既有線牽引變電所110 kV跨橋母線更換方法研究

林 紅，陳華杰

0 引言

近年來，隨著我國高速鐵路里程的不斷增加，作為電氣化鐵路的重要組成部分，牽引變電所設(shè)備老化、運(yùn)能不足逐漸突顯，設(shè)備設(shè)施的改造、更換、升級需求日益突出。

由于各時期建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不同，以及各地區(qū)環(huán)境特點(diǎn)不同，牽引變電所的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行組織比較復(fù)雜，存在多樣性。在對運(yùn)行中的牽引變電所進(jìn)行設(shè)備升級改造施工時，既要考慮到保證鐵路運(yùn)輸安全，又要保證在規(guī)定的時間內(nèi)完成施工任務(wù)，否則將會對行車組織造成影響。

對于外部供電，德國、法國、日本均采用了高壓供電的電氣化形式[1]。日本新干線多采用275 kV電壓制式，法國大部分牽引變電所采用225 kV電壓制式，德國電壓制式為110 kV，其牽引網(wǎng)比較特殊，采用15 kV/16.7 Hz鐵路專用供電制式。這些國家對高速電氣化鐵路的運(yùn)營管理和牽引供電設(shè)備維修維護(hù)的模式、方法有少量探討，但未見跨橋母線更換施工方案相關(guān)文獻(xiàn)。研究如何在規(guī)定時 間內(nèi)，不影響當(dāng)前變電所運(yùn)行的情況下合理實現(xiàn)跨橋母線的更換，對牽引變電所的設(shè)備改造工程具有實際指導(dǎo)意義。本文結(jié)合實際工程案例，對單側(cè)供電方式下既有線牽引變電所跨橋母線更換方案進(jìn)行研究。

1 工程概況

京廣鐵路安陽至孟廟段牽引供電設(shè)施改造工程，含鄭州鐵路局管內(nèi)正線321.2 km，共有6座牽引變電所需要改造施工。供電方式為AT供電方式和直供加回流供電方式，其中新鄉(xiāng)所、淇縣所、湯陰所均為兩回110 kV進(jìn)線，兩回進(jìn)線間設(shè)跨條隔離開關(guān)，進(jìn)線互為備用[2]。變電所采用橋式接線，又稱母線橋，跨接斷路器將2條電源引入線與2臺變壓器聯(lián)系起來的主接線見圖1。

圖1 110 kV進(jìn)線電源及跨橋母線供電示意圖

其中，110 kV母聯(lián)跨橋母線已運(yùn)行20年。根據(jù)中國國家鐵路集團(tuán)（原中國鐵路總公司）《牽引變電所運(yùn)行檢修規(guī)程》規(guī)定，牽引變電所高壓母線大修周期為10～15年，為確保鐵路運(yùn)輸正常及牽引供電設(shè)備自身安全，必須更換110 kV跨橋母線[3]。

目前在鐵路行業(yè)，牽引變電所110 kV跨橋母線更換施工大都采用“越區(qū)供電后、全所停電”方式。但本次改造施工變電所均處于繁忙干線京廣線上，實施越區(qū)供電后，線路電壓壓降較大，客運(yùn)列車和貨運(yùn)列車均要限制通行，可能會造成京廣線客運(yùn)列車和貨運(yùn)列車大面積晚點(diǎn)，產(chǎn)生較大的社會影響和經(jīng)濟(jì)損失。此外，從技術(shù)角度考慮，新鄉(xiāng)牽引變電所供電饋出回路較多，共計10回路，改造施工影響范圍大，全所停電施工計劃無法批復(fù)；廣武牽引變電所供電饋出回路涉及到鄭太客運(yùn)專線鄭焦段的供電，對鄭焦段客運(yùn)列車運(yùn)行影響較大。綜上，因?qū)﹁F路運(yùn)輸管理及行車調(diào)度均有較大影響，“全所停電施工”方案無法實施。為滿足鐵路運(yùn)輸和改造工程實際需求，需采用安全風(fēng)險低、實施性強(qiáng)、施工效率高的施工方案，以完成施工任務(wù)，并保障施工人員人身安全及鐵路行車安全。

