常规路径公里级35 kV高温超导电缆的牵放施工

徐 坤 于天刚 蔡俊杰 殷 赟

上海送变电工程有限公司 上海 200235

国内首条长30 m的35 kV室温超导电缆2004年在云南投运，同年长75 m的10 kV室温超导电缆在甘肃白银投运，首条长50 m的35 kV高温超导电缆示范线路2013年在上海投运……。至今国内现有超导电缆共同的特点均是百米级的短距离输电，路径均采用专用地面桥架方式，敷设均是以铺放为主，在长距离高温超导电缆敷设方面没有过多的借鉴经验[1-3]。本次上海35 kV超导电缆试验示范工程是世界范围内首次采用常规路径，以排管工井方式敷设的公里级超导电缆项目，有更加广阔的应用前景和意义。因是常规路径敷设超导电缆，需要牵引施工，但目前没有超导电缆牵引施工的相关参数及经验，同时，排管管材、工井空间设计对高温超导电缆的影响，施工拉力、侧压力、转向等施工因素对超导电缆形变的影响，电缆真空头保护管通过转向滑车的状态影响等，目前均属于理论阶段，均需要在真缆施工前进行研究和验证。

1 拟订的施工方案

本次35 kV超导电缆试验示范工程使用的高温超导电缆，外径约200 mm，质量约40 kg/m，设计许用拉力≤27 kN，弯曲半径为≥4 m，允许侧压力≤3 kN/m，每只导轮上的侧压力≤2 kN/m。

超导电缆线盘超常规，直径达4.2 m，宽度达2.8 m，线盘自重达3.5 t，满盘质量近20 t。实际路径位置位于繁华地区，由三段超导电缆组成，路径总长约1.1 km，且工况复杂，包括排管、电缆沟、管线桥和顶管，有多个大转角，施工中需要同时解决多处水平和垂直方向的变化影响、工井内伸缩弧布置以及排管内测温光缆同步敷设等新情况而采取对应的新工艺和方法。

常规路径以排管工井方式敷设电缆的特点是需要牵引和转向，根据大口径电缆敷设施工的经验，拟订了牵引＋输送机和电动滚轮辅助输送＋线盘推送的敷设工艺，即“牵输送”工艺，为保障各设备线速度同步而避免局部过度拉伸，提前研制加工了力显液压牵引机（图1）、带动力可变频调速的大直径线盘架（图2）、带压力传感器的转向滑车、带拉力测量的牵引头装置，并特制了一定数量的输送机、电动滚轮、托轮等相关装备及工器具。

图1 液压绞磨牵引机

图2 动力线盘架

2 需要验证的内容

超导电缆牵放施工方法需要验证以下内容：

1）研究超导电缆牵放施工的装备和工器具，并验证其性能和参数是否满足要求。

2）研究超导电缆牵放施工工艺的可行性，包括“牵输送”施工不同步、管材的摩擦、转向滑车的布置等对超导电缆产生的影响，以及大直径超导电缆与测温光缆同步展放、蛇形伸缩弧布设的方法。

3）研究超导电缆牵引施工时，牵引头受力、过转向滑车的状态，以及对超导电缆变形、真空度、电缆缆芯及整体受力前后伸缩变化的影响。

4）研究工井数量、转弯角度、高差、伸缩弧设置、大口径排管管材对超导电缆的影响。

3 试验验证的方法

由于超导电缆造价高昂，真缆敷设前，在电力公司的支持下，斥资建设了真型试验场地，采用样缆模拟工程最复杂工况进行试验，以得到相关规律及施工参数，保障真缆敷设一次成功。试验路径包括敞开式电缆沟、桥面电缆沟、排管、2个转角工井、3个直线工井等，总长293 m，平面、断面布置如图3、图4所示。

按照实验方法分别测定钴产品生产过程CoCl2净化液(样品3，实验时稀释了5倍)和Co(NO3)2净化液(样品4，实验时稀释了100倍)两个体系中Cu、Fe、Ni、Cd、Zn、Mn、Ca、Mg、Na、Si、As、S，进行加标回收试验，结果见表11。

