支柱式管形母线更换关键技术的研究

时间：2024-04-25

肖健

国网四川省电力公司检修公司四川成都 610041

管形母线（管母）主要用在输电导线与变电站变压器间导体连接、输电线路中跳线、电力设备中连接导体、直流融冰装置中过流导体，分为支柱绝缘子支撑式和悬式绝缘子串悬挂式两类，有占地面积少、架构简明、布置清晰、母线集肤效应系数小等优点，是输变电系统中承载电流的关键设备，对电力系统的安全稳定运行作用重大。

1 管形母线更换概述

支柱式管形母线指使用支柱绝缘子支撑的管形母线，目前变电站管形母线材质有6063铝锰硅合金、LF21Y铝锰合金和LDRE稀土铝合金等。管母更换工作包括施工准备、开箱检查（报告检查、材质检验、现场抽检）、旧管母拆除、基础复验（轴线、标高、水平）、管母加工（配料、下料、装配）、管母焊接、管母吊装、安装后调整、交接试验等，其中对更换质量有重要影响的关键环节有材质检验、焊接、预拱、吊装及吊装后调整。

2 关键工艺质量控制措施

支柱式管形母线更换的关键工艺质量控制措施有以下几方面：

2.1 材质检验

材质检验作为管母安装质量的基础，是设备、金具及耗材到货后开展的第一工作，应严格按照设计文件和合同规定进行逐一核对。

管母检查一般采用外观检查、资料检查、现场试验等方法，重点包括表面光滑平整，无裂纹损伤，壁厚均匀。规格、型号和材质符合设计单位要求，产品合格证齐全。管形母线轴线弯曲度符合规范要求（表1）[1]，弯曲度超过标准应进行校正。

表1 铝合金管允许弯曲度

金具检查包括衬管、终端球、封端盖、阻尼线等，检查表面是否光洁，有无毛刺，规格、型号应符合设计要求，产品合格证齐全。

焊接材料应检查焊丝材质与管母匹配，合格证及试验报告齐全。氩弧焊焊机满足现场施工条件及焊接需求，保护气体纯度符合要求。焊接产品试件的检验试验报告齐全，焊接工艺规程满足现场工作需求。

2.2 管母焊接

管母焊接包含焊接工艺规程拟定、试件焊接及检验、管母加工、管母焊接、配件装配等工序。

焊接工艺规程应由具有一定专业知识和相当实践经验的技术员拟定，试件焊接应由本单位技能熟练的焊工，使用本单位的焊接设备施焊。试件焊接检验项目至少应包括外观检查、无损检测、力学性能试验和弯曲试验[2]。

管母加工：管母焊接接头必须加工坡口[3]，坡口角度应根据管母壁厚来确定，具体参数依据设计文件要求或执行铝母线焊接技术规程要求。接头处应设补强孔，数量满足设计图纸要求。补强衬管长度满足设计要求并与管母匹配，纵向轴向应位于焊口中央，衬管与管母的间隙应小于0.5mm，管母接头加工示意图如1所示。

图1 管形母线接头处加工示意图

管母焊接[4]：焊接前管母对接部位两侧、衬管焊接部位、焊丝应除去氧化层。管母对口应平直，弯折偏移不应大于2%，中心线偏移不应大于0.5mm，管母对接间隙符合规范要求。焊点应避开支柱绝缘子固定位置及隔离开关静触头夹具，保持焊缝距夹具边缘≥50mm。

焊接宜采用氩弧焊，直径大于300mm对接接头采用对接焊。焊接现场应采取防风措施，每道焊缝应连续施焊，过程中不得中断氩气保护。焊接时应将衬管置于管母接头中间位置，首先在补强孔处进行定位焊接，再将管母与衬管接头坡口处进行固定焊接，焊接成形后管母待冷却后方可挪动。

焊接后应进行焊缝检查，管母对接焊缝应有2-4mm余高，所有焊缝、焊点应平整、光滑。330kV及以上电压的硬母线焊缝应呈圆弧形，不应有毛刺、凹凸不平。在重要导电部位及主要受力部位，对接焊缝应进行射线抽检合格。若焊接接头经检查有超出标准的缺陷时，应查明原因，制定措施进行返修。

2.3 管母预拱

室外环境中管母受跨度、自重、风阻、覆冰和电动力等因素影响会产生弧垂现象，如果受力分析及设计参数不合理容易引发安全事故，因此在管母安装前应根据产品材质及设备结构的具体情况开展管母挠性计算，并根据计算结果决定是否进行预拱处理。

细长物体（梁、柱）的挠度是指物体在变形时其轴线上各点在该点处轴线法平面内的位移量。运行状态下管母挠度不仅受自重、风、覆冰等静载荷因素的影响，还受到电动力、地震力等动载荷因素影响，在计算上是动静载荷多个参数共同叠加作用下的总和。

