变电站悬浮气垫搬运系统典型工艺应用

马 坦，冯学艺，高志远，房新振

（1.国网济南供电公司，山东 济南 250001；2.国网山东省电力公司，山东 济南 250000）

0 引言

随着社会经济飞速发展、城市区域快速拓展及新旧动能转换步伐加快，变电站新建工程成倍增加。社会需求推动施工作业向机械化、智能化发展。在变电站工程建设中常需将重型设备、大型构件在有限空间内完成搬运就位。如何更加快捷高效地完成此项工作，需要施工人员开拓创新，开发或改进形成新的施工工艺。

GIS设备以其结构紧凑、运行可靠等优点，已成为变电站的标配。为防止发生漏气、放电等故障，GIS设备的安装过程对环境的微尘度等有异常苛刻的要求。网省公司近年来一直推广GIS“无尘化”施工，而滚杠滑动、绞磨牵引的传统运输方式使得成品破损，施工环境无法满足“无尘化”作业要求。所以施工作业现场需要探索出新型搬运就位方式，保证安装环境清洁、密封元器件清洁，以使施工作业现场满足GIS“无尘化”作业的要求。

1 变电站重型设备运输就位工艺现状

1.1 针对高压开关的移动式龙门架吊装安装

高压开关设备的运输就位常采用高压开关柜专用组合式移动行车。该方法可对开关设备进行平稳起吊，轻便运输，多方位移动调整。但组合式移动行车框架使用槽钢焊接架构，顶部使用高强度工字钢，工字钢下端悬挂电动葫芦，设备笨重，配件尺寸大，每次使用前需提前组装，操作不方便。而且组合式移动行车为定型尺寸，无法在所有变电站中通用。

1.2 重型设备的传统运输就位方式

现今，在变电站电气设备安装过程中，重量在5～20 t的较大重型设备的搬运就位主要采用绞磨牵引、滚杠滑动的方式。该方法需要确定地锚设置点、绞磨固定方式，对工作负责人的施工经验和作业人员协作能力要求较高，特别是在转弯时，不够灵活，容易造成作业人员受伤。此外，设备移动过程中，会造成地面瓷砖大量损坏，大大增加土建修复工作。

1.3 搬运升降车运输就位方式

现今，变电站设备安装过程中，10 kV开关柜搬运就位一般采用搬运升降车，相比于滚杠滑动的方式，该方式能够减少对地砖成品的破坏。其缺点主要为：运输过程中仍需要较多劳动力，机械化水平仍然很低；利用了机械设备，增加了施工作业风险性；不易完成对重型设备的运输。

2 变电站重型设备悬浮气垫运输就位典型工艺研究

基于以上原因，我们依托济南姚家220 kV变电站异地改造工程建设项目，创新GIS组合电器等重型设备运输、就位施工工艺，实现重型设备在变电站工程中高效安全搬运与就位的施工经验。

2.1 悬浮气垫在工业中的应用

悬浮气垫搬运车最早应用在航空领域［1］。它利用气体成膜技术托起重物并且搬运移动，当气垫充气达到一定的压力后，气垫悬浮搬运车的运行与地面完全没有摩擦，搬运过程省时省力。

悬浮气垫搬运车由空气压缩机、稳压罐、空气干燥机、控制系统、气垫模块组成。其核心部件气垫模块由环形气囊和承载背板组成，当气垫充气完成，受力均匀时，系统能够达到自平衡状态［2］。

2.1.1 气压腔的形成

在未通入压缩空气时，气垫模块支撑板的中部圆盘贴于地面，支撑整个车体；压缩空气通入后，先充入环形气囊，当环形气囊被充胀后，压缩空气便会透过环形气囊本体上的微细小孔进入气垫模块的底部，形成一个气压腔。

2.1.2 悬浮离地过程

随着气压腔内压缩空气量不断增多，气压不断增大，气垫模块便会连同其上的车体一起被托起悬浮离地。随着气压继续增大，便将车体、负载工装及负载一起托起悬浮离地。此时悬浮气垫运输系统及负载由气压腔内的压缩空气及气囊支撑。

2.1.3 气膜层稳定 悬浮系统平衡

当气压增大到一定数值时，整个悬浮气垫运输系统及负载便浮于地面，与地面之间形成一层厚度大约为0.025 mm的空气膜。控制系统自动调节进气量，整个系统及负载处于悬浮的平衡状态。

理想状况下，当悬浮气垫运输系统处于悬浮平衡状态时，整个系统与地面之间的摩擦力基本为零，此时使用极小的推力便能使系统及负载进行移动。

利用气压学与动力学研制而成的悬浮气垫搬运系统在搬运重型设备时具有无比的优越性，主要体现在移动灵活、高效操作性、无损运输、安全可靠、对不规则负载的适应性。

2.2 悬浮气垫搬运系统在变电站应用中面临的困难

实践发现，当地面光滑无缝时，气垫车正常运行，当地面存在缝隙或凹凸不平时，造成气膜层破坏，气垫与地面摩擦力大大增加，无法运输设备［3］。因此，为保证气垫车正常运行，地面必须是平滑无缝的连续面。若利用悬浮气垫车搬运电气设备，需要克服几方面的困难。

