牽引變電所軟母線測量計算及工廠化預(yù)制技術(shù)探討

王生旭 霍紅果 張 釗

（中鐵電氣化局集團第一工程有限公司，北京 100070）

0.引言

為適應(yīng)時代發(fā)展和國家“十四五”發(fā)展規(guī)劃，發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟，把握新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革新機遇，鐵路牽引變電所施工也在積極探索新一代信息技術(shù)與工程建造深度融合的智能建造創(chuàng)新模式。牽引變電所施工正在逐步向數(shù)字化、自動化、工廠化等智能建造方式轉(zhuǎn)變，探索構(gòu)建多專業(yè)協(xié)同的生產(chǎn)管理平臺，實現(xiàn)BIM 技術(shù)在工程建設(shè)項目中的全周期規(guī)范化應(yīng)用，完成信息化到數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

鐵路牽引變電所施工也正在構(gòu)建圍繞“智能建造”的電力變電安裝設(shè)備體系，實現(xiàn)軟、硬件結(jié)合、預(yù)配和現(xiàn)場安裝結(jié)合、將智能化技術(shù)與現(xiàn)代裝備、手段和工藝工法進行有效融合，不斷提升電力變電行業(yè)的施工技術(shù)水平，從而及早達到工廠化預(yù)制、機械化換人、自動化減人的效果。

目前基于集成數(shù)據(jù)導(dǎo)入、計算、放線、裁剪、壓接、標(biāo)記、成品打包等功能的智能化軟母線預(yù)制平臺已在項目探索應(yīng)用。運用BIM 信息化技術(shù)模擬母線馳度、長度、線夾受力，運用智能激光測距儀、智能平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)貫通，通過軟件計算數(shù)據(jù)，平臺精準(zhǔn)剪切軟母線，壓接設(shè)備線夾，實現(xiàn)工廠化、自動化、智能化的軟母線預(yù)制作業(yè)。

1.軟母線檔距測量

目前變電所內(nèi)軟母線檔距測量常規(guī)施工基本測量兩側(cè)架構(gòu)掛環(huán)間距L 如圖1 所示，通過公式計算導(dǎo)線下料長度。L 測量方法主要有鋼卷尺直接測量法、經(jīng)緯儀測量法、智能激光測距儀測量法三種測量方法。

圖1 兩側(cè)架構(gòu)掛環(huán)間距L

1.1 鋼卷尺直接測量法

測量人員攀登到架構(gòu)橫梁上，使用鋼卷尺測量母線兩側(cè)橫梁掛環(huán)之間的檔距尺寸。該種方法測量時，由于是高空作業(yè)，勞動強度大，安全風(fēng)險高，受天氣等環(huán)境因素影響較大；再者尺子因自重會產(chǎn)生一定的弧垂，鋼尺的拉緊度不一，會有測量誤差。

1.2 經(jīng)緯儀測量法

經(jīng)緯儀測量時，人員不需攀爬到構(gòu)架橫梁上，避免了高空作業(yè)，同時將掛線點投影到地面后使用鋼卷尺測量，能夠避免了高空測量時產(chǎn)生的測量誤差，并可以保證與帶電設(shè)備的安全距離，因此可在改擴建工程中臨近帶電設(shè)備的情況下使用。但是此方法操作步驟較為復(fù)雜，測量人員需要具備較高的測量水平[1]。

1.3 智能激光測距儀測量法

1.3.1 測量簡要原理

利用電磁波原理測量角度及長度，建立三維坐標(biāo)系，根據(jù)計算公式得出測量長度。

以測量終端位置O 點作為0 點坐標(biāo)，母線起始段安裝位置為A，終端安裝位置為B，建立三維坐標(biāo)如圖2 所示。

圖2 三維坐標(biāo)圖

O：0 點坐標(biāo)，A：起始段安裝位置，B:終端安裝位置，a:OA 長度，B：OB 長度，C：AB 長度。

根據(jù)電磁波測距原理測量出OA 之間的距離a，OB之間的距離b，測量終端在測量A 點、B 點距離的同時，將A、B 點與x、y、z 坐標(biāo)形成的角度計算出來，得出A點坐標(biāo)（xa、ya、za）、B 點坐標(biāo)（xb、yb、zb），AB 之間長度C 如公式（1）所示：

