既有线牵引变电所110 kV跨桥母线更换方法研究

林 红，陈华杰

0 引言

近年来，随着我国高速铁路里程的不断增加，作为电气化铁路的重要组成部分，牵引变电所设备老化、运能不足逐渐突显，设备设施的改造、更换、升级需求日益突出。

由于各时期建设标准不同，以及各地区环境特点不同，牵引变电所的结构和运行组织比较复杂，存在多样性。在对运行中的牵引变电所进行设备升级改造施工时，既要考虑到保证铁路运输安全，又要保证在规定的时间内完成施工任务，否则将会对行车组织造成影响。

对于外部供电，德国、法国、日本均采用了高压供电的电气化形式[1]。日本新干线多采用275 kV电压制式，法国大部分牵引变电所采用225 kV电压制式，德国电压制式为110 kV，其牵引网比较特殊，采用15 kV/16.7 Hz铁路专用供电制式。这些国家对高速电气化铁路的运营管理和牵引供电设备维修维护的模式、方法有少量探讨，但未见跨桥母线更换施工方案相关文献。研究如何在规定时 间内，不影响当前变电所运行的情况下合理实现跨桥母线的更换，对牵引变电所的设备改造工程具有实际指导意义。本文结合实际工程案例，对单侧供电方式下既有线牵引变电所跨桥母线更换方案进行研究。

1 工程概况

京广铁路安阳至孟庙段牵引供电设施改造工程，含郑州铁路局管内正线321.2 km，共有6座牵引变电所需要改造施工。供电方式为AT供电方式和直供加回流供电方式，其中新乡所、淇县所、汤阴所均为两回110 kV进线，两回进线间设跨条隔离开关，进线互为备用[2]。变电所采用桥式接线，又称母线桥，跨接断路器将2条电源引入线与2台变压器联系起来的主接线见图1。

图1 110 kV进线电源及跨桥母线供电示意图

其中，110 kV母联跨桥母线已运行20年。根据中国国家铁路集团（原中国铁路总公司）《牵引变电所运行检修规程》规定，牵引变电所高压母线大修周期为10～15年，为确保铁路运输正常及牵引供电设备自身安全，必须更换110 kV跨桥母线[3]。

目前在铁路行业，牵引变电所110 kV跨桥母线更换施工大都采用“越区供电后、全所停电”方式。但本次改造施工变电所均处于繁忙干线京广线上，实施越区供电后，线路电压压降较大，客运列车和货运列车均要限制通行，可能会造成京广线客运列车和货运列车大面积晚点，产生较大的社会影响和经济损失。此外，从技术角度考虑，新乡牵引变电所供电馈出回路较多，共计10回路，改造施工影响范围大，全所停电施工计划无法批复；广武牵引变电所供电馈出回路涉及到郑太客运专线郑焦段的供电，对郑焦段客运列车运行影响较大。综上，因对铁路运输管理及行车调度均有较大影响，“全所停电施工”方案无法实施。为满足铁路运输和改造工程实际需求，需采用安全风险低、实施性强、施工效率高的施工方案，以完成施工任务，并保障施工人员人身安全及铁路行车安全。

2 跨桥母线更换影响因素分析及方案确定

本次改造工程变电所跨桥母线在110 kV 1#进线和110 kV 2#进线正下方，母联隔离开关在母联跨桥母线的正下方，形成上中下3层供电回路。

2.1 影响因素分析

因跨桥母线直接与110 kV进线连接，其断电将直接导致变电所全所停电，其他技术问题也基本是由于无法全所停电造成。

（1）结构因素。因跨桥母线处为上中下3层结构，其中上、中层均为带电设备，无法停电，且空间有限，不利于更换施工的进行。

（2）感应电压因素。跨桥母线处于110 kV进线端，导致此处感应电压较高，110 kV跨桥母线门型架构无法攀爬，无法直接更换母联跨桥母线。

（3）安全距离因素。不管是跨桥母线的结构，还是跨桥母线引起的感应电压，均导致此处的安全距离不足，需要采取增加安全距离或安全隔离等措施解决该问题。安全距离不足是导致110 kV跨桥母线无法顺利更换的关键因素。

因此，从技术角度分析，实施跨桥母线的更换需要从以上3个方面入手。由于本次更换施工采用不停电作业，跨桥母线的电压无法消除，感应电压也无法消除，同时跨桥母线的结构受限于变电所设备的设置也无法变更，因此，只能考虑从改变安全距离入手才具备实施可能性。

2.2 跨桥母线更换方案的确定

相同气象条件下，人员与设备的绝缘距离要求与电压有关，即同等电压等级情况下，绝缘距离要求是确定的，只要做到使安全距离达到绝缘距离要求即可。通常采用如下方法：

（1）增加隔离。普通涉电工程施工现场通常采用常规的隔离防护措施，如设置防护网架、悬挂警示牌等。在此次施工中也可采用类似的隔离措施，考虑采用悬挂绝缘板隔离带电设备的方法实现安全距离的增大。