挠度的计算公式[5]为f=f1+f2（mm），f1为均匀载荷挠度，f2为集中载荷挠度。对于跨距不同、截面相同的管母来说，式中f1为管母、阻尼线自重产生的挠度（忽略补强衬管等重量不均匀位置），f2为隔离开关静触头、补强衬管等重量产生的挠度。

其中，f1=（5qL4）/（384EJ），f2=（G1L3）/（48EJ）。

上式中，E：管形母线弹性模量，kg/mm2。

J：惯性矩，J=π（D4-d4）/64，mm4，

其中D为管形母线外径，d为管形母线内径，mm。

L：两支撑点间距，mm。

q：管形母线（包括管管内部的阻尼线）单位长度质量，kg/mm。

G1：隔离开关静触头质量，kg。

实际生产工作现场由于管母材质不同、管母跨间结构不同、配套金具及设备的重量不同，管母扰度的计算参数需根据设备具体情况来开展相应的分析计算。

在计算出管母挠度值后开展计算值与设计值的对比，《电力工程电气设计手册》推荐对大容量或重要配电装置的支柱式管形母线，在无冰无风的条件下，以跨中挠度不大于D/2（D为管形母线外径）作为选择管形母线的刚度控制条件，因此管母挠度计算值应不超过该指标。不同规程对管母的设计挠度值要求有所不同，如果计算值小于D/4（D为管母外径），现场可不进行预拱[6]，反之则需要进行预拱处理。

管母预拱可采用人工预拱或机械预拱的方法，原理是通过外力作用使管母产生塑性变形抵消自然弧垂的影响。人工预拱一般采用两点或多点拉力成型的方法，在管母预弯位置做好标志，逐次增大拉力，同时做好记录。机械预拱是指借助自动化机械设备进行管母预拱操作，近年来新研发的机械预拱设备较多，目前已有较多产品可供选择。

由于挠度的计算存在一定前提条件，因此理论计算值和现场实测值存在一定程度的偏差。在现场工作中也采取实测挠度法，具体是先选取任一位置试做一根管母，将管母吊装至支柱绝缘子后实测其挠度值，然后进行实测值与要求值的对比，根据结果决定是否进行预拱，如果偏差超大要进行预拱处理，按照要求对管母预拱后再进行安装，其他同位置的管母按照该实测挠度值进行统一处理。

相比理论计算法，现场实测法增加了额外的工作量，考虑到管母规格和不同位置管母长度的差异性，有时需选取多个样本进行实测，工作效率较低。通过现场大量数据对比，一般理论计算法与现场实测法的偏差值在可接受范围内，两者均可得到管母的挠度值。

2.4 管母吊装

管母吊装包括吊装前准备、吊装过程控制、管母紧固及调整等。

吊装前准备包括支柱绝缘子检查、吊机及吊具准备、管母检查等。支柱绝缘子检查是复核管母安装的基础轴线、水平线、标高相一致。由于管母普遍较长通常需采取多吊机吊装，现场宜安排同品牌同型号吊机及配套吊具，吊装时由司索统一指挥。管母检查包括管母外观检查、管母连接金具检查、终端球滴水孔检查等。

吊装时应采取多点起吊方式，吊装前应在管母两端各设一条牵引绳进行位置控制，防止吊装时管母旋转或滞空时管母摆动误碰其他设备。当管母吊离地面时应再次清洁管母表面，并应在管母最低点开直径6mm滴水孔。吊装过程应控制始终保持管母的水平，两端高差不大于500mm。

管母吊装到安装位置后应对管母及其对连接金具位置进行调整，连接金具分为固定支持金具、滑动支持金具。管母在支柱绝缘子上的固定支持金具每段应设置一个，宜位于全长或两母线伸缩节的中点。在进行管母和连接金具的安装时应检查管母与支持金具的配合情况。管母在滑动支持金具处应能自由伸缩，滑动支持金具轴座与管母之间应有1-2mm的间隙。管母吊装后的调整工作需反复检查，确保管母与支柱绝缘子的轴线中心相一致，同相管段的轴向处于同一垂直面，三相母线管段的轴向相互平行。

在调整工作完成后进行螺栓紧固，应将螺栓由下向上穿、螺母在上方进行紧固处理。若因特殊原因无法保证螺栓穿入方向，应将螺母置于便于维护侧，螺栓长度宜露出螺母2-3螺扣。

2003年1月4日，220kV华容变220kV1号管母支柱瓷瓶断裂、管母跌落，原因为支持管母的金具在公差配合上不满足滑动配合要求，以及管母运行多年后内部积水、蠕动变形等使挠度加大。

该事件是由多个原因叠加造成的设备故障，通过前文所列的管母更换关键技术的管控措施是可以消除的。在管母安装前开展挠度计算及预拱处理可以有效防止管母安装后应力过大。在管母吊装前最低位置开排水孔可以防止管母内部积水。在管母安装后检查管母与支持管母固定金具的滑动配合情况，管母滑动支持金具在母线热胀冷缩时，母线连同其固定金具紧固件能通过滑杆在金具底座槽内滑动，从而避免将母线的伸缩应力传递给支柱瓷瓶。