井，C1、C2、C3為敞開(kāi)式電纜溝，D1為橋面電纜溝，A1—B2間剩余為排管。試驗(yàn)場(chǎng)相關(guān)位置布置了輸送機(jī)8臺(tái)、托輪32只、電動(dòng)滾輪15個(gè)，轉(zhuǎn)角工井內(nèi)轉(zhuǎn)向滑車各9個(gè)。設(shè)置了A1、B1、B2、C3共4個(gè)測(cè)量位置，在電纜牽引頭經(jīng)過(guò)沿線13個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)時(shí)同時(shí)記錄相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。試驗(yàn)配備了檢測(cè)記錄裝備，包括照相機(jī)、攝像機(jī)、記號(hào)筆、卡尺、砝碼、拉力計(jì)等。

4 施工裝備驗(yàn)證

本次對(duì)所有機(jī)械裝備均進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。其中，對(duì)牽引機(jī)采用張力計(jì)＋鋼絲繩＋地錨＋牽引機(jī)多次試驗(yàn)分析出力示數(shù)的偏差并制訂了修正方法；對(duì)線盤架進(jìn)行了制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)牽引力等試驗(yàn)并及時(shí)對(duì)不足之處進(jìn)行了改進(jìn)；對(duì)本次研制的帶測(cè)力傳感器的轉(zhuǎn)向滑車進(jìn)行測(cè)試后對(duì)結(jié)構(gòu)和示數(shù)方式進(jìn)行了較大改進(jìn)；對(duì)托輪，輸送機(jī)、電動(dòng)滾輪，帶測(cè)力裝置的牽引頭等進(jìn)行了性能測(cè)試、參數(shù)校驗(yàn)和優(yōu)化，以滿足牽放施工工藝的要求。

其中，牽引機(jī)、線盤架、轉(zhuǎn)向滑車仍有升級(jí)優(yōu)化的空間，但不會(huì)影響本次真纜敷設(shè)的需要。

5 施工方法驗(yàn)證

5.1 牽放施工的同步性及不同步產(chǎn)生的影響

試驗(yàn)時(shí)，電動(dòng)滾輪和輸送機(jī)采用同步控制，電動(dòng)調(diào)頻線盤預(yù)置好對(duì)應(yīng)的頻率后獨(dú)立控制，從靜止加速至6 m/min均瞬時(shí)完成，牽引機(jī)為柴油機(jī)動(dòng)力，從靜止到掛擋加速至6 m/min耗時(shí)需要幾秒，因此為保障“牽輸送”同步，牽引時(shí)需要先開(kāi)牽引機(jī)再同時(shí)開(kāi)輸送機(jī)和線盤，停止時(shí)先停輸送機(jī)和線盤再停牽引機(jī)。

“牽輸送”不同步可能對(duì)電纜產(chǎn)生不良影響，為此，我們進(jìn)行了多種試驗(yàn)，其中采用2臺(tái)輸送機(jī)夾緊樣纜，一臺(tái)不動(dòng)，另一臺(tái)輸送機(jī)按照夾緊力70 N·m輸送，多次長(zhǎng)時(shí)間觀察電纜打滑的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)有輸送機(jī)橡膠粒子磨損脫落，電纜外皮經(jīng)擦拭后沒(méi)有變化，表明輸送機(jī)施工過(guò)程中的打滑轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)電纜外皮沒(méi)有損傷，即“牽輸送”即使不同步對(duì)電纜外皮也沒(méi)有不良影響。

5.2 純牽引和輸送機(jī)輔助的差異

為分析驗(yàn)證純牽引和輸送機(jī)輔助的差異，對(duì)“牽引機(jī)＋動(dòng)力線盤＋輸送機(jī)＋電動(dòng)滾輪”的牽放系統(tǒng)進(jìn)行了多次樣纜牽引試驗(yàn)和分析如下：

1）牽引機(jī)＋動(dòng)力線盤釋放，全程輸送機(jī)和電動(dòng)滾輪輔助的模式：牽引頭拉力最大為0.7 kN，所有轉(zhuǎn)向滑車側(cè)壓力基本在2 kN以內(nèi)，電纜無(wú)可見(jiàn)的變形。

