特殊环境下的特高压软母线安装技术

罗本壁

(1.华北电力大学，北京市，102206;2.国家电网公司交流建设分公司，北京市，100082)

0 引言

建设特高压电网对于实现能源资源集约化开发、优化能源资源配置方式、提高能源利用效率、推动电网技术升级、促进经济社会可持续发展具有重大意义［1］。特高压交流输电在远距离、大容量输电中具有成本低、损耗小的经济优势［2］。为进一步发挥1000kV晋东南(长治)—南阳—荆门特高压交流试验示范工程的输送能力，满足华北电网与华中电网之间远距离大容量电能调配需要，促进特高压电网发展，特高压交流试验示范工程扩建工程于2011年初开工建设，并已顺利完成。特高压交流试验示范工程扩建工程主要包括扩建主变、增加串补等内容，而串联补偿有利于提高电网的稳定性［2］，在晋东南(长治)特高压站，需扩建3 000 MVA主变1组，在长治至南阳出线侧，增加20%固定串联补偿装置。

1 软母线安装条件和技术特点

1.1 软母线安装条件

晋东南(长治)站扩建工程分为2个区域，扩建区与原站区连为一体，而串补区域脱离于主站区而独立成区，两区之间有乡村公路、低压电力线路等。串补区域除了安装串补平台外，还安装2榀独立架构，架设软母线，与原出线架构连接，如图1所示。图中0号架构为原出线架构，其下方有1000kV高抗及配电装置。0号与1号架构之间的软母线要跨越2个站区之间的公路、10kV配电线路等。

1.2 软母线安装技术特点

扩建工程软母线的安装较以往工程有一定的区别，其主要技术特点如下:

(1)以往变电站软母线的水平面平行正投影均在站区内，而此次软母线安装要跨越乡村公路、10kV配电线路等障碍物，无法采用常规的施工方法，需要进行技术方案更新与论证。

图1 软母线架设条件Fig.1 Erection condition of flexible busbar

(2)软母线在安装中，要跨越1000kV高抗、电压互感器、避雷器、支柱绝缘子等运行设施，如果发生高空坠物现象，会危及设备，所以必须采取可靠的技术方案，保证软母线安装万无一失。

(3)软母线采用1 600 mm2扩径耐热铝合金绞线，该种导线性能良好［3］，得到较广泛的应用。在本工程中软母线为4分裂形式，导线直径、质量较大，安装应力也较大，需要选用较大规格的受力工器具。

(4)架构间距离较远，0号与1号架构间软母线跨距为113.25m，1号与2号架构间软母线跨距为97.25m，这在以往工程中是较少出现的。

2 软母线安装技术方案的论证与选择

对于1号与2号架构之间软母线安装，虽然具有导线质量大、跨线距离远等特点，但其施工作业过程与以往变电安装工程的软母线安装并没有本质的区别，只要按照施工工艺示范手册要求［4］，选择较大规格的钢丝绳，较大吨位的牵引机械就可以完成施工作业，在此不作讨论。而0号与1号架构之间的软母线安装，则具有第1节中描述的施工技术特点，在此进行探讨。

2.1 软母线架设前准备工作

2.1.1 对跨越物的保护

在0号与1号架构之间的软母线安装前，要对所跨越物进行有效的保护。该跨越段内，主要跨越物有1000kV高抗及配电装置(在施工期间处于停电状态)、乡村公路、10kV配电线路。

(1)1000kV高抗及配电装置的保护。若软母线安装施工时采用搭设全封闭式架体的施工方案，可以使高抗及配电装置设备处于完全保护之中，最大限度地保护设备安全。但是，这个方案却带来一个很大的问题，就是在搭设、拆除封闭架体的过程中，由于组成架体的架杆、扣件很多，需要较多人员进行较大量的组装和拆卸工作，在此过程中可能会碰撞、磕碰已运行设备，也有空中坠物砸坏设备的可能，带来巨大损失［5］。为减少作业风险，现场采取了施工作业量较少、对设备损坏可能性小的保护施工方案。

