特高压变电站软母线弧垂测量方法

2019-02-19罗兆楠江海涛

山东电力技术 2019年1期

陈凯，罗兆楠，江海涛

（国家电网公司交流建设分公司，北京 100052）

0 引言

与架空输电线路的相关定义相同，特高压变电站软母线任意一点弧垂是指软母线上的点在铅锤方向上到软母线两端绝缘子串挂点连线的距离，弧垂也可称作导线弛度［1-2］。

弧垂是导线设计和运行维护的重要指标之一。一方面，由于弧垂是软母线拉应力的直观体现，若弧垂过小，导线的拉应力就大，造成振动现象加剧，降低了导线安全系数，严重时还可能发生断线事故；同时导线拉应力过大也导致构架荷载增大，增加投资和施工难度。另一方面，若导线弧垂过大拉应力不足，导线容易产生风摆、舞动和跳跃等安全隐患，为了满足对地及交叉跨越物安全距离，需要增加构架高度，使投资再度提高。

特高压变电站软母线连接常以孤立档型式出现。通常所说软母线弧垂值指的是该档连线的最大弧垂值。设计院在给出施工图纸时，会对每一档软母线连接给定温度弧垂表，用以给定在施工时特定环境温度下，软母线需要达到的弧垂值。

在特高压变电站建设中，构架间的软母线连接数量众多，为满足软母线机械强度及电气安全距离的要求，应在软母线挂线完毕后对其弧垂进行复测。GB 50149—2010《母线装置施工及验收规范》相关章节规定：母线弛度应符合设计要求，其允许误差为-2.5%～+5%；扩径导线弯曲度不小于导线直径的30倍。同时，弧垂值还需要满足软母线安全距离的相关要求［3-4］。选择一种简单、可靠的弧垂复测方法具有重要意义。

1 常见弧垂测量方法

1.1 直接测量法

根据导线弧垂的定义，直接测量法直接量取软母线上的点到挂点连线的铅锤距离。每隔一定距离取值，采用分段方式测得一组弧垂值，取其中最大值即为该档线最大弧垂。

首先，使用一根细钢丝由构架间软母线两端挂线点依次穿过，作为直接测量的挂点连线基准。基准钢丝两端施加张紧拉力，尽可能减小基准钢丝本身弧垂。由于基准钢丝本身重量较轻，自然弧垂较小，两端施加张紧力后，可以将其视作挂点连线。

如图1所示，负责测量的工人携带钢尺及铅锤乘入起重机顶筐。地面人员经过直观观察，确定最大弧垂所在位置区间。起重机将测量工人送至该范围测量基准线高度。测量工人使用钢尺和铅锤配合，测量软母线与基准线的竖直距离，获得一组弧垂值f1并记录。再控制顶筐位置，测量工人沿基准线向远端挂点移动 0.2 m，测得弧垂 f2。若 f2＜f1，则接下来的移动方向反向。以上述方法操作依次得到f3，f4，…，fn，…直至得到 fn+1＞fn+2＞fn+3为止，得到一组 fi。fi的趋势应为小→大→小，其中的最大值fmax即为该档线最大弧垂值。

图1 直接测量法

软母线弧垂使用直接测量法时，测量方式简单易行、结果直观，在一定程度上保证精度，对施工人员技术素质要求不高。但是，直接测量法测量过程耗时较长，且需要在高空中进行，增加了施工的危险性。同时，在施工现场风力较大时，钢尺测距不易操作，影响施工效率和精度。

直接测量法对于软母线挂点是否存在高差没有限制，适用于构架间距相对较小的挂线档，如GIS—主变压器构架、联合构架连线。

1.2 中间点法

对于变电站中挂点无高差的软母线弧垂测量，中间点法是一种简便、精确的测量方法。其测量原理如图2所示。构架间连线挂点在同一标高位置，连线程空间对称，挂点连线中间点即为该档线最大弧垂所在位置。

