常規路徑公里級35 kV高溫超導電纜的牽放施工

徐 坤 于天剛 蔡俊杰 殷 赟

上海送變電工程有限公司 上海 200235

國內首條長30 m的35 kV室溫超導電纜2004年在云南投運，同年長75 m的10 kV室溫超導電纜在甘肅白銀投運，首條長50 m的35 kV高溫超導電纜示范線路2013年在上海投運……。至今國內現有超導電纜共同的特點均是百米級的短距離輸電，路徑均采用專用地面橋架方式，敷設均是以鋪放為主，在長距離高溫超導電纜敷設方面沒有過多的借鑒經驗[1-3]。本次上海35 kV超導電纜試驗示范工程是世界范圍內首次采用常規路徑，以排管工井方式敷設的公里級超導電纜項目，有更加廣闊的應用前景和意義。因是常規路徑敷設超導電纜，需要牽引施工，但目前沒有超導電纜牽引施工的相關參數及經驗，同時，排管管材、工井空間設計對高溫超導電纜的影響，施工拉力、側壓力、轉向等施工因素對超導電纜形變的影響，電纜真空頭保護管通過轉向滑車的狀態影響等，目前均屬于理論階段，均需要在真纜施工前進行研究和驗證。

1 擬訂的施工方案

本次35 kV超導電纜試驗示范工程使用的高溫超導電纜，外徑約200 mm，質量約40 kg/m，設計許用拉力≤27 kN，彎曲半徑為≥4 m，允許側壓力≤3 kN/m，每只導輪上的側壓力≤2 kN/m。

超導電纜線盤超常規，直徑達4.2 m，寬度達2.8 m，線盤自重達3.5 t，滿盤質量近20 t。實際路徑位置位于繁華地區，由三段超導電纜組成，路徑總長約1.1 km，且工況復雜，包括排管、電纜溝、管線橋和頂管，有多個大轉角，施工中需要同時解決多處水平和垂直方向的變化影響、工井內伸縮弧布置以及排管內測溫光纜同步敷設等新情況而采取對應的新工藝和方法。

常規路徑以排管工井方式敷設電纜的特點是需要牽引和轉向，根據大口徑電纜敷設施工的經驗，擬訂了牽引＋輸送機和電動滾輪輔助輸送＋線盤推送的敷設工藝，即“牽輸送”工藝，為保障各設備線速度同步而避免局部過度拉伸，提前研制加工了力顯液壓牽引機（圖1）、帶動力可變頻調速的大直徑線盤架（圖2）、帶壓力傳感器的轉向滑車、帶拉力測量的牽引頭裝置，并特制了一定數量的輸送機、電動滾輪、托輪等相關裝備及工器具。

圖1 液壓絞磨牽引機

圖2 動力線盤架

2 需要驗證的內容

超導電纜牽放施工方法需要驗證以下內容：

1）研究超導電纜牽放施工的裝備和工器具，并驗證其性能和參數是否滿足要求。

2）研究超導電纜牽放施工工藝的可行性，包括“牽輸送”施工不同步、管材的摩擦、轉向滑車的布置等對超導電纜產生的影響，以及大直徑超導電纜與測溫光纜同步展放、蛇形伸縮弧布設的方法。

3）研究超導電纜牽引施工時，牽引頭受力、過轉向滑車的狀態，以及對超導電纜變形、真空度、電纜纜芯及整體受力前后伸縮變化的影響。

4）研究工井數量、轉彎角度、高差、伸縮弧設置、大口徑排管管材對超導電纜的影響。

3 試驗驗證的方法

由于超導電纜造價高昂，真纜敷設前，在電力公司的支持下，斥資建設了真型試驗場地，采用樣纜模擬工程最復雜工況進行試驗，以得到相關規律及施工參數，保障真纜敷設一次成功。試驗路徑包括敞開式電纜溝、橋面電纜溝、排管、2個轉角工井、3個直線工井等，總長293 m，平面、斷面布置如圖3、圖4所示。

按照實驗方法分別測定鈷產品生產過程CoCl2凈化液(樣品3，實驗時稀釋了5倍)和Co(NO3)2凈化液(樣品4，實驗時稀釋了100倍)兩個體系中Cu、Fe、Ni、Cd、Zn、Mn、Ca、Mg、Na、Si、As、S，進行加標回收試驗，結果見表11。