2.2.1 气垫过沟缝的能力

由于变电站设备间存在众多电缆沟、设备基础预埋件、孔洞沟缝等，所以，在选择气垫运输车的气垫模块时，需要选择能够顺利通过沟缝的创新型气垫模块。

2.2.2 设备装置室地面平整度问题

在变电站施工标准工艺中，GIS组合电器、高压开关、电容器、接地变等电气设备装置室通常设计为瓷砖地面或水泥砂浆地面，水泥砂浆地面表面平整度偏差≤4 mm；瓷砖地面平整度偏差≤2 mm，缝格平直偏差≤3 mm，接缝高低差≤0.5 mm。设备放置处均设计有镀锌预埋件，埋件高出地面5 mm，在埋件周围留置10 mm宽的变形缝。

在变电站电气设备安装过程中利用悬浮气垫搬运系统运输电气设备，必须对设备装置室地面、预埋件基础平滑处理，保证满足悬浮气垫搬运系统的使用要求。

2.2.3 悬浮气垫搬运系统的平衡控制

悬浮气垫车使用过程中要求每个气垫模块承受的重量尽量均匀，且压在气垫模块的中心。

2.2.4 设备与气垫车间的工装处理

传统运输方式均采用焊接固定式工装，工装拆卸需要一定空间，而变电站设备就位后与墙体的距离往往不能满足固定式工装的拆卸。如何将固定式工装通过改良变为方便拆卸的组合式工装设备，而又不影响其稳固性，是悬浮气垫搬运系统应用到变电站重型设备运输中的一大难题。

3 悬浮气垫搬运系统的实施

为了使悬浮气垫运输车能在变电站重型设备搬运就位过程中发挥其优势，本课题组成员攻坚克难，结合工程实际，探索出了适用于变电站安装施工的悬浮气垫搬运系统。下面以较为复杂的GIS组合电器设备运输为例叙述实施方案。

3.1 过缝能力评价 精选多孔多气囊气垫模块

通过现场考察与论证，本课题组发现上海速屈自动化科技有限公司的SKTGC4K21NH悬浮气垫搬运车具有较好的过沟缝能力，可满足变电站重型设备搬运就位。该气垫搬运车由4台额定承载能力为6 t的气垫模块构成，其上有多个独立的气囊，每个气囊上有多个小孔，气垫模块过沟缝能力强。使用厂房式空气压缩机气源，该系统可承载24 t重型设备。当悬浮气垫车正常运行时，只需4人即可使运载系统灵活移动。

3.2 精雕细琢 修复地面平整度

使用悬浮气垫搬运系统时，悬浮气垫推进通道选在两设备基础之间的平整地面，通道全程铺设地板革，如图1，地板革接缝处使用胶带平整粘平。待搬运车行进到与设备安放位置平行时，再横向移动使设备就位。这样，即可减小设备基础对悬浮气垫搬运车气膜层形成的影响。

当设备重力平衡点不在预埋件之间时，气垫模块需要跨过预埋件设备才能正确就位，此时需要加工定型模具将预埋件与地面处理平滑，以满足气垫对地面的要求。

此外，GIS配电装置室存在较多电缆沟及电缆舱孔洞，在使用悬浮气垫搬运系统时，需要对其进行防护。电缆沟的防护采用带支撑腿的厚钢板，钢板厚度为8 mm，支撑腿选用40 mm的角钢，当防护钢板放置在电缆沟角钢基础时钢板刚好与地面齐平。电缆舱孔洞防护同样采用8 mm厚钢板，尺寸与孔洞尺寸一致。钢板与地面之间的缝隙使用透明胶带黏平，防护不留死角。

除在设备运输通道区域内铺设地板革外，在预埋件基础上也需铺设地板革，消除尖端棱角，以免对气垫造成损坏。

3.3 平衡控制 分析承载背板受力点

为使悬浮气垫搬运车稳定，在设备承载之前，需对承载背板的受力位置进行分析。本方案中使用4台气垫模块，前后各两块，如图2。选取运载设备4个点作为重力支撑点，为使受力均匀，与承载背板接触的工装构架应为横向，即与运载设备底部角钢成垂直角度，由此可使左右两个气垫受力均衡，保证悬浮气垫搬运系统平衡不倾斜。

图1 悬浮气垫推进通道

图2 气垫模块组装图

3.4 方便快捷 制作组装式平衡工装

工装是为了使悬浮气垫搬运系统使用方便而设计的构件，通过工装可将气垫模块与运载设备形成一个整体。气垫充气后，通过工装与运载设备可靠连接。设备运输到位后，将气垫泄气，使设备落在地面上，此时气垫与运载设备间有活动空间，可以轻松取下工装。因为工装设置在GIS设备间隔的两侧，相邻间隔空间不足60 cm，有可能造成GIS无法对接到位。而组装式工装可以有效避免此类情况的发生，如图3，当空间不足时，可将工装横向拆卸。

