既有線牽引變電所110 kV跨橋母線更換方法研究

林 紅，陳華杰

0 引言

近年來，隨著我國高速鐵路里程的不斷增加，作為電氣化鐵路的重要組成部分，牽引變電所設備老化、運能不足逐漸突顯，設備設施的改造、更換、升級需求日益突出。

由于各時期建設標準不同，以及各地區環境特點不同，牽引變電所的結構和運行組織比較復雜，存在多樣性。在對運行中的牽引變電所進行設備升級改造施工時，既要考慮到保證鐵路運輸安全，又要保證在規定的時間內完成施工任務，否則將會對行車組織造成影響。

對于外部供電，德國、法國、日本均采用了高壓供電的電氣化形式[1]。日本新干線多采用275 kV電壓制式，法國大部分牽引變電所采用225 kV電壓制式，德國電壓制式為110 kV，其牽引網比較特殊，采用15 kV/16.7 Hz鐵路專用供電制式。這些國家對高速電氣化鐵路的運營管理和牽引供電設備維修維護的模式、方法有少量探討，但未見跨橋母線更換施工方案相關文獻。研究如何在規定時 間內，不影響當前變電所運行的情況下合理實現跨橋母線的更換，對牽引變電所的設備改造工程具有實際指導意義。本文結合實際工程案例，對單側供電方式下既有線牽引變電所跨橋母線更換方案進行研究。

1 工程概況

京廣鐵路安陽至孟廟段牽引供電設施改造工程，含鄭州鐵路局管內正線321.2 km，共有6座牽引變電所需要改造施工。供電方式為AT供電方式和直供加回流供電方式，其中新鄉所、淇縣所、湯陰所均為兩回110 kV進線，兩回進線間設跨條隔離開關，進線互為備用[2]。變電所采用橋式接線，又稱母線橋，跨接斷路器將2條電源引入線與2臺變壓器聯系起來的主接線見圖1。

圖1 110 kV進線電源及跨橋母線供電示意圖

其中，110 kV母聯跨橋母線已運行20年。根據中國國家鐵路集團（原中國鐵路總公司）《牽引變電所運行檢修規程》規定，牽引變電所高壓母線大修周期為10～15年，為確保鐵路運輸正常及牽引供電設備自身安全，必須更換110 kV跨橋母線[3]。

目前在鐵路行業，牽引變電所110 kV跨橋母線更換施工大都采用“越區供電后、全所停電”方式。但本次改造施工變電所均處于繁忙干線京廣線上，實施越區供電后，線路電壓壓降較大，客運列車和貨運列車均要限制通行，可能會造成京廣線客運列車和貨運列車大面積晚點，產生較大的社會影響和經濟損失。此外，從技術角度考慮，新鄉牽引變電所供電饋出回路較多，共計10回路，改造施工影響范圍大，全所停電施工計劃無法批復；廣武牽引變電所供電饋出回路涉及到鄭太客運專線鄭焦段的供電，對鄭焦段客運列車運行影響較大。綜上，因對鐵路運輸管理及行車調度均有較大影響，“全所停電施工”方案無法實施。為滿足鐵路運輸和改造工程實際需求，需采用安全風險低、實施性強、施工效率高的施工方案，以完成施工任務，并保障施工人員人身安全及鐵路行車安全。

2 跨橋母線更換影響因素分析及方案確定

本次改造工程變電所跨橋母線在110 kV 1#進線和110 kV 2#進線正下方，母聯隔離開關在母聯跨橋母線的正下方，形成上中下3層供電回路。

2.1 影響因素分析

因跨橋母線直接與110 kV進線連接，其斷電將直接導致變電所全所停電，其他技術問題也基本是由于無法全所停電造成。

（1）結構因素。因跨橋母線處為上中下3層結構，其中上、中層均為帶電設備，無法停電，且空間有限，不利于更換施工的進行。

（2）感應電壓因素。跨橋母線處于110 kV進線端，導致此處感應電壓較高，110 kV跨橋母線門型架構無法攀爬，無法直接更換母聯跨橋母線。

（3）安全距離因素。不管是跨橋母線的結構，還是跨橋母線引起的感應電壓，均導致此處的安全距離不足，需要采取增加安全距離或安全隔離等措施解決該問題。安全距離不足是導致110 kV跨橋母線無法順利更換的關鍵因素。

因此，從技術角度分析，實施跨橋母線的更換需要從以上3個方面入手。由于本次更換施工采用不停電作業，跨橋母線的電壓無法消除，感應電壓也無法消除，同時跨橋母線的結構受限于變電所設備的設置也無法變更，因此，只能考慮從改變安全距離入手才具備實施可能性。

2.2 跨橋母線更換方案的確定

相同氣象條件下，人員與設備的絕緣距離要求與電壓有關，即同等電壓等級情況下，絕緣距離要求是確定的，只要做到使安全距離達到絕緣距離要求即可。通常采用如下方法：

（1）增加隔離。普通涉電工程施工現場通常采用常規的隔離防護措施，如設置防護網架、懸掛警示牌等。在此次施工中也可采用類似的隔離措施，考慮采用懸掛絕緣板隔離帶電設備的方法實現安全距離的增大。

