支柱式管形母線更換關鍵技術的研究

肖健

國網四川省電力公司檢修公司 四川成都 610041

管形母線（管母）主要用在輸電導線與變電站變壓器間導體連接、輸電線路中跳線、電力設備中連接導體、直流融冰裝置中過流導體，分為支柱絕緣子支撐式和懸式絕緣子串懸掛式兩類，有占地面積少、架構簡明、布置清晰、母線集膚效應系數小等優點，是輸變電系統中承載電流的關鍵設備，對電力系統的安全穩定運行作用重大。

1 管形母線更換概述

支柱式管形母線指使用支柱絕緣子支撐的管形母線，目前變電站管形母線材質有6063鋁錳硅合金、LF21Y鋁錳合金和LDRE稀土鋁合金等。管母更換工作包括施工準備、開箱檢查（報告檢查、材質檢驗、現場抽檢）、舊管母拆除、基礎復驗（軸線、標高、水平）、管母加工（配料、下料、裝配）、管母焊接、管母吊裝、安裝后調整、交接試驗等，其中對更換質量有重要影響的關鍵環節有材質檢驗、焊接、預拱、吊裝及吊裝后調整。

2 關鍵工藝質量控制措施

支柱式管形母線更換的關鍵工藝質量控制措施有以下幾方面：

2.1 材質檢驗

材質檢驗作為管母安裝質量的基礎，是設備、金具及耗材到貨后開展的第一工作，應嚴格按照設計文件和合同規定進行逐一核對。

管母檢查一般采用外觀檢查、資料檢查、現場試驗等方法，重點包括表面光滑平整，無裂紋損傷，壁厚均勻。規格、型號和材質符合設計單位要求，產品合格證齊全。管形母線軸線彎曲度符合規范要求（表1）[1]，彎曲度超過標準應進行校正。

表1 鋁合金管允許彎曲度

金具檢查包括襯管、終端球、封端蓋、阻尼線等，檢查表面是否光潔，有無毛刺，規格、型號應符合設計要求，產品合格證齊全。

焊接材料應檢查焊絲材質與管母匹配，合格證及試驗報告齊全。氬弧焊焊機滿足現場施工條件及焊接需求，保護氣體純度符合要求。焊接產品試件的檢驗試驗報告齊全，焊接工藝規程滿足現場工作需求。

2.2 管母焊接

管母焊接包含焊接工藝規程擬定、試件焊接及檢驗、管母加工、管母焊接、配件裝配等工序。

焊接工藝規程應由具有一定專業知識和相當實踐經驗的技術員擬定，試件焊接應由本單位技能熟練的焊工，使用本單位的焊接設備施焊。試件焊接檢驗項目至少應包括外觀檢查、無損檢測、力學性能試驗和彎曲試驗[2]。

管母加工：管母焊接接頭必須加工坡口[3]，坡口角度應根據管母壁厚來確定，具體參數依據設計文件要求或執行鋁母線焊接技術規程要求。接頭處應設補強孔，數量滿足設計圖紙要求。補強襯管長度滿足設計要求并與管母匹配，縱向軸向應位于焊口中央，襯管與管母的間隙應小于0.5mm，管母接頭加工示意圖如1所示。

圖1 管形母線接頭處加工示意圖

管母焊接[4]：焊接前管母對接部位兩側、襯管焊接部位、焊絲應除去氧化層。管母對口應平直，彎折偏移不應大于2%，中心線偏移不應大于0.5mm，管母對接間隙符合規范要求。焊點應避開支柱絕緣子固定位置及隔離開關靜觸頭夾具，保持焊縫距夾具邊緣≥50mm。

焊接宜采用氬弧焊，直徑大于300mm對接接頭采用對接焊。焊接現場應采取防風措施，每道焊縫應連續施焊，過程中不得中斷氬氣保護。焊接時應將襯管置于管母接頭中間位置，首先在補強孔處進行定位焊接，再將管母與襯管接頭坡口處進行固定焊接，焊接成形后管母待冷卻后方可挪動。

焊接后應進行焊縫檢查，管母對接焊縫應有2-4mm余高，所有焊縫、焊點應平整、光滑。330kV及以上電壓的硬母線焊縫應呈圓弧形，不應有毛刺、凹凸不平。在重要導電部位及主要受力部位，對接焊縫應進行射線抽檢合格。若焊接接頭經檢查有超出標準的缺陷時，應查明原因，制定措施進行返修。

2.3 管母預拱

室外環境中管母受跨度、自重、風阻、覆冰和電動力等因素影響會產生弧垂現象，如果受力分析及設計參數不合理容易引發安全事故，因此在管母安裝前應根據產品材質及設備結構的具體情況開展管母撓性計算，并根據計算結果決定是否進行預拱處理。

細長物體（梁、柱）的撓度是指物體在變形時其軸線上各點在該點處軸線法平面內的位移量。運行狀態下管母撓度不僅受自重、風、覆冰等靜載荷因素的影響，還受到電動力、地震力等動載荷因素影響，在計算上是動靜載荷多個參數共同疊加作用下的總和。

撓度的計算公式[5]為f=f1+f2（mm），f1為均勻載荷撓度，f2為集中載荷撓度。對于跨距不同、截面相同的管母來說，式中f1為管母、阻尼線自重產生的撓度（忽略補強襯管等重量不均勻位置），f2為隔離開關靜觸頭、補強襯管等重量產生的撓度。