（2）增加距离。接触网专业中有电分段的概念，即通过在合适的位置设置相应的分段绝缘器，按照实际需求灵活实现供电线路的分段供电。根据电分段的工作原理，可将110 kV跨桥母线单侧绝缘子增加硅橡胶绝缘子和加长杵环杆，以增大安全距离，见图2。

图2 增加硅橡胶绝缘子并加长杵环杆后供电示意图

采用隔离防护方案时，悬挂的绝缘板会因下方无法完全固定而晃动，感应电压并未减小，对人身和设备安全仍然造成一定隐患，且所内带电环境复杂，安装悬挂绝缘板存在一定安全风险。而采用增加硅橡胶绝缘子和加长杵环杆来增大安全距离的方案更为适用。该方案安全距离大、感应电压小、稳固性强，且施工现场实施方便。

3 跨桥母线更换实施流程及效率分析

跨桥母线更换施工是在变电所不停电的情况下实施，因此，施工过程应分为过渡施工、正式更换施工。其中过渡施工是为增加安全距离而采取的必要手段，正式施工是在过渡施工的基础上完成1#系统和2#系统的跨桥母线的更换。施工过程为单向且逐项进行，不可同时作业。

3.1 过渡施工

施工前，应计算安装尺寸和绝缘距离等参数，制作合适的新跨桥母线，根据施工方案的分析和实施单位的实际情况，对绝缘子和杵环杆进行比对选型，见图3。

图3 关键设备对比分析

经过分析对比，确定选用硅橡胶绝缘子和Φ16 mm、长1 130 mm的杵环杆。在更换跨桥母线过渡施工中加装110 kV硅橡胶绝缘子，重量较轻，利于操作；其绝缘长度为1 300 mm，足以保证施工人员安全攀爬变电所中间门型架构进行作业。确定选型后进行必要的连接和组装。

在过渡施工阶段，在退出运行并停电的系统（假设为1#系统）中采取良好的接地等防护措施，在跨桥母线与耐张绝缘子串之间加装必要的复合绝缘子作为过渡，以增加安全距离，保障人身与设备安全。

具体过渡施工流程：若变电所运行状态为2#进线+2#主变运行，申请1#系统停电（断开进线隔离开关），办理第一种工作票，退出进线及主变备自投。采取相应的安全防护措施：其中软硬隔离设置见图4，接地线位置见图5。

图4 过渡施工软硬隔离示意图

图5 过渡施工接地示意图

之后，在1001GK靠1YH侧组立脚手架，在1#系统跨桥母线靠近中间门型架构处加装1组（3相）110 kV复合绝缘子。施工完毕后，恢复安全措施，结束工作票。向电调申请变电所由2#进线+2#B改为1#进线+1#B运行，系统试运行至次日8时。

本次施工中，变电所为单系统运行，参与施工的各单位、部门应做好越区应急准备。

施工完成后跨桥母线耐张绝缘子串更换为耐张绝缘子串加复合绝缘子的形式，见图6。

图6 过渡施工完成示意图

3.2 2#系统正式施工

在过渡施工完成，安全距离得到保证后，申请变电所由2#进线+2#主变运行改为1#进线+1#主变运行，2#系统停电（断开进线隔离开关），进行2#系统跨桥母线更换，新跨桥母线安装需要在中间架构端加装1组（3相）1 130 mm杵环杆。采取良好的接地等防护措施，软硬隔离设置见图7，接地线位置见图8。

图7 2#系统施工示意图

图8 2#系统施工接地示意图

其中，过渡工程中完成耐张绝缘子串与复合绝缘子间母线处挂地线。拆除原有的2#系统跨桥母线，并将提前预制的已加装加长杵环杆的跨桥母线安装并调整到位。具体施工步骤如下：

（1）将1001GK、1022GK、1023GK引线从设备线夹处剪断（或松掉压线螺栓抽出引线），在2#系统跨桥母线下方组装1组两层脚手架，将进线母线与跨桥母线间引下线下端线夹拆除；

（2）两门型构架分别由2组人员将2#系统跨桥母线及其引下线拆除放下（先放中间侧，再放压互侧）；

（3）两门型构架分别由2组人员将提前预制好的跨桥母线及引下线悬挂并调整（预制的母线已加装杵环杆）；

（4）将1002GK、1022GK、1023GK与其引下线连接，将2#进线母线与跨桥母线间引下线连接；

（5）投入主变及进线备自投，恢复措施；

（6）向电调申请变电所由1#进线+1#B改为2#进线+2#B运行。

2#系统跨桥母线施工完成后，跨桥母线耐张绝缘子串与加长杵环杆连接在一起，更换前跨桥母线局部及更换后跨桥如图9所示。

图9 2#系统施工完成前后

3.3 1#系统正式施工

在2#系统施工完成、杵环杆加装、安全距离得到保证后，将2#系统设置为运行系统，1#系统退出运行，断电并采取良好的接地等防护措施。拆除原有的1#系统跨桥母线，并将提前预制的已加装加长杵环杆的跨桥母线安装并调整到位。1#系统施工步骤与2#系统一致，不再赘述。