2）牽引機(jī)＋動(dòng)力線盤釋放，只有過(guò)轉(zhuǎn)角時(shí)采用輸送機(jī)和電動(dòng)滾輪輔助的模式：牽引頭拉力達(dá)到第2個(gè)轉(zhuǎn)角前最大為14 kN，第1個(gè)轉(zhuǎn)角處的9個(gè)轉(zhuǎn)向滑車側(cè)壓力多數(shù)在2 kN以下，個(gè)別轉(zhuǎn)向滑車受力瞬間達(dá)到2.8 kN，也有個(gè)別轉(zhuǎn)向滑車不受力，電纜無(wú)可見(jiàn)的變形。

3）全程僅采用牽引機(jī)＋動(dòng)力線盤釋放的模式：牽引頭拉力達(dá)到第2個(gè)轉(zhuǎn)角前最大仍為14 kN，第1個(gè)轉(zhuǎn)角處的9個(gè)轉(zhuǎn)向滑車側(cè)壓力多數(shù)仍在2 kN以下，個(gè)別轉(zhuǎn)向滑車受力瞬間達(dá)到3.8 kN，仍有個(gè)別轉(zhuǎn)向滑車不受力，電纜無(wú)可見(jiàn)的變形。

4）僅采用牽引到達(dá)終點(diǎn)，無(wú)輸送機(jī)和電動(dòng)滾輪輔助的情況下，牽引力最大為17 kN。

試驗(yàn)表明，在有2個(gè)90°大轉(zhuǎn)角的293 m試驗(yàn)段，僅采用牽引力＋動(dòng)力線盤釋放，牽引力遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)許用值的27 kN，超導(dǎo)電纜各項(xiàng)指標(biāo)沒(méi)有變化。但每只導(dǎo)輪上的側(cè)壓力分布不均勻，轉(zhuǎn)向滑車個(gè)別受力超過(guò)2 kN。增加輸送機(jī)輔助后，轉(zhuǎn)向滑車受力明顯減少，但仍有分布不均的現(xiàn)象，雖然經(jīng)觀察和測(cè)量電纜無(wú)可見(jiàn)的變形，側(cè)壓力過(guò)大時(shí)受力的一般是超導(dǎo)電纜牽引頭段，但需要對(duì)轉(zhuǎn)向滑車的影響進(jìn)行深入的分析和試驗(yàn)。

5.3 轉(zhuǎn)向滑車的布置及影響

90°轉(zhuǎn)角按照計(jì)算布置了9個(gè)轉(zhuǎn)向滑車，其轉(zhuǎn)彎半徑計(jì)算為4 m。經(jīng)仔細(xì)測(cè)繪，實(shí)際布置如圖5所示，經(jīng)檢查有偏差，如B2工井轉(zhuǎn)向滑車組實(shí)際半徑約為3.5 m，轉(zhuǎn)向角（包絡(luò)角）未達(dá)到90°。

圖5 B5工井轉(zhuǎn)向滑車組布置實(shí)測(cè)

按照每個(gè)轉(zhuǎn)向滑車壓力2 kN，9個(gè)轉(zhuǎn)向滑車均勻布置時(shí)合力如圖6所示，每2個(gè)滑車間對(duì)應(yīng)的圓心角為π/16，則在x、y方向的分力合力Fx＝Fy＝11.53 kN，F(xiàn)合＝15.77 kN，此時(shí)總牽引力F牽＝0.707F合＝11.14 kN，也是轉(zhuǎn)向滑車牽引側(cè)牽引力的控制值，與試驗(yàn)時(shí)牽引力達(dá)到14 kN時(shí)側(cè)壓力出現(xiàn)部分超2 kN的結(jié)論相符。

圖6 轉(zhuǎn)向滑車受力分析

另外，牽引鋼絲繩、電纜牽引頭保護(hù)管、電纜過(guò)轉(zhuǎn)向滑車時(shí)，各滑車受力是不均勻的，其中保護(hù)管過(guò)B2轉(zhuǎn)角工井時(shí)，9個(gè)轉(zhuǎn)向滑車受力占比分析如表1所示。

由表1可見(jiàn)2個(gè)明顯的規(guī)律：一是首個(gè)轉(zhuǎn)向滑車受力大，是入線角度不是切線方向而加大了其受力；二是保護(hù)管經(jīng)過(guò)的牽引方向的前一個(gè)滑車幾乎不受力，是保護(hù)管剛性大引起的。