式中xa，ya，za；xb，yb，zb分別為A 點和B 點的三維坐標(biāo)。

1.3.2 測量數(shù)據(jù)預(yù)處理

將智能激光測距儀手持端分別與智能激光測距儀、智慧管理平臺互聯(lián)，各設(shè)備互聯(lián)界面如圖3 所示。在數(shù)智云管理系統(tǒng)中建立測量工程項目、單位工程，并將軟母線起始端、終止端位置數(shù)據(jù)導(dǎo)入空間測距軟母線測量工序界面進行處理。

圖3 智能激光測距儀各設(shè)備互聯(lián)

1.3.3 測量方法

將智能激光測距儀放到指定位置進行調(diào)平，按照圖4測量示意圖進行測量，一人將測距儀激光點對準(zhǔn)軟母線起始端位置（根據(jù)不同架構(gòu)/設(shè)備類型測量位置不同），首先對測距儀進行粗調(diào)并鎖定測量鏡頭，通過微調(diào)捕捉起始段測量點A，點擊測量，然后打開鏡頭鎖定，捕捉終止端測量位置B，點擊計算，然后點擊發(fā)送，數(shù)據(jù)自動回傳至平臺數(shù)據(jù)庫，后臺計算人員可隨時查看現(xiàn)場測量狀態(tài)和數(shù)據(jù)。

圖4 測量示意圖

2.絕緣子串組裝及測量

將絕緣子組裝好后（含耐張線夾），為減少測量誤差，將組裝好的絕緣子串吊裝起來進行測量，如圖5 所示。使用鋼卷尺測量從U 形環(huán)內(nèi)側(cè)到耐張線夾鋼錨內(nèi)孔處（即導(dǎo)線鋼芯所達到的位置）之間的距離，測量結(jié)果應(yīng)兩端分別記為S01、S02[2]。

圖5 絕緣子串BIM模擬組裝測量

3.軟母線下料及長度計算

3.1 壓接式耐張線夾軟母線安裝長度計算

壓接式耐張線夾軟母線下料長度計算一般用公式（2）進行計算。

式中L 每組掛線環(huán)內(nèi)沿之間的凈距；SO1、SO2絕緣子串的長度；f 導(dǎo)線的弧垂（按設(shè)計數(shù)值）；S1實際安裝長度；K 根據(jù)現(xiàn)場實際金具、瓷瓶、導(dǎo)線及檔距對母線的放量。

3.2 栓接式耐張線夾軟母線安裝長度計算

栓接式軟母線下料長度計算一般用公式（3）進行計算。

式中S 軟母線安裝長度，L、SO1、SO2、f、K 為上文種式（2）描述。

S2導(dǎo)線兩端耐張線夾后面預(yù)留的終端尾巴線（一般情況下終端尾巴線預(yù)留長度為150mm）S3直接引出的設(shè)備連接線。

3.3 導(dǎo)線的長度和弧垂之間的關(guān)系簡要分析

軟母線架設(shè)后由于母線本身重量及應(yīng)力關(guān)系，在架構(gòu)掛線點間垂下，形成一條弧形曲線，弧形曲線最低點與理想水平導(dǎo)線之間的垂直距離稱為弧垂（或稱馳度）[1]。

為便于分析，引入公式S0=SO1+SO2-K，S0代入上文公式（2）得出公式（4）

從公式上可以看出導(dǎo)線長度的變化量和弧垂變化量之間的關(guān)系。當(dāng)檔距L 越大或弧垂f 越小，比值變化較大，也就是說較小的導(dǎo)線長度變化將會引起導(dǎo)線弧垂較大的變化。所以，軟母線測量計算時，當(dāng)設(shè)計弧垂很小或檔距較大時，必須嚴(yán)格控制導(dǎo)線長度的精確度，否則很容易造成導(dǎo)線弧垂過大，既達不到工藝標(biāo)準(zhǔn)要求，又影響變電所整體美觀度。