在实际测量时，需要测量该档软母线两个挂点的高度h1，h2和挂点连线中点导线的高度hf，测量工具采用水准仪和激光测距仪配合，测量全程在地面完成。该档软母线的最大弧垂计算式为

图2 中间点法

首先在线档侧面选定一点架设水准仪设定水准面。将尺杆竖直立于挂点A之下，在水准仪读数位置，使用激光测距仪测量A点距水准面距离h1。同理，测得挂点B高度h2。

再取导线挂点连线中点C，将尺杆立于跨线正下方，旋转水准仪确定水准平面，使用激光测距仪测量此时导线距离水准平面距离hf。

最后，根据测得数据带入式（1）中，计算得出该档线最大弧垂fmax。

中间点法主要针对挂点无高差的构架间连线弧垂测量，操作简便，测量工作效率高，具有良好的适用性和准确性。中间点法对档距大小无要求，比较适合主变压器构架—过渡构架、过渡构架—联合构架的软母线弧垂测量。

中间点法局限性在于测量弧垂时需要2名工人分别操作水准仪和测距仪合作完成，且仅针对挂点无高差的线档测量。

1.3 等长观测法

等长观测法也称作平行四边形法，其实质使用了三点一线的原理。

如图3所示，构架间连线挂点A，B正下方分别设置标尺，在A点下方标尺某一位置定为观测起始点，B点下方标尺同样距离位置设为观测目标点。挂点A，B及挂点正下方的两个等距点A1，B1构成一个平行四边形。当观测视线A1B1与软母线相切时，该档线的弧垂值即为此时AA1距离。切点C即为软母线最大弧垂所处位置。

等长观测法测量弧垂操作过程简便，对于挂点有无高差的测量无限制。但要求观测过程中，视线清晰不受遮挡，只能在光照条件好时执行。同时，为保证视线与软母线相切观测点位置需要反复观测确定，观测效率较低。

图3 等长法

1.4 异长法

异长观测法实质为等长法的一般情况，常用于由于地面设备限制、视线遮挡不能采用等长法的工况下。

异长法的计算理论将构架间软母线近似于斜抛物线模型，异长法同样需要在挂点A，B正下方设置标尺，观测起始点设置于A1处，观测目标点设置于B1，其中 AA1距离为 a，BB1距离为 b。如图4所示，视线与导线相切于C，可由观测得到的a和b的值通过式（2）计算得出切点C处弧垂值。

图4 异长法

又有抛物线模型孤立档最大弧垂值与任意一点弧垂值的换算公式［2］：

式中：l为挂点水平投影距离；xc为点A与C的水平距离；g为重力加速度。

由式（3）可知，使用异长法测量弧垂时由式（2）所计算的结果总是存在一定误差。由式（3）得出当xc=时，f可以精确代替f，得出a=b，即此时为等cmax长测量法的测量原理。

实际上，a或 b取值在（0.1 fmax～2.9 fmax）区间内时，测量误差已经可以忽略，式（2）计算所得值fc已经可作为fmax使用。在使用异长法测量软母线弧垂时，应当依据此范围确定观测点A1的位置［3］。

1.5 角度法

如图5所示，角度法通过经纬仪地面观测的方式得出软母线最大弧垂。

图5 角度法

首先，将经纬仪架设在挂点延长线正下方作为观测基准点，在地面测量观测点与挂点A距离l1，档距水平距离l2。

其次，用经纬仪分别测出挂点A垂直角α1，挂点B垂直角α2及导线弧垂最低点的垂直角α3，可得

最后，将a与b值代入异长法弧垂计算公式，可得角度法弧垂测量的计算公式为

特高压变电站构架间距基本为20～70 m，而软母线挂点高度在30 m以上，软母线设计弧垂大多为5～8 m。如图5所示，若设计弧垂f为6 m，l2为50 m，a取1.5 fmax，挂点高度30 m且无高差，可计算得出l1为100 m。施工过程中观测点经纬仪架设常常不能满足此条件。因此，变电站的场地大小是制约角度法使用的最大因素。