圖3 試驗場地平面布置示意

圖4 試驗場地斷面布置示意

其中，A1、A2、A3為直線工井，B1、B2為轉角工井，C1、C2、C3為敞開式電纜溝，D1為橋面電纜溝，A1—B2間剩余為排管。試驗場相關位置布置了輸送機8臺、托輪32只、電動滾輪15個，轉角工井內轉向滑車各9個。設置了A1、B1、B2、C3共4個測量位置，在電纜牽引頭經過沿線13個關鍵點時同時記錄相關數據進行分析。試驗配備了檢測記錄裝備，包括照相機、攝像機、記號筆、卡尺、砝碼、拉力計等。

4 施工裝備驗證

本次對所有機械裝備均進行了驗證試驗。其中，對牽引機采用張力計＋鋼絲繩＋地錨＋牽引機多次試驗分析出力示數的偏差并制訂了修正方法；對線盤架進行了制動、正反轉牽引力等試驗并及時對不足之處進行了改進；對本次研制的帶測力傳感器的轉向滑車進行測試后對結構和示數方式進行了較大改進；對托輪，輸送機、電動滾輪，帶測力裝置的牽引頭等進行了性能測試、參數校驗和優化，以滿足牽放施工工藝的要求。

其中，牽引機、線盤架、轉向滑車仍有升級優化的空間，但不會影響本次真纜敷設的需要。

5 施工方法驗證

5.1 牽放施工的同步性及不同步產生的影響

試驗時，電動滾輪和輸送機采用同步控制，電動調頻線盤預置好對應的頻率后獨立控制，從靜止加速至6 m/min均瞬時完成，牽引機為柴油機動力，從靜止到掛擋加速至6 m/min耗時需要幾秒，因此為保障“牽輸送”同步，牽引時需要先開牽引機再同時開輸送機和線盤，停止時先停輸送機和線盤再停牽引機。

“牽輸送”不同步可能對電纜產生不良影響，為此，我們進行了多種試驗，其中采用2臺輸送機夾緊樣纜，一臺不動，另一臺輸送機按照夾緊力70 N·m輸送，多次長時間觀察電纜打滑的狀態，發現有輸送機橡膠粒子磨損脫落，電纜外皮經擦拭后沒有變化，表明輸送機施工過程中的打滑轉動對電纜外皮沒有損傷，即“牽輸送”即使不同步對電纜外皮也沒有不良影響。

5.2 純牽引和輸送機輔助的差異

為分析驗證純牽引和輸送機輔助的差異，對“牽引機＋動力線盤＋輸送機＋電動滾輪”的牽放系統進行了多次樣纜牽引試驗和分析如下：

1）牽引機＋動力線盤釋放，全程輸送機和電動滾輪輔助的模式：牽引頭拉力最大為0.7 kN，所有轉向滑車側壓力基本在2 kN以內，電纜無可見的變形。

2）牽引機＋動力線盤釋放，只有過轉角時采用輸送機和電動滾輪輔助的模式：牽引頭拉力達到第2個轉角前最大為14 kN，第1個轉角處的9個轉向滑車側壓力多數在2 kN以下，個別轉向滑車受力瞬間達到2.8 kN，也有個別轉向滑車不受力，電纜無可見的變形。

3）全程僅采用牽引機＋動力線盤釋放的模式：牽引頭拉力達到第2個轉角前最大仍為14 kN，第1個轉角處的9個轉向滑車側壓力多數仍在2 kN以下，個別轉向滑車受力瞬間達到3.8 kN，仍有個別轉向滑車不受力，電纜無可見的變形。

4）僅采用牽引到達終點，無輸送機和電動滾輪輔助的情況下，牽引力最大為17 kN。

試驗表明，在有2個90°大轉角的293 m試驗段，僅采用牽引力＋動力線盤釋放，牽引力遠小于設計許用值的27 kN，超導電纜各項指標沒有變化。但每只導輪上的側壓力分布不均勻，轉向滑車個別受力超過2 kN。增加輸送機輔助后，轉向滑車受力明顯減少，但仍有分布不均的現象，雖然經觀察和測量電纜無可見的變形，側壓力過大時受力的一般是超導電纜牽引頭段，但需要對轉向滑車的影響進行深入的分析和試驗。