2 跨橋母線更換影響因素分析及方案確定

本次改造工程變電所跨橋母線在110 kV 1#進(jìn)線和110 kV 2#進(jìn)線正下方，母聯(lián)隔離開關(guān)在母聯(lián)跨橋母線的正下方，形成上中下3層供電回路。

2.1 影響因素分析

因跨橋母線直接與110 kV進(jìn)線連接，其斷電將直接導(dǎo)致變電所全所停電，其他技術(shù)問題也基本是由于無法全所停電造成。

（1）結(jié)構(gòu)因素。因跨橋母線處為上中下3層結(jié)構(gòu)，其中上、中層均為帶電設(shè)備，無法停電，且空間有限，不利于更換施工的進(jìn)行。

（2）感應(yīng)電壓因素?？鐦蚰妇€處于110 kV進(jìn)線端，導(dǎo)致此處感應(yīng)電壓較高，110 kV跨橋母線門型架構(gòu)無法攀爬，無法直接更換母聯(lián)跨橋母線。

（3）安全距離因素。不管是跨橋母線的結(jié)構(gòu)，還是跨橋母線引起的感應(yīng)電壓，均導(dǎo)致此處的安全距離不足，需要采取增加安全距離或安全隔離等措施解決該問題。安全距離不足是導(dǎo)致110 kV跨橋母線無法順利更換的關(guān)鍵因素。

因此，從技術(shù)角度分析，實施跨橋母線的更換需要從以上3個方面入手。由于本次更換施工采用不停電作業(yè)，跨橋母線的電壓無法消除，感應(yīng)電壓也無法消除，同時跨橋母線的結(jié)構(gòu)受限于變電所設(shè)備的設(shè)置也無法變更，因此，只能考慮從改變安全距離入手才具備實施可能性。

2.2 跨橋母線更換方案的確定

相同氣象條件下，人員與設(shè)備的絕緣距離要求與電壓有關(guān)，即同等電壓等級情況下，絕緣距離要求是確定的，只要做到使安全距離達(dá)到絕緣距離要求即可。通常采用如下方法：

（1）增加隔離。普通涉電工程施工現(xiàn)場通常采用常規(guī)的隔離防護(hù)措施，如設(shè)置防護(hù)網(wǎng)架、懸掛警示牌等。在此次施工中也可采用類似的隔離措施，考慮采用懸掛絕緣板隔離帶電設(shè)備的方法實現(xiàn)安全距離的增大。

（2）增加距離。接觸網(wǎng)專業(yè)中有電分段的概念，即通過在合適的位置設(shè)置相應(yīng)的分段絕緣器，按照實際需求靈活實現(xiàn)供電線路的分段供電。根據(jù)電分段的工作原理，可將110 kV跨橋母線單側(cè)絕緣子增加硅橡膠絕緣子和加長杵環(huán)桿，以增大安全距離，見圖2。

圖2 增加硅橡膠絕緣子并加長杵環(huán)桿后供電示意圖

采用隔離防護(hù)方案時，懸掛的絕緣板會因下方無法完全固定而晃動，感應(yīng)電壓并未減小，對人身和設(shè)備安全仍然造成一定隱患，且所內(nèi)帶電環(huán)境復(fù)雜，安裝懸掛絕緣板存在一定安全風(fēng)險。而采用增加硅橡膠絕緣子和加長杵環(huán)桿來增大安全距離的方案更為適用。該方案安全距離大、感應(yīng)電壓小、穩(wěn)固性強(qiáng)，且施工現(xiàn)場實施方便。

3 跨橋母線更換實施流程及效率分析

跨橋母線更換施工是在變電所不停電的情況下實施，因此，施工過程應(yīng)分為過渡施工、正式更換施工。其中過渡施工是為增加安全距離而采取的必要手段，正式施工是在過渡施工的基礎(chǔ)上完成1#系統(tǒng)和2#系統(tǒng)的跨橋母線的更換。施工過程為單向且逐項進(jìn)行，不可同時作業(yè)。