图3 试验场地平面布置示意

图4 试验场地断面布置示意

其中，A1、A2、A3为直线工井，B1、B2为转角工井，C1、C2、C3为敞开式电缆沟，D1为桥面电缆沟，A1—B2间剩余为排管。试验场相关位置布置了输送机8台、托轮32只、电动滚轮15个，转角工井内转向滑车各9个。设置了A1、B1、B2、C3共4个测量位置，在电缆牵引头经过沿线13个关键点时同时记录相关数据进行分析。试验配备了检测记录装备，包括照相机、摄像机、记号笔、卡尺、砝码、拉力计等。

4 施工装备验证

本次对所有机械装备均进行了验证试验。其中，对牵引机采用张力计＋钢丝绳＋地锚＋牵引机多次试验分析出力示数的偏差并制订了修正方法；对线盘架进行了制动、正反转牵引力等试验并及时对不足之处进行了改进；对本次研制的带测力传感器的转向滑车进行测试后对结构和示数方式进行了较大改进；对托轮，输送机、电动滚轮，带测力装置的牵引头等进行了性能测试、参数校验和优化，以满足牵放施工工艺的要求。

其中，牵引机、线盘架、转向滑车仍有升级优化的空间，但不会影响本次真缆敷设的需要。

5 施工方法验证

5.1 牵放施工的同步性及不同步产生的影响

试验时，电动滚轮和输送机采用同步控制，电动调频线盘预置好对应的频率后独立控制，从静止加速至6 m/min均瞬时完成，牵引机为柴油机动力，从静止到挂挡加速至6 m/min耗时需要几秒，因此为保障“牵输送”同步，牵引时需要先开牵引机再同时开输送机和线盘，停止时先停输送机和线盘再停牵引机。

“牵输送”不同步可能对电缆产生不良影响，为此，我们进行了多种试验，其中采用2台输送机夹紧样缆，一台不动，另一台输送机按照夹紧力70 N·m输送，多次长时间观察电缆打滑的状态，发现有输送机橡胶粒子磨损脱落，电缆外皮经擦拭后没有变化，表明输送机施工过程中的打滑转动对电缆外皮没有损伤，即“牵输送”即使不同步对电缆外皮也没有不良影响。

5.2 纯牵引和输送机辅助的差异

为分析验证纯牵引和输送机辅助的差异，对“牵引机＋动力线盘＋输送机＋电动滚轮”的牵放系统进行了多次样缆牵引试验和分析如下：

1）牵引机＋动力线盘释放，全程输送机和电动滚轮辅助的模式：牵引头拉力最大为0.7 kN，所有转向滑车侧压力基本在2 kN以内，电缆无可见的变形。

2）牵引机＋动力线盘释放，只有过转角时采用输送机和电动滚轮辅助的模式：牵引头拉力达到第2个转角前最大为14 kN，第1个转角处的9个转向滑车侧压力多数在2 kN以下，个别转向滑车受力瞬间达到2.8 kN，也有个别转向滑车不受力，电缆无可见的变形。

3）全程仅采用牵引机＋动力线盘释放的模式：牵引头拉力达到第2个转角前最大仍为14 kN，第1个转角处的9个转向滑车侧压力多数仍在2 kN以下，个别转向滑车受力瞬间达到3.8 kN，仍有个别转向滑车不受力，电缆无可见的变形。

4）仅采用牵引到达终点，无输送机和电动滚轮辅助的情况下，牵引力最大为17 kN。

试验表明，在有2个90°大转角的293 m试验段，仅采用牵引力＋动力线盘释放，牵引力远小于设计许用值的27 kN，超导电缆各项指标没有变化。但每只导轮上的侧压力分布不均匀，转向滑车个别受力超过2 kN。增加输送机辅助后，转向滑车受力明显减少，但仍有分布不均的现象，虽然经观察和测量电缆无可见的变形，侧压力过大时受力的一般是超导电缆牵引头段，但需要对转向滑车的影响进行深入的分析和试验。