5.3 轉向滑車的布置及影響

90°轉角按照計算布置了9個轉向滑車，其轉彎半徑計算為4 m。經仔細測繪，實際布置如圖5所示，經檢查有偏差，如B2工井轉向滑車組實際半徑約為3.5 m，轉向角（包絡角）未達到90°。

圖5 B5工井轉向滑車組布置實測

按照每個轉向滑車壓力2 kN，9個轉向滑車均勻布置時合力如圖6所示，每2個滑車間對應的圓心角為π/16，則在x、y方向的分力合力Fx＝Fy＝11.53 kN，F合＝15.77 kN，此時總牽引力F牽＝0.707F合＝11.14 kN，也是轉向滑車牽引側牽引力的控制值，與試驗時牽引力達到14 kN時側壓力出現部分超2 kN的結論相符。

圖6 轉向滑車受力分析

另外，牽引鋼絲繩、電纜牽引頭保護管、電纜過轉向滑車時，各滑車受力是不均勻的，其中保護管過B2轉角工井時，9個轉向滑車受力占比分析如表1所示。

由表1可見2個明顯的規律：一是首個轉向滑車受力大，是入線角度不是切線方向而加大了其受力；二是保護管經過的牽引方向的前一個滑車幾乎不受力，是保護管剛性大引起的。

表1 保護管過B2轉向滑車時各轉向滑車受力占比分析

試驗分析表明，轉向滑車的其他規律如下：

1）各轉向滑車受力不均勻，除了布置不均勻外，保護管及電纜的剛性也是原因之一。

2）轉向滑車布置時應準確定位，保證各滑車的圓心角及在圓弧上均勻分布。

3）應保證電纜切線進出轉向滑車組。

4）牽引過程中可能因牽引速度減慢，輸送機超前等因素，造成轉向過程中電纜脫離轉向滑車，向外和向下竄動，滑車不受力及摩擦腳手架的情況，需要采用上下限位防護措施。

由于上述原因會出現電纜經過個別轉向滑車側壓力瞬時大于2 kN的情況，雖經多次敷設和檢查沒有發現造成電纜外層變形的情況，但過大的側壓力會對電纜產生多大的影響需要研究。

5.4 側壓力與形變的影響

我們采用轉向滑車倒掛加砝碼的方法加載在電纜上，從200 kg起，逐步增加壓力，每次停留不小于1 min，卸載前后觀察測量電纜外層的變形情況，直至產生不可恢復的形變為止。試驗布置如圖7所示，其中串接拉力計用于同時驗證砝碼、轉向滑車讀數的準確性。

圖7 電纜側壓力試驗

從表2可以看出，轉向滑車在超導電纜上方垂直下壓力為2.50 kN時，電纜上表面與滑車接觸點有輕微變形，增加到3.50 kN和4.24 kN時，電纜表面壓點旁邊和壓點位置變形越來越嚴重，均不可恢復。

表2 側壓力試驗變形情況分析

試驗分析表明：超導電纜使用常規轉向滑車時，接觸面較小，側壓力不應大于2.50 kN，即應控制在約2 kN以內，若需改善，可采取相應的如增加輪徑等措施。

6 結語

通過多次樣纜在復雜路徑“牽輸送”的牽放施工試驗，表明牽放同步性對電纜無不良影響，牽引力遠小于設計許用值的27 kN。分析了電纜行進過程中對個別滑車的側壓力瞬時超過2 kN的原因，明確了轉向滑車應均勻布置并應切線進出轉向滑車組，證實了較長時間超過2 kN造成電纜的變形損傷是不可恢復的。驗證了牽放施工過轉向滑車時，采用轉向前后增加輸送機可將側壓力穩定控制在2 kN以內，真纜敷設時增加轉向滑車數量可達到更好的效果。

試驗期間還同步進行了其他試驗及檢測。方法方面如伸縮弧制作、測溫光纜展放，施工規律驗證如滑車摩擦因數測算、管材摩擦因數測算。超導電纜特性方面如敷設前后的伸長、形變、真空度及纜芯的伸縮變化測量。電纜裝置方面如改進牽引頭的可行性。設計方面如設計路徑的高差、轉角的合理性等，為真纜的牽引敷設做好充分準備。

致謝：感謝上海市電力公司、市南供電公司、上海電力設計院、上海電纜研究所、思南電力建設工程監理有限公司等單位的積極參與和強力支撐。