（2）增加距離。接觸網專業中有電分段的概念，即通過在合適的位置設置相應的分段絕緣器，按照實際需求靈活實現供電線路的分段供電。根據電分段的工作原理，可將110 kV跨橋母線單側絕緣子增加硅橡膠絕緣子和加長杵環桿，以增大安全距離，見圖2。

圖2 增加硅橡膠絕緣子并加長杵環桿后供電示意圖

采用隔離防護方案時，懸掛的絕緣板會因下方無法完全固定而晃動，感應電壓并未減小，對人身和設備安全仍然造成一定隱患，且所內帶電環境復雜，安裝懸掛絕緣板存在一定安全風險。而采用增加硅橡膠絕緣子和加長杵環桿來增大安全距離的方案更為適用。該方案安全距離大、感應電壓小、穩固性強，且施工現場實施方便。

3 跨橋母線更換實施流程及效率分析

跨橋母線更換施工是在變電所不停電的情況下實施，因此，施工過程應分為過渡施工、正式更換施工。其中過渡施工是為增加安全距離而采取的必要手段，正式施工是在過渡施工的基礎上完成1#系統和2#系統的跨橋母線的更換。施工過程為單向且逐項進行，不可同時作業。

3.1 過渡施工

施工前，應計算安裝尺寸和絕緣距離等參數，制作合適的新跨橋母線，根據施工方案的分析和實施單位的實際情況，對絕緣子和杵環桿進行比對選型，見圖3。

圖3 關鍵設備對比分析

經過分析對比，確定選用硅橡膠絕緣子和Φ16 mm、長1 130 mm的杵環桿。在更換跨橋母線過渡施工中加裝110 kV硅橡膠絕緣子，重量較輕，利于操作；其絕緣長度為1 300 mm，足以保證施工人員安全攀爬變電所中間門型架構進行作業。確定選型后進行必要的連接和組裝。

在過渡施工階段，在退出運行并停電的系統（假設為1#系統）中采取良好的接地等防護措施，在跨橋母線與耐張絕緣子串之間加裝必要的復合絕緣子作為過渡，以增加安全距離，保障人身與設備安全。

具體過渡施工流程：若變電所運行狀態為2#進線+2#主變運行，申請1#系統停電（斷開進線隔離開關），辦理第一種工作票，退出進線及主變備自投。采取相應的安全防護措施：其中軟硬隔離設置見圖4，接地線位置見圖5。

圖4 過渡施工軟硬隔離示意圖

圖5 過渡施工接地示意圖

之后，在1001GK靠1YH側組立腳手架，在1#系統跨橋母線靠近中間門型架構處加裝1組（3相）110 kV復合絕緣子。施工完畢后，恢復安全措施，結束工作票。向電調申請變電所由2#進線+2#B改為1#進線+1#B運行，系統試運行至次日8時。

本次施工中，變電所為單系統運行，參與施工的各單位、部門應做好越區應急準備。

施工完成后跨橋母線耐張絕緣子串更換為耐張絕緣子串加復合絕緣子的形式，見圖6。

圖6 過渡施工完成示意圖

3.2 2#系統正式施工

在過渡施工完成，安全距離得到保證后，申請變電所由2#進線+2#主變運行改為1#進線+1#主變運行，2#系統停電（斷開進線隔離開關），進行2#系統跨橋母線更換，新跨橋母線安裝需要在中間架構端加裝1組（3相）1 130 mm杵環桿。采取良好的接地等防護措施，軟硬隔離設置見圖7，接地線位置見圖8。

圖7 2#系統施工示意圖

圖8 2#系統施工接地示意圖

其中，過渡工程中完成耐張絕緣子串與復合絕緣子間母線處掛地線。拆除原有的2#系統跨橋母線，并將提前預制的已加裝加長杵環桿的跨橋母線安裝并調整到位。具體施工步驟如下：

（1）將1001GK、1022GK、1023GK引線從設備線夾處剪斷（或松掉壓線螺栓抽出引線），在2#系統跨橋母線下方組裝1組兩層腳手架，將進線母線與跨橋母線間引下線下端線夾拆除；

（2）兩門型構架分別由2組人員將2#系統跨橋母線及其引下線拆除放下（先放中間側，再放壓互側）；

（3）兩門型構架分別由2組人員將提前預制好的跨橋母線及引下線懸掛并調整（預制的母線已加裝杵環桿）；

（4）將1002GK、1022GK、1023GK與其引下線連接，將2#進線母線與跨橋母線間引下線連接；

（5）投入主變及進線備自投，恢復措施；

（6）向電調申請變電所由1#進線+1#B改為2#進線+2#B運行。

2#系統跨橋母線施工完成后，跨橋母線耐張絕緣子串與加長杵環桿連接在一起，更換前跨橋母線局部及更換后跨橋如圖9所示。

圖9 2#系統施工完成前后

3.3 1#系統正式施工

在2#系統施工完成、杵環桿加裝、安全距離得到保證后，將2#系統設置為運行系統，1#系統退出運行，斷電并采取良好的接地等防護措施。拆除原有的1#系統跨橋母線，并將提前預制的已加裝加長杵環桿的跨橋母線安裝并調整到位。1#系統施工步驟與2#系統一致，不再贅述。