表1 保護(hù)管過(guò)B2轉(zhuǎn)向滑車時(shí)各轉(zhuǎn)向滑車受力占比分析

試驗(yàn)分析表明，轉(zhuǎn)向滑車的其他規(guī)律如下：

1）各轉(zhuǎn)向滑車受力不均勻，除了布置不均勻外，保護(hù)管及電纜的剛性也是原因之一。

2）轉(zhuǎn)向滑車布置時(shí)應(yīng)準(zhǔn)確定位，保證各滑車的圓心角及在圓弧上均勻分布。

3）應(yīng)保證電纜切線進(jìn)出轉(zhuǎn)向滑車組。

4）牽引過(guò)程中可能因牽引速度減慢，輸送機(jī)超前等因素，造成轉(zhuǎn)向過(guò)程中電纜脫離轉(zhuǎn)向滑車，向外和向下竄動(dòng)，滑車不受力及摩擦腳手架的情況，需要采用上下限位防護(hù)措施。

由于上述原因會(huì)出現(xiàn)電纜經(jīng)過(guò)個(gè)別轉(zhuǎn)向滑車側(cè)壓力瞬時(shí)大于2 kN的情況，雖經(jīng)多次敷設(shè)和檢查沒(méi)有發(fā)現(xiàn)造成電纜外層變形的情況，但過(guò)大的側(cè)壓力會(huì)對(duì)電纜產(chǎn)生多大的影響需要研究。

5.4 側(cè)壓力與形變的影響

我們采用轉(zhuǎn)向滑車倒掛加砝碼的方法加載在電纜上，從200 kg起，逐步增加壓力，每次停留不小于1 min，卸載前后觀察測(cè)量電纜外層的變形情況，直至產(chǎn)生不可恢復(fù)的形變?yōu)橹?。試?yàn)布置如圖7所示，其中串接拉力計(jì)用于同時(shí)驗(yàn)證砝碼、轉(zhuǎn)向滑車讀數(shù)的準(zhǔn)確性。

圖7 電纜側(cè)壓力試驗(yàn)

從表2可以看出，轉(zhuǎn)向滑車在超導(dǎo)電纜上方垂直下壓力為2.50 kN時(shí)，電纜上表面與滑車接觸點(diǎn)有輕微變形，增加到3.50 kN和4.24 kN時(shí)，電纜表面壓點(diǎn)旁邊和壓點(diǎn)位置變形越來(lái)越嚴(yán)重，均不可恢復(fù)。

表2 側(cè)壓力試驗(yàn)變形情況分析

試驗(yàn)分析表明：超導(dǎo)電纜使用常規(guī)轉(zhuǎn)向滑車時(shí)，接觸面較小，側(cè)壓力不應(yīng)大于2.50 kN，即應(yīng)控制在約2 kN以內(nèi)，若需改善，可采取相應(yīng)的如增加輪徑等措施。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)多次樣纜在復(fù)雜路徑“牽輸送”的牽放施工試驗(yàn)，表明牽放同步性對(duì)電纜無(wú)不良影響，牽引力遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)許用值的27 kN。分析了電纜行進(jìn)過(guò)程中對(duì)個(gè)別滑車的側(cè)壓力瞬時(shí)超過(guò)2 kN的原因，明確了轉(zhuǎn)向滑車應(yīng)均勻布置并應(yīng)切線進(jìn)出轉(zhuǎn)向滑車組，證實(shí)了較長(zhǎng)時(shí)間超過(guò)2 kN造成電纜的變形損傷是不可恢復(fù)的。驗(yàn)證了牽放施工過(guò)轉(zhuǎn)向滑車時(shí)，采用轉(zhuǎn)向前后增加輸送機(jī)可將側(cè)壓力穩(wěn)定控制在2 kN以內(nèi)，真纜敷設(shè)時(shí)增加轉(zhuǎn)向滑車數(shù)量可達(dá)到更好的效果。

試驗(yàn)期間還同步進(jìn)行了其他試驗(yàn)及檢測(cè)。方法方面如伸縮弧制作、測(cè)溫光纜展放，施工規(guī)律驗(yàn)證如滑車摩擦因數(shù)測(cè)算、管材摩擦因數(shù)測(cè)算。超導(dǎo)電纜特性方面如敷設(shè)前后的伸長(zhǎng)、形變、真空度及纜芯的伸縮變化測(cè)量。電纜裝置方面如改進(jìn)牽引頭的可行性。設(shè)計(jì)方面如設(shè)計(jì)路徑的高差、轉(zhuǎn)角的合理性等，為真纜的牽引敷設(shè)做好充分準(zhǔn)備。

致謝：感謝上海市電力公司、市南供電公司、上海電力設(shè)計(jì)院、上海電纜研究所、思南電力建設(shè)工程監(jiān)理有限公司等單位的積極參與和強(qiáng)力支撐。