3.4 引下線及設(shè)備間連線測量

可利用BIM 技術(shù)模擬引下線及連接線的弧度、線夾受力情況，并獲取引下線及設(shè)備間連線長度。BIM 模擬情況如圖6 所示。

圖6 軟母線引下線BIM模擬

4.軟母線工廠化預(yù)制

運用具有計算、上傳功能的激光測距儀測量計算軟母線長度，運用BIM 技術(shù)模擬測量引線及連接線長度，通過預(yù)制平臺進行軟母線剪切、設(shè)備線夾壓接，實現(xiàn)放線、測量、裁剪、開孔、壓接、標(biāo)記、成品打包等全工序自動化工廠預(yù)制，提高預(yù)制精度和效率。

4.1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入

將設(shè)備線夾型號、軟母線設(shè)計馳度及相關(guān)測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算軟件（包括相鄰兩設(shè)備接線板凈空距離、軟母線規(guī)格型號、設(shè)備線夾規(guī)格型號、軟母線設(shè)計馳度等），通過軟件自動計算軟母線預(yù)制及下料長度，自動計算生成預(yù)制數(shù)據(jù)，預(yù)制平臺進行軟母線自動送料、剪切、壓接等工作。

預(yù)制數(shù)據(jù)應(yīng)與智能管理平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)貫通，貫通數(shù)據(jù)包括母線編號、材質(zhì)、型號、測量長度、裁剪長度、金具型號等。

4.2 母線裁剪

母線由輸送機及調(diào)直機處理后，消除母線應(yīng)力，根據(jù)預(yù)制長度自動裁剪。如果軟母線安裝耐張線夾，先進行首端環(huán)切，保留內(nèi)部鋼芯，待達到設(shè)定長度后再進行裁剪斷線，再進行末端環(huán)切，保留內(nèi)部鋼芯。

4.3 線夾壓接

（1）母線經(jīng)過給料系統(tǒng)調(diào)直處理后輸送至壓接系統(tǒng)，機械手按操作時序?qū)⒕€夾放置至預(yù)制裝置，進行壓接或栓接，壓接順序由內(nèi)向外，防止壓接線管內(nèi)形成氣壓。

（2）壓接時相鄰兩模間鋼管重疊不應(yīng)小于5mm，鋁管重疊不應(yīng)小于 10mm，壓接后六角形尺寸為0.866D+0.2mm（D 為壓接鋁管標(biāo)稱外）[3]。

（3）導(dǎo)線與線夾接觸面均應(yīng)清除氧化膜并用汽油或丙酮清洗。清洗長度不少于壓接長度的1.2 倍，線夾與導(dǎo)線接觸面涂以薄層電力復(fù)合脂[3]。

（4）螺栓型線夾螺栓穿向應(yīng)一致，線夾水平放置時螺母位于線夾下方[4]。

4.4 標(biāo)識、包裝、存放

（1）對預(yù)制完成的軟母線進行人工復(fù)核，包括長度、壓接質(zhì)量、軟母線有無散股等情況，確認(rèn)無誤后，利用機器集成的激光打標(biāo)裝置在軟母線線夾上標(biāo)記安裝信息，包括編號、安裝位置、長度、生產(chǎn)日期、檢驗員等信息。

（2）可按類型為一個小單元、以所為一個大單元進行包裝并標(biāo)識。

（3）包裝完成后，以所為單位進行存放。

5.結(jié)語

在牽引變電所軟母線施工過程中，現(xiàn)場一直對軟母線的測量及計算方法進行探索，針對不同施工環(huán)境，創(chuàng)新出多種測量計算方法。特別是在BIM 技術(shù)、信息化技術(shù)與工程建造深度融合的智能建造創(chuàng)新模式下，激光測距儀等新型測量方法的引入，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時上傳，減少數(shù)據(jù)記錄及核對工序，大大簡化了測量過程，提高了測量數(shù)值的精確度，同時減少了測量時高空作業(yè)量，為提高軟母線放線的施工質(zhì)量提供技術(shù)支撐。軟母線智能預(yù)配平臺的成功運用，將工廠化預(yù)配和現(xiàn)場安裝有效結(jié)合，實現(xiàn)變電所關(guān)鍵工序裝備智能化、生產(chǎn)自動化，管理信息化，有效減輕勞動強度，提高施工質(zhì)量和效率，從而達到工廠化預(yù)制，機械化換人、自動化減人的效果。