3.1 過渡施工

施工前，應(yīng)計算安裝尺寸和絕緣距離等參數(shù)，制作合適的新跨橋母線，根據(jù)施工方案的分析和實施單位的實際情況，對絕緣子和杵環(huán)桿進(jìn)行比對選型，見圖3。

圖3 關(guān)鍵設(shè)備對比分析

經(jīng)過分析對比，確定選用硅橡膠絕緣子和Φ16 mm、長1 130 mm的杵環(huán)桿。在更換跨橋母線過渡施工中加裝110 kV硅橡膠絕緣子，重量較輕，利于操作；其絕緣長度為1 300 mm，足以保證施工人員安全攀爬變電所中間門型架構(gòu)進(jìn)行作業(yè)。確定選型后進(jìn)行必要的連接和組裝。

在過渡施工階段，在退出運(yùn)行并停電的系統(tǒng)（假設(shè)為1#系統(tǒng)）中采取良好的接地等防護(hù)措施，在跨橋母線與耐張絕緣子串之間加裝必要的復(fù)合絕緣子作為過渡，以增加安全距離，保障人身與設(shè)備安全。

具體過渡施工流程：若變電所運(yùn)行狀態(tài)為2#進(jìn)線+2#主變運(yùn)行，申請1#系統(tǒng)停電（斷開進(jìn)線隔離開關(guān)），辦理第一種工作票，退出進(jìn)線及主變備自投。采取相應(yīng)的安全防護(hù)措施：其中軟硬隔離設(shè)置見圖4，接地線位置見圖5。

圖4 過渡施工軟硬隔離示意圖

圖5 過渡施工接地示意圖

之后，在1001GK靠1YH側(cè)組立腳手架，在1#系統(tǒng)跨橋母線靠近中間門型架構(gòu)處加裝1組（3相）110 kV復(fù)合絕緣子。施工完畢后，恢復(fù)安全措施，結(jié)束工作票。向電調(diào)申請變電所由2#進(jìn)線+2#B改為1#進(jìn)線+1#B運(yùn)行，系統(tǒng)試運(yùn)行至次日8時。

本次施工中，變電所為單系統(tǒng)運(yùn)行，參與施工的各單位、部門應(yīng)做好越區(qū)應(yīng)急準(zhǔn)備。

施工完成后跨橋母線耐張絕緣子串更換為耐張絕緣子串加復(fù)合絕緣子的形式，見圖6。

圖6 過渡施工完成示意圖

3.2 2#系統(tǒng)正式施工

在過渡施工完成，安全距離得到保證后，申請變電所由2#進(jìn)線+2#主變運(yùn)行改為1#進(jìn)線+1#主變運(yùn)行，2#系統(tǒng)停電（斷開進(jìn)線隔離開關(guān)），進(jìn)行2#系統(tǒng)跨橋母線更換，新跨橋母線安裝需要在中間架構(gòu)端加裝1組（3相）1 130 mm杵環(huán)桿。采取良好的接地等防護(hù)措施，軟硬隔離設(shè)置見圖7，接地線位置見圖8。

圖7 2#系統(tǒng)施工示意圖

圖8 2#系統(tǒng)施工接地示意圖

其中，過渡工程中完成耐張絕緣子串與復(fù)合絕緣子間母線處掛地線。拆除原有的2#系統(tǒng)跨橋母線，并將提前預(yù)制的已加裝加長杵環(huán)桿的跨橋母線安裝并調(diào)整到位。具體施工步驟如下：

（1）將1001GK、1022GK、1023GK引線從設(shè)備線夾處剪斷（或松掉壓線螺栓抽出引線），在2#系統(tǒng)跨橋母線下方組裝1組兩層腳手架，將進(jìn)線母線與跨橋母線間引下線下端線夾拆除；