GIS组合电器设备运输工装采用20 mm厚度钢板，整体呈半弓子型，如图3、4，可拆卸。GIS设备底座采用10号槽钢做框架，工装前半部分高度为97 mm，可横向或纵向插入GIS设备底座槽钢内，尺寸匹配度极佳。工装后半部分长度为600 mm，距地面高度为150 mm。安装时后半部分下方横向放置两根10号槽钢，槽钢下面放置气垫模块，在未充气状态下气垫高度为9 mm，槽钢厚度为5 mm，气垫模块安装完毕后剩余1 mm活动空间，便于气垫的安装与拆卸。

图3 可拆卸工装组装图

图4 半字型支撑件

气垫模块在承载状态下可以升高30 mm，考虑到GIS隔间中间部位下沉形变，其形变量不超过20 mm。因此本悬浮气垫搬运系统正常运行时可以使设备整体抬离地面至少10 mm，完全可以顺利通过预埋件基础。

3.5 安全可靠 控制设备运输过程

待全部工装安装完成后，依次连接主气泵、供气管道，分气管等悬浮气垫搬运系统的附件设备，确认气垫安装无误后，开启空气压缩机、空气干燥机，待气罐压力升至0.8 MPa后，开启气管阀门，气流冲至控制箱后，依次开启4个气垫阀门，根据设备重量均匀调节气垫进气压力，使气垫模块充气至能够将设备抬离地面，保持此时控制箱给气量［4-5］，如图5。当设备完全悬浮后，方可推动设备移动，以完成进行对设备的搬运就位，如图6。

设备运输时一人操作压力控制箱，前后各两人推动设备，前部两人时刻控制设备前进方向。

图5 气垫车控制箱

图6 设备搬运过程示意图

4 重型设备悬浮气垫应用效益

本文研制的悬浮气垫搬运系统，简化了设备搬运就位前的准备工作，提高了电气施工作业效率，降低了重型设备运输安全风险，减少了施工作业劳动强度，实现了对瓷砖地面的有效防护，改善了施工作业环境。具体效益主要体现在三方面。

4.1 管理效益

该工艺方法有效保障了电气施工标准化作业，符合变电站工程安全文明施工标准化要求，为变电站重型设备搬运就位提供了新的思路。此外，悬浮气垫搬运系统在搬运设备时，始终处于悬浮平衡状态，整个系统与地面之间的摩擦力基本为零，该搬运方式能够有效避免对地面造成损伤，并可大大改善电气施工作业环境，使GIS设备安装无尘化要求得以满足。课题组总结提炼出了GIS“无尘化”搬运就位实施方案，为网省公司推广GIS“无尘化”施工标准工艺奠定了坚实基础。

4.2 经济效益

首先，悬浮气垫搬运系统承装能力强，搬运力为承载设备重量的万分之五，意味着搬运2 t的重物只需要1 kg的力，以往GIS、接地变等重型设备搬运就位需要15～20人完成，使用悬浮气垫搬运系统至多需7人即可（包括工作负责人和专责监护人），不仅节省人力，而且对工作负责人和作业人员的工作经验要求降低。

其次，悬浮气垫搬运系统也能降低施工作业时间。一是准备时间缩短，传统搬运方式地锚设置等需计算、论证，准备时间长，而悬浮气垫搬运系统准备工作一天即可完成。二是搬运时间缩短，对110 kV GIS组合电器设备，传统搬运方式一天可以就位4～5个间隔，而良好的悬浮气垫搬运系统可轻松完成7～8个间隔。

最主要的是，本课题设计的悬浮气垫搬运方案，能够有效保护地面瓷砖，减少了地砖反复铺贴带来的资金成本。

以GIS组合电器运输为例，选择气垫运输时的经济效益与传统运输方式对比如表1。

表1 多种运输方式经济效益对比表

4.3 社会效益

该典型工艺一是具有较强的推广借鉴意义，二是能够有效提高施工作业安全，减少施工作业过程中不必要的人员伤害，有利于保障和谐的社会用工氛围。悬浮气垫搬运系统主要通过控制箱控制每个气垫模块充气压力，通过气膜层使悬浮气垫搬运车悬浮离地，实现任意行走，操作简单，轻便灵活，因此具有较大的推广借鉴意义；悬浮气垫搬运系统属于地面搬运设备，不存在吊装设备的起吊危险性，而且不需设置地锚、钢丝绳挂钩等，避免了脱钩、钢丝绳套老化断裂、锚固不牢固等危险点，大大降低了施工作业风险，能够有效保障施工人员和设备安全。

5 结论

变电站重型设备悬浮气垫搬运系统是对创新型施工工艺的积极探索，为变电站工程重型设备搬运就位提供了典型施工经验。悬浮气垫搬运系统产生的经济效益与社会效益深化了 《国家电网公司输变电工程安全文明施工标准化管理办法》的应用深度与广度。为节约施工成本，减轻施工劳动强度，降低重型设备搬运风险，有效提高成品保护提供了重要措施，为公司推广重型设备搬运施工工艺提供了借鉴经验，在国家电网公司变电站工程中将有广阔的应用前景。