各阶段施工过程中，变电所供电正常，但此时处于进线无备用状态。施工期间若出现故障，无法满足供电，需向电调申请越区供电，应提前做好越区供电并限制行车等应急措施。

3.4 更换方案的实施效率分析

行业内“更换110 kV跨桥母线”的施工方法大多为全所停电，分2组施工人员同时进行1#进线跨桥母线更换和2#进线跨桥母线更换，更换时间平均为约4 h。在更换过程中，铁路供电处于越区状态，行车组织受到影响。

而本文所述施工流程为1#进线系统和2#进线系统分别单侧停电，1#、2#进线系统互为备用。1#和2#进线系统分别单侧停电执行第一种作业票施工，不占用施工天窗，意味着更换跨桥母线可以全天候施工，时间充裕，不存在天窗点延迟的风险。

经现场实际多次推演，测算1#和2#进线系统分别单侧停电，每个施工环节的占用时间，并制定110 kV跨桥母线施工推演时间测试统计表，见表1。

表1 110 kV跨桥母线施工推演时间测试统计

4 施工阶段 新制作母联跨桥软母线安装 20 30 30 20 5 施工阶段 母联隔离开关进出引线安装连接 20 30 20 30 三 1#进线停电进行更换跨桥母线施工，2#进线系统主供（同二，略） 合计 145 235 195 185

根据上述推演数据分析，1#和2#进线系统停电施工平均时间为t= (145+235+195+185)÷4 = 190 min。通过测试统计可知，本文所述施工方法在理论上是完全可行的，且相比于传统方法，不影响供电安全，安全风险低，实施性强，实施效率更高。

在现场实际施工中，经科学组织，合理制定施工具体方案，1#进线系统既有母联跨桥软母线及母联隔离开关进出引线进行更换施工合计用时120 min，即2 h。跨桥母线更换后送电运行正常。2#进线系统既有母联跨桥软母线及母联隔离开关进出引线进行更换施工合计用时68 min，即1.13 h。跨桥母线更换后送电运行正常。

实施效果检查：经与综合自动化系统主站核对数据确认，1#、2#系统运行正常，电压、电流、设备温度等数据正常。

1#和2#进线系统跨桥母线更换合计用时3.13 h比传统采用全所停电方式时间（4 h）缩短近1 h。通过对6座牵引变电所跨桥母线更换的时间统计，平均用时3.32 h，解决了110 kV跨桥母线无法全所停电更换施工的难题，实现了预期目标。

4 跨桥母线更换施工关联预案

施工应急预案应体现人员安全优先、行车安全优先、控制事故蔓延优先和“先防护后处理”的原则。因上述跨桥母线更换施工时，变电所处于无备用状态，因此应做好越区供电，防人身伤害事故、触电、火灾等应急措施。

为确保改造工程安全目标的实现，应建立以项目经理为核心，以各相关部门为依托，各作业队为具体执行单位的安全保障网络和安全保障体系。对体系内各成员、小组的施工目标进行分配，对更换施工中涉及到高空作业、带电作业等项目的人身、设备安全注意事项进行细化分类。

为确保变电所正常供电运行，保证新设备投运后可靠运行，应制定行车组织方案。首先，设备运营单位应与施工单位、配合单位共同召开施工协调会，确认天窗点施工关键控制流程；制定越区供电方案，确认越区供电倒闸程序和恢复供电倒闸程序，并对越区供电区段的电力机车数量进行限制[4]。

5 结语

本次牵引变电所110 kV进线侧高压跨桥母线更换是在单侧供电条件下进行的。通过对此次施工特点的分析，得出如下结论：

（1）跨桥母线更换工程考虑因素包括母线及附近设备的结构、感应电压、安全距离等；

（2）改变安全距离是实现单侧供电条件下跨桥母线更换的唯一途径，本次工程采用复合绝缘子和加长杵环杆增加安全距离的方式；

（3）跨桥母线更换施工应分阶段进行，分为过渡施工、2#进线系统施工、1#进线系统施工3个阶段，且施工顺序不可更改[5]；

（4）跨桥母线更换施工需要制定应急措施、人身安全、行车组织等关联预案。

本文通过实际的改造工程案例，对110 kV跨桥母线更换施工的关键步骤、流程进行了深入分析，总结出了一套成熟的施工方案，并制定一系列应急措施，以有效保障施工人员人身安全及铁路行车安全，对类似施工具有一定参考价值。