（2）兩門型構(gòu)架分別由2組人員將2#系統(tǒng)跨橋母線及其引下線拆除放下（先放中間側(cè)，再放壓互側(cè)）；

（3）兩門型構(gòu)架分別由2組人員將提前預(yù)制好的跨橋母線及引下線懸掛并調(diào)整（預(yù)制的母線已加裝杵環(huán)桿）；

（4）將1002GK、1022GK、1023GK與其引下線連接，將2#進(jìn)線母線與跨橋母線間引下線連接；

（5）投入主變及進(jìn)線備自投，恢復(fù)措施；

（6）向電調(diào)申請變電所由1#進(jìn)線+1#B改為2#進(jìn)線+2#B運(yùn)行。

2#系統(tǒng)跨橋母線施工完成后，跨橋母線耐張絕緣子串與加長杵環(huán)桿連接在一起，更換前跨橋母線局部及更換后跨橋如圖9所示。

圖9 2#系統(tǒng)施工完成前后

3.3 1#系統(tǒng)正式施工

在2#系統(tǒng)施工完成、杵環(huán)桿加裝、安全距離得到保證后，將2#系統(tǒng)設(shè)置為運(yùn)行系統(tǒng)，1#系統(tǒng)退出運(yùn)行，斷電并采取良好的接地等防護(hù)措施。拆除原有的1#系統(tǒng)跨橋母線，并將提前預(yù)制的已加裝加長杵環(huán)桿的跨橋母線安裝并調(diào)整到位。1#系統(tǒng)施工步驟與2#系統(tǒng)一致，不再贅述。

各階段施工過程中，變電所供電正常，但此時處于進(jìn)線無備用狀態(tài)。施工期間若出現(xiàn)故障，無法滿足供電，需向電調(diào)申請越區(qū)供電，應(yīng)提前做好越區(qū)供電并限制行車等應(yīng)急措施。

3.4 更換方案的實施效率分析

行業(yè)內(nèi)“更換110 kV跨橋母線”的施工方法大多為全所停電，分2組施工人員同時進(jìn)行1#進(jìn)線跨橋母線更換和2#進(jìn)線跨橋母線更換，更換時間平均為約4 h。在更換過程中，鐵路供電處于越區(qū)狀態(tài)，行車組織受到影響。

而本文所述施工流程為1#進(jìn)線系統(tǒng)和2#進(jìn)線系統(tǒng)分別單側(cè)停電，1#、2#進(jìn)線系統(tǒng)互為備用。1#和2#進(jìn)線系統(tǒng)分別單側(cè)停電執(zhí)行第一種作業(yè)票施工，不占用施工天窗，意味著更換跨橋母線可以全天候施工，時間充裕，不存在天窗點(diǎn)延遲的風(fēng)險。

經(jīng)現(xiàn)場實際多次推演，測算1#和2#進(jìn)線系統(tǒng)分別單側(cè)停電，每個施工環(huán)節(jié)的占用時間，并制定110 kV跨橋母線施工推演時間測試統(tǒng)計表，見表1。

表1 110 kV跨橋母線施工推演時間測試統(tǒng)計

4 施工階段 新制作母聯(lián)跨橋軟母線安裝 20 30 30 20 5 施工階段 母聯(lián)隔離開關(guān)進(jìn)出引線安裝連接 20 30 20 30 三 1#進(jìn)線停電進(jìn)行更換跨橋母線施工，2#進(jìn)線系統(tǒng)主供（同二，略） 合計 145 235 195 185

根據(jù)上述推演數(shù)據(jù)分析，1#和2#進(jìn)線系統(tǒng)停電施工平均時間為t= (145+235+195+185)÷4 = 190 min。通過測試統(tǒng)計可知，本文所述施工方法在理論上是完全可行的，且相比于傳統(tǒng)方法，不影響供電安全，安全風(fēng)險低，實施性強(qiáng)，實施效率更高。