5.3 转向滑车的布置及影响

90°转角按照计算布置了9个转向滑车，其转弯半径计算为4 m。经仔细测绘，实际布置如图5所示，经检查有偏差，如B2工井转向滑车组实际半径约为3.5 m，转向角（包络角）未达到90°。

图5 B5工井转向滑车组布置实测

按照每个转向滑车压力2 kN，9个转向滑车均匀布置时合力如图6所示，每2个滑车间对应的圆心角为π/16，则在x、y方向的分力合力Fx＝Fy＝11.53 kN，F合＝15.77 kN，此时总牵引力F牵＝0.707F合＝11.14 kN，也是转向滑车牵引侧牵引力的控制值，与试验时牵引力达到14 kN时侧压力出现部分超2 kN的结论相符。

图6 转向滑车受力分析

另外，牵引钢丝绳、电缆牵引头保护管、电缆过转向滑车时，各滑车受力是不均匀的，其中保护管过B2转角工井时，9个转向滑车受力占比分析如表1所示。

由表1可见2个明显的规律：一是首个转向滑车受力大，是入线角度不是切线方向而加大了其受力；二是保护管经过的牵引方向的前一个滑车几乎不受力，是保护管刚性大引起的。

表1 保护管过B2转向滑车时各转向滑车受力占比分析

试验分析表明，转向滑车的其他规律如下：

1）各转向滑车受力不均匀，除了布置不均匀外，保护管及电缆的刚性也是原因之一。

2）转向滑车布置时应准确定位，保证各滑车的圆心角及在圆弧上均匀分布。

3）应保证电缆切线进出转向滑车组。

4）牵引过程中可能因牵引速度减慢，输送机超前等因素，造成转向过程中电缆脱离转向滑车，向外和向下窜动，滑车不受力及摩擦脚手架的情况，需要采用上下限位防护措施。

由于上述原因会出现电缆经过个别转向滑车侧压力瞬时大于2 kN的情况，虽经多次敷设和检查没有发现造成电缆外层变形的情况，但过大的侧压力会对电缆产生多大的影响需要研究。

5.4 侧压力与形变的影响

我们采用转向滑车倒挂加砝码的方法加载在电缆上，从200 kg起，逐步增加压力，每次停留不小于1 min，卸载前后观察测量电缆外层的变形情况，直至产生不可恢复的形变为止。试验布置如图7所示，其中串接拉力计用于同时验证砝码、转向滑车读数的准确性。

图7 电缆侧压力试验

从表2可以看出，转向滑车在超导电缆上方垂直下压力为2.50 kN时，电缆上表面与滑车接触点有轻微变形，增加到3.50 kN和4.24 kN时，电缆表面压点旁边和压点位置变形越来越严重，均不可恢复。

表2 侧压力试验变形情况分析

试验分析表明：超导电缆使用常规转向滑车时，接触面较小，侧压力不应大于2.50 kN，即应控制在约2 kN以内，若需改善，可采取相应的如增加轮径等措施。

6 结语

通过多次样缆在复杂路径“牵输送”的牵放施工试验，表明牵放同步性对电缆无不良影响，牵引力远小于设计许用值的27 kN。分析了电缆行进过程中对个别滑车的侧压力瞬时超过2 kN的原因，明确了转向滑车应均匀布置并应切线进出转向滑车组，证实了较长时间超过2 kN造成电缆的变形损伤是不可恢复的。验证了牵放施工过转向滑车时，采用转向前后增加输送机可将侧压力稳定控制在2 kN以内，真缆敷设时增加转向滑车数量可达到更好的效果。

试验期间还同步进行了其他试验及检测。方法方面如伸缩弧制作、测温光缆展放，施工规律验证如滑车摩擦因数测算、管材摩擦因数测算。超导电缆特性方面如敷设前后的伸长、形变、真空度及缆芯的伸缩变化测量。电缆装置方面如改进牵引头的可行性。设计方面如设计路径的高差、转角的合理性等，为真缆的牵引敷设做好充分准备。

致谢：感谢上海市电力公司、市南供电公司、上海电力设计院、上海电缆研究所、思南电力建设工程监理有限公司等单位的积极参与和强力支撑。