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

上式中，E：管形母線彈性模量，kg/mm2。

J：慣性矩，J=π（D4-d4）/64，mm4，

其中D為管形母線外徑，d為管形母線內徑，mm。

L：兩支撐點間距，mm。

q：管形母線（包括管管內部的阻尼線）單位長度質量，kg/mm。

G1：隔離開關靜觸頭質量，kg。

實際生產工作現場由于管母材質不同、管母跨間結構不同、配套金具及設備的重量不同，管母擾度的計算參數需根據設備具體情況來開展相應的分析計算。

在計算出管母撓度值后開展計算值與設計值的對比，《電力工程電氣設計手冊》推薦對大容量或重要配電裝置的支柱式管形母線，在無冰無風的條件下，以跨中撓度不大于D/2（D為管形母線外徑）作為選擇管形母線的剛度控制條件，因此管母撓度計算值應不超過該指標。不同規程對管母的設計撓度值要求有所不同，如果計算值小于D/4（D為管母外徑），現場可不進行預拱[6]，反之則需要進行預拱處理。

管母預拱可采用人工預拱或機械預拱的方法，原理是通過外力作用使管母產生塑性變形抵消自然弧垂的影響。人工預拱一般采用兩點或多點拉力成型的方法，在管母預彎位置做好標志，逐次增大拉力，同時做好記錄。機械預拱是指借助自動化機械設備進行管母預拱操作，近年來新研發的機械預拱設備較多，目前已有較多產品可供選擇。

由于撓度的計算存在一定前提條件，因此理論計算值和現場實測值存在一定程度的偏差。在現場工作中也采取實測撓度法，具體是先選取任一位置試做一根管母，將管母吊裝至支柱絕緣子后實測其撓度值，然后進行實測值與要求值的對比，根據結果決定是否進行預拱，如果偏差超大要進行預拱處理，按照要求對管母預拱后再進行安裝，其他同位置的管母按照該實測撓度值進行統一處理。

相比理論計算法，現場實測法增加了額外的工作量，考慮到管母規格和不同位置管母長度的差異性，有時需選取多個樣本進行實測，工作效率較低。通過現場大量數據對比，一般理論計算法與現場實測法的偏差值在可接受范圍內，兩者均可得到管母的撓度值。

2.4 管母吊裝

管母吊裝包括吊裝前準備、吊裝過程控制、管母緊固及調整等。

吊裝前準備包括支柱絕緣子檢查、吊機及吊具準備、管母檢查等。支柱絕緣子檢查是復核管母安裝的基礎軸線、水平線、標高相一致。由于管母普遍較長通常需采取多吊機吊裝，現場宜安排同品牌同型號吊機及配套吊具，吊裝時由司索統一指揮。管母檢查包括管母外觀檢查、管母連接金具檢查、終端球滴水孔檢查等。

吊裝時應采取多點起吊方式，吊裝前應在管母兩端各設一條牽引繩進行位置控制，防止吊裝時管母旋轉或滯空時管母擺動誤碰其他設備。當管母吊離地面時應再次清潔管母表面，并應在管母最低點開直徑6mm滴水孔。吊裝過程應控制始終保持管母的水平，兩端高差不大于500mm。

管母吊裝到安裝位置后應對管母及其對連接金具位置進行調整，連接金具分為固定支持金具、滑動支持金具。管母在支柱絕緣子上的固定支持金具每段應設置一個，宜位于全長或兩母線伸縮節的中點。在進行管母和連接金具的安裝時應檢查管母與支持金具的配合情況。管母在滑動支持金具處應能自由伸縮，滑動支持金具軸座與管母之間應有1-2mm的間隙。管母吊裝后的調整工作需反復檢查，確保管母與支柱絕緣子的軸線中心相一致，同相管段的軸向處于同一垂直面，三相母線管段的軸向相互平行。

在調整工作完成后進行螺栓緊固，應將螺栓由下向上穿、螺母在上方進行緊固處理。若因特殊原因無法保證螺栓穿入方向，應將螺母置于便于維護側，螺栓長度宜露出螺母2-3螺扣。

2003年1月4日，220kV華容變220kV1號管母支柱瓷瓶斷裂、管母跌落，原因為支持管母的金具在公差配合上不滿足滑動配合要求，以及管母運行多年后內部積水、蠕動變形等使撓度加大。

該事件是由多個原因疊加造成的設備故障，通過前文所列的管母更換關鍵技術的管控措施是可以消除的。在管母安裝前開展撓度計算及預拱處理可以有效防止管母安裝后應力過大。在管母吊裝前最低位置開排水孔可以防止管母內部積水。在管母安裝后檢查管母與支持管母固定金具的滑動配合情況，管母滑動支持金具在母線熱脹冷縮時，母線連同其固定金具緊固件能通過滑桿在金具底座槽內滑動，從而避免將母線的伸縮應力傳遞給支柱瓷瓶。

3 結語

隨著國家“新基建”政策的落地執行，特高壓等電力建設的發展將進一步提速，老舊管母由于存在短路電流能力不足等問題必然會進行升級改造，管母的更換質量將越來越受到重視，提高管母更換工藝質量是變電站變電檢修維護工作必須考慮的關鍵問題。

本文通過總結大量管母更換實踐經驗，對照國內外先進工藝標準，分析運行維護過程中典型案例，從材料檢驗、焊接質量、預拱處理、吊裝方法、安裝后調整等關鍵環節對支柱式管母更換進行研究，能夠有效消除常見質量缺陷，有效提升管母更換工藝質量，能夠為類似工程提供參考，具有較強的實踐性和指導性。