对于高抗设备，利用两侧防火墙，采用简易桁架搭设防护架体，将各个桁架可靠连接后，在其上方用帆布进行保护，如图2所示。这种架体的搭设过程较为简单，通过吊车将简易桁架单根分别吊装于防火墙上，然后用钢管将其固定，形成保护骨架，再在高抗上方需保护的位置将帆布铺设于搭好的架体上，帆布铺设时利用吊车进行吊装作业，减少人工高空作业量。这种方法施工作业量较少，且能够在高抗上方形成有效的防护。

图2 高抗设备防护Fig.2 High-voltage reactor protection

电压互感器、避雷器、支柱绝缘子等1000kV配电装置均为柱状结构，采取包裹防护措施。软母线安装施工前，先将管母线与均压(屏蔽)环均拆除并妥善保存，然后采用棉被、海绵包裹，在设备顶端再加厚包裹，最外层再裹1层塑料布以防水，这种防护措施操作简单，但可以对设备进行有效防护。

(2)乡村公路与10kV配电线路的防护。对于乡村公路与10kV配电线路，搭设跨越架进行保护。10kV配电线路上方使用木杆或竹杆搭设跨越架，封顶时10kV配电线路要停电。乡村公路上方使用木杆、竹杆或钢管搭设跨越架，路面上方使用尼龙网封顶，封顶时要加强路面车辆的安全监护。跨越架体的搭设要符合有关安全工作规程［6-7］。

2.1.2 导线下料

导线下料时，先根据经验公式［8］计算出下线长度，再根据计算程序进行验证并进行模拟，然后方可正式下料。下料采用经计量检测合格的钢卷尺进行准确测量，在断线处两侧将导线绑扎牢固，然后利用切割设备进行切割下料。

2.1.3 导线压接

本工程导线的压接采用液压方式并按照有关导线压接规程进行压接［9］。压接前，线夹内部、导线插入部分及芯棒必须用酒精或丙酮清除氧化物，待干燥后在压接接触部位涂适量的电力复合脂，然后进行压接。每模压接重合长度应大于模具长度的1/3;压后形成六边形，并且六边形的任一对边应不大于0.866D+0.2 mm(D为线夹外径)，否则必须更换模具;压接弯曲变形不大于线夹全长的2%。

2.2 单导线架设方案

扩径导线质量较大，挂线张力大，如果采取分裂单导线分别架设、挂线的施工方法，则可以有效降低挂线张力，提高施工安全系数。单导线架设方案施工方法及步骤如下:

(1)导线下料与压接。

(2)软母线两端绝缘子串的悬挂。绝缘子为平行双串式，采用300 kN级瓷质绝缘子。吊装前，将绝缘子串在地面组装好，注意螺栓穿向等工艺要求。吊装时，利用卷扬机、钢丝绳、滑车、U形环将其吊装于挂点上。挂好后，均压环可安装就位。在不影响挂线的情况下，屏蔽环可以安装好;如果对挂线有影响，可以挂完线后再安装屏蔽环。操作过程中，注意对均压环与屏蔽环进行保护。

(3)导线展放。采取2台卷扬机一牵一张的张力展放方式进行导线展放，牵、张机械均为5 t卷扬机，采用φ21.5 mm钢丝绳作为牵引绳。在2号、0号架构下方分别设置1台5 t卷扬机，其上的钢丝绳通过悬挂于架构上的滑车后引至地面。将前后端已压接好的单根软母线布置于1号与2号架构间。2号架构处卷扬机上的钢丝绳连接于导线尾端，占用压接管钢锚的挂线孔。采取人工方式在0号与1号架构间展放1根绝缘高强度φ20 mm尼龙绳，利用此绳牵引展放钢丝绳，在高抗等设备上方利用高空作业车辅助通过。利用特制夹具将牵引绳连接于软母线的牵引端，然后开始展放，0号架构下方5 t卷扬机为牵引设备，2号架构下方5 t卷扬机为张力设备。在展放过程中，要注意2台卷扬机互相配合，软母线保持对下跨越架体与设备不小于5m的安全距离。牵引力不得大于导线允许最大张力［4］。导线展放布置如图3所示。