在現(xiàn)場實際施工中，經(jīng)科學(xué)組織，合理制定施工具體方案，1#進(jìn)線系統(tǒng)既有母聯(lián)跨橋軟母線及母聯(lián)隔離開關(guān)進(jìn)出引線進(jìn)行更換施工合計用時120 min，即2 h?？鐦蚰妇€更換后送電運(yùn)行正常。2#進(jìn)線系統(tǒng)既有母聯(lián)跨橋軟母線及母聯(lián)隔離開關(guān)進(jìn)出引線進(jìn)行更換施工合計用時68 min，即1.13 h?？鐦蚰妇€更換后送電運(yùn)行正常。

實施效果檢查：經(jīng)與綜合自動化系統(tǒng)主站核對數(shù)據(jù)確認(rèn)，1#、2#系統(tǒng)運(yùn)行正常，電壓、電流、設(shè)備溫度等數(shù)據(jù)正常。

1#和2#進(jìn)線系統(tǒng)跨橋母線更換合計用時3.13 h比傳統(tǒng)采用全所停電方式時間（4 h）縮短近1 h。通過對6座牽引變電所跨橋母線更換的時間統(tǒng)計，平均用時3.32 h，解決了110 kV跨橋母線無法全所停電更換施工的難題，實現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。

4 跨橋母線更換施工關(guān)聯(lián)預(yù)案

施工應(yīng)急預(yù)案應(yīng)體現(xiàn)人員安全優(yōu)先、行車安全優(yōu)先、控制事故蔓延優(yōu)先和“先防護(hù)后處理”的原則。因上述跨橋母線更換施工時，變電所處于無備用狀態(tài)，因此應(yīng)做好越區(qū)供電，防人身傷害事故、觸電、火災(zāi)等應(yīng)急措施。

為確保改造工程安全目標(biāo)的實現(xiàn)，應(yīng)建立以項目經(jīng)理為核心，以各相關(guān)部門為依托，各作業(yè)隊為具體執(zhí)行單位的安全保障網(wǎng)絡(luò)和安全保障體系。對體系內(nèi)各成員、小組的施工目標(biāo)進(jìn)行分配，對更換施工中涉及到高空作業(yè)、帶電作業(yè)等項目的人身、設(shè)備安全注意事項進(jìn)行細(xì)化分類。

為確保變電所正常供電運(yùn)行，保證新設(shè)備投運(yùn)后可靠運(yùn)行，應(yīng)制定行車組織方案。首先，設(shè)備運(yùn)營單位應(yīng)與施工單位、配合單位共同召開施工協(xié)調(diào)會，確認(rèn)天窗點(diǎn)施工關(guān)鍵控制流程；制定越區(qū)供電方案，確認(rèn)越區(qū)供電倒閘程序和恢復(fù)供電倒閘程序，并對越區(qū)供電區(qū)段的電力機(jī)車數(shù)量進(jìn)行限制[4]。

5 結(jié)語

本次牽引變電所110 kV進(jìn)線側(cè)高壓跨橋母線更換是在單側(cè)供電條件下進(jìn)行的。通過對此次施工特點(diǎn)的分析，得出如下結(jié)論：

（1）跨橋母線更換工程考慮因素包括母線及附近設(shè)備的結(jié)構(gòu)、感應(yīng)電壓、安全距離等；

（2）改變安全距離是實現(xiàn)單側(cè)供電條件下跨橋母線更換的唯一途徑，本次工程采用復(fù)合絕緣子和加長杵環(huán)桿增加安全距離的方式；

（3）跨橋母線更換施工應(yīng)分階段進(jìn)行，分為過渡施工、2#進(jìn)線系統(tǒng)施工、1#進(jìn)線系統(tǒng)施工3個階段，且施工順序不可更改[5]；

（4）跨橋母線更換施工需要制定應(yīng)急措施、人身安全、行車組織等關(guān)聯(lián)預(yù)案。

本文通過實際的改造工程案例，對110 kV跨橋母線更換施工的關(guān)鍵步驟、流程進(jìn)行了深入分析，總結(jié)出了一套成熟的施工方案，并制定一系列應(yīng)急措施，以有效保障施工人員人身安全及鐵路行車安全，對類似施工具有一定參考價值。