各階段施工過程中，變電所供電正常，但此時處于進線無備用狀態。施工期間若出現故障，無法滿足供電，需向電調申請越區供電，應提前做好越區供電并限制行車等應急措施。

3.4 更換方案的實施效率分析

行業內“更換110 kV跨橋母線”的施工方法大多為全所停電，分2組施工人員同時進行1#進線跨橋母線更換和2#進線跨橋母線更換，更換時間平均為約4 h。在更換過程中，鐵路供電處于越區狀態，行車組織受到影響。

而本文所述施工流程為1#進線系統和2#進線系統分別單側停電，1#、2#進線系統互為備用。1#和2#進線系統分別單側停電執行第一種作業票施工，不占用施工天窗，意味著更換跨橋母線可以全天候施工，時間充裕，不存在天窗點延遲的風險。

經現場實際多次推演，測算1#和2#進線系統分別單側停電，每個施工環節的占用時間，并制定110 kV跨橋母線施工推演時間測試統計表，見表1。

表1 110 kV跨橋母線施工推演時間測試統計

4 施工階段 新制作母聯跨橋軟母線安裝 20 30 30 20 5 施工階段 母聯隔離開關進出引線安裝連接 20 30 20 30 三 1#進線停電進行更換跨橋母線施工，2#進線系統主供（同二，略） 合計 145 235 195 185

根據上述推演數據分析，1#和2#進線系統停電施工平均時間為t= (145+235+195+185)÷4 = 190 min。通過測試統計可知，本文所述施工方法在理論上是完全可行的，且相比于傳統方法，不影響供電安全，安全風險低，實施性強，實施效率更高。

在現場實際施工中，經科學組織，合理制定施工具體方案，1#進線系統既有母聯跨橋軟母線及母聯隔離開關進出引線進行更換施工合計用時120 min，即2 h。跨橋母線更換后送電運行正常。2#進線系統既有母聯跨橋軟母線及母聯隔離開關進出引線進行更換施工合計用時68 min，即1.13 h。跨橋母線更換后送電運行正常。

實施效果檢查：經與綜合自動化系統主站核對數據確認，1#、2#系統運行正常，電壓、電流、設備溫度等數據正常。

1#和2#進線系統跨橋母線更換合計用時3.13 h比傳統采用全所停電方式時間（4 h）縮短近1 h。通過對6座牽引變電所跨橋母線更換的時間統計，平均用時3.32 h，解決了110 kV跨橋母線無法全所停電更換施工的難題，實現了預期目標。

4 跨橋母線更換施工關聯預案

施工應急預案應體現人員安全優先、行車安全優先、控制事故蔓延優先和“先防護后處理”的原則。因上述跨橋母線更換施工時，變電所處于無備用狀態，因此應做好越區供電，防人身傷害事故、觸電、火災等應急措施。

為確保改造工程安全目標的實現，應建立以項目經理為核心，以各相關部門為依托，各作業隊為具體執行單位的安全保障網絡和安全保障體系。對體系內各成員、小組的施工目標進行分配，對更換施工中涉及到高空作業、帶電作業等項目的人身、設備安全注意事項進行細化分類。

為確保變電所正常供電運行，保證新設備投運后可靠運行，應制定行車組織方案。首先，設備運營單位應與施工單位、配合單位共同召開施工協調會，確認天窗點施工關鍵控制流程；制定越區供電方案，確認越區供電倒閘程序和恢復供電倒閘程序，并對越區供電區段的電力機車數量進行限制[4]。

5 結語

本次牽引變電所110 kV進線側高壓跨橋母線更換是在單側供電條件下進行的。通過對此次施工特點的分析，得出如下結論：

（1）跨橋母線更換工程考慮因素包括母線及附近設備的結構、感應電壓、安全距離等；

（2）改變安全距離是實現單側供電條件下跨橋母線更換的唯一途徑，本次工程采用復合絕緣子和加長杵環桿增加安全距離的方式；

（3）跨橋母線更換施工應分階段進行，分為過渡施工、2#進線系統施工、1#進線系統施工3個階段，且施工順序不可更改[5]；

（4）跨橋母線更換施工需要制定應急措施、人身安全、行車組織等關聯預案。

本文通過實際的改造工程案例，對110 kV跨橋母線更換施工的關鍵步驟、流程進行了深入分析，總結出了一套成熟的施工方案，并制定一系列應急措施，以有效保障施工人員人身安全及鐵路行車安全，對類似施工具有一定參考價值。