图3 单根软母线展放Fig.3 Single-wire stringing

当导线牵引到0号架构处停止牵引，高空作业人员乘高空作业车将1条φ30 mm普通棕绳拴于导线牵引端的合适位置处，地面作业人员牵拉这条绳索，同时开启牵引用卷扬机作适当调整。当导线端部钢锚挂孔与悬挂在架构上的绝缘子串的挂线金具靠近时，由高空作业人员乘高空作业车将二者相连。

(4)导线收紧与挂线。当导线在0号架构挂好后，启动其尾端的卷扬机将导线收紧，接近设计弧垂时停止。高空作业人员乘高空作业车在导线尾端设置如图4所示的紧线与挂线系统。该系统由5 t卷扬机、φ21.5 mm钢丝绳、特制卡线装置、5 t滑车、5 t U形环等组成。收紧该挂线系统，当绝缘子串上挂线金具与导线尾端压接管钢锚接近时，高空作业人员乘高空作业车将二者相连。

这样，完成1根导线的展放与挂线。

图4 紧线与挂线系统Fig.4 System for wire tightening up and hanging up

(5)其他导线的展放与挂线。其他导线的操作方法与第1根类似，只是导线的牵引端、尾端与绝缘子串连接时，绝缘子串已处于水平张力状态。牵引端挂线时，只要牵引到合适位置，然后可以在第1根导线与绝缘子串的连接处设置起吊装置(滑车与绳索)，地面作业人员稍稍牵引，由高空作业人员完成连接。而尾端连接由于挂线张力较大，还需与第1根分裂子线类似设置紧线与挂线系统。

通过上述步骤，逐步完成各相各根导线的展放与挂线。

2.3 四根导线同时架设方案

四根导线同时架设方案是将四分裂导线与绝缘子串全部连接好，然后采用带尾张力展放方式、一次展放的施工方法，具体施工方法及步骤如下。

(1)软母线制作与连接。导线下料与压接后，在地面组装绝缘子串，将导线与绝缘子串连接好。为防止在施工过程中绝缘子与导线受到损坏，对绝缘子串采取棉被包裹防护措施;同时也暂不拆除对导线起保护作用的纸质包装条，在挂线完毕再拆除导线纸质包装条。

(2)牵引、张力系统布置。在0号架构下方、串补区2号架构下方各布置1台10 t卷扬机，串补区1号架构下方布置1台15 t卷扬机，将连接好绝缘子串的软母线放置于1号与2号架构之间。2号架构下方的10 t卷扬机的钢丝绳通过横梁上方滑车返至地面，与软母线尾端绝缘子串的金具可靠连接。1号架构下方的15 t卷扬机的钢丝绳通过横梁上方的滑车连接到尾端绝缘子串。其中，10 t卷扬机钢丝绳需与绝缘子串最前端金具连接，15 t卷扬机钢丝绳经特制专用挂线联板与金具连接，如图5所示。特制挂线联板可以防止绝缘子串前后错位而发生绝缘子相碰。

图5 特制挂线联板Fig.5 Special plate for wire hanging up

提前在0号与1号架构之间展放1根绝缘高强度φ20 mm尼龙绳作为过渡绳。0号架构下方10 t卷扬机钢丝绳通过横梁上方滑车返至地面后与尼龙绳相连，然后在1号架构处人工牵引将钢丝绳从0号架构牵引到1号架构。为避免钢丝绳接触、损坏已投运设备，布置1台高空作业车，高空作业人员对钢丝绳进行辅助控制，使钢丝绳安全通过。

钢丝绳到达1号架构处时，通过特制专用挂线联板与绝缘子串上的金具可靠连接。至此，牵引、张力系统全部布置好，如图6所示。

图6 四导线展放现场布置Fig.6 Site layout of four-wire stringing

(3)软母线张力架设。缓缓收紧0号架构下方10 t卷扬机，安排专人对运行设备、10kV配电线路跨越架等处进行监护，防止钢丝绳与设备相碰。继续收紧0号架构下方10 t卷扬机，使软母线牵引端绝缘子串逐渐离开地面。2号架构下方10 t卷扬机也收紧，使软母线高度达到与下方设施相距5m时停止，如图7所示。

图7 软母线升空示意图Fig.7 Schematic diagram of flexible busbar hanging up

0号架构处10 t卷扬机收紧，同时2号架构处10 t卷扬机带张力送绳，使软母线整体向0号架构展放，2台卷扬机配合调整使软母线高度基本保持稳定，不发生上下起伏过大情况，防止牵引力过大。

软母线依次跨过10kV线路、站内高抗设备，至距离0号架构横梁挂点10m左右时，单侧收紧0号架构下方卷扬机，使该端绝缘子串升高。同时2号架构下方卷扬机配合调整，完成首端绝缘子串与0号架构横梁挂点的连接。然后由高空作业车配合将钢丝绳送至地面。此时软母线状态如图8所示。

图8 软母线一侧挂线示意图Fig.8 Schematic diagram of flexible busbar hanging up on one side

逐渐收紧1号架构下方15 t卷扬机，并松放2号架构下方的10 t卷扬机，使其钢丝绳慢慢不受力。继续收紧15 t卷扬机，完成1号架构处的挂线，然后由高空人员拆除2套卷扬机的钢丝绳。

至此，完成1相软母线的展放与挂线。其他2相的操作与此相同。

(4)安全补充措施。在软母线展放过程中，张力较小，而绝缘子串的质量较大，单侧质量为1 950 kg，单位长度质量约为150 kg/m，远远超过导线单位长度质量(18.28 kg/m)。在这种情况下，可能会出现绝缘子串下垂、距离设备较近甚至触碰的可能，所以在绝缘子串到达设备上方时，采用了吊车辅助起吊、配合施工的安全防护措施。

根据现场施工环境及吊车技术参数，在现场布置2台大吨位吊车，1台160 t吊车位于高抗设备附近，保护范围为高抗区域，另1台160 t吊车位于电压互感器、避雷器、支柱绝缘子等配电区域，保护这些设备。

在软母线展放过程中，当绝缘子到达第1台160 t吊车吊臂伸缩范围后，将吊带安装于绝缘子串上金具的合适位置处，配合卷扬机的牵引而缓缓移动。当到达柱式配电装置区域后，暂停牵引，由第2台160 t吊车吊住绝缘子串，第1台吊车不再受力，摘钩后继续牵引，此时起到保护作用的是第2台吊车。

这样，直到绝缘子串到达0号架构横梁挂点并挂线后，吊车完成保护任务。

在此过程中，操作要缓慢，并要注意吊车与卷扬机的配合，防止吊车受水平拉力。

2.4 方案比较与选择

对上述2种方案进行了可行性、可靠性、经济性等方面的比较，具体比较结果如下。

(1)实用可行方面。单导线架设方案存在以下问题:1)扩径导线在下线、压接完成后，需要与牵引的钢丝绳相连，如果占用钢锚的挂孔影响挂线，需要特制一种能够卡线且动态牵引的工器具，原设想加工一种类似光纤复合架空地线(optical fiber composite overhead ground wire，OPGW)卡线器的工器具，但需要完成设计、加工样品、试验、鉴定等工作，实现难度较大;2)在牵引端完成与绝缘子串的连接后，在尾端需要设置紧线挂线装置完成挂线，也需要使用特制的卡线装置，并且，变电安装专业的人员缺乏这种作业方式的施工经验。另外，在完成第1根子导线挂线后，在挂第2、3、4根子导线时，存在挂线装置与已挂子导线相磨的可能性。

四导线同时架设方案总体可行，但是存在以下问题:1)需要加工专用挂线联板，但联板加工的理论计算与实际操作均较为简单，只要根据最大受力状况计算板材厚度及连接螺栓尺寸即可;2)操作过程中，4根导线和绝缘子串同时在高空展放，牵引设备受力大，操作难度也较大;3)双串绝缘子串在高空展放过程中，要采取可靠的防护措施，防止绝缘子受到损坏。

(2)安全可靠方面。单导线架设方案在架设及挂线过程中，由于是单导线操作，受力较小。单导线操作对于下方设备的威胁较小。采取四导线同时架设方案时，四导线连同两端绝缘子串同时架设，受力较大，对下方设备的威胁也较大。在采取了吊车辅助保护的安全措施后，风险有所减小。

(3)经济合理方面。单导线架设方案使用卷扬机3台、高空作业车2台及其他配套小型工器具，使用机具较少;操作步骤较多，耗时较长;投入施工人员约30人;需要研制专用大截面卡线器，费用很高。四导线同时架设方案使用较大吨位卷扬机3台、高空作业车1台、吊车2台，使用机具较多;操作步骤较少，耗时较短;投入施工人员约30人;仅需加工专用挂线联板，费用低。

(4)技术创新方面。单导线架设方案需要研制大截面卡线器，技术要求较高;技术方案本身较以往施工方案区别较大，需要制定新的技术方案。四导线同时架设方案需要加工专用挂线联板，技术要求低。

经对2种方案各项目进行综合对比，从利于实现的角度，现场选择了四根导线同时架设方案。

3 主要受力器具的验算

现对四导线同时架设方案中主要机械与工具进行受力验算。

3.1 卷扬机、钢丝绳校验

根据设计有关资料，在风力较小的情况下，安装过程中导线的弧垂达到设计弧垂6.6m时，4根导线最大水平张力之和为68.120 kN。

采取简化分析方法，导线受力如图9所示，图中H为水平张力，G1为一半导线与一侧绝缘子串的重量之和，F为挂线时牵引力。

图9 软母线受力示意图Fig.9 Force diagram of flexible busbar

这样，根据图9可以计算出在挂线时主受力钢丝绳的牵引力。在实际计算中，得出牵引力约为74 kN。

根据电力安全工作规程［10］，取钢丝绳安全系数为6，则钢丝绳破坏拉力不应小于444 kN，而15 t卷扬机所配钢丝绳规格为 φ36 mm(6×37纤维芯，1 570 MPa)，其破断拉力为 671 kN［11］，满足要求。

同样，15 t卷扬机也满足要求。

3.2 吊车校验

在绝缘子串经过高抗设备上方时，吊车作为补充安全措施时，吊车将受到单绝缘子串与部分导线(可按该档内导线长度的1/2估算)的重力。

单侧绝缘子串质量为1 950 kg，四分裂导线质量为1 590 kg，由此架空软母线总质量为5 490 kg。吊车在起吊导线和绝缘子串通过高抗设备区时，其吊重(垂直方向受力)为架空软母线的1/2稍多，但为了安全起见，按软母线全重校验，即2台吊车起吊质量均需超过5 490 kg。

160 t吊车在施工过程中，回转半径为30m，查阅吊车性能参数表，吊车需出臂50m时吊装质量为11 t，吊车满足要求。

4 结语

经过较为充分的技术论证后，选用了四导线同时架设方案，来完成在特殊条件下的软母线安装作业。在执行过程中，先进行了试挂，然后正式安装，施工全过程安全、顺利。该施工方案尽量采用了变电安装专业较为熟悉的施工机具与施工方式，同时又考虑了在特殊环境下的作业条件，而进行了技术改进，解决了施工难题。该方案对于类似条件下的软母线安装施工具有借鉴意义。

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