神东矿区采空区域输电线路管理办法与技术研究

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  【摘要】高压输电线路是构成电力系统必不可少的重要组成部分。尤其对于煤矿供电,更为重要。如果突然停电,给煤矿造成极大事故及不可挽救的损失,并对周边单位、地区、厂矿企业及群众生活带来不便。为使煤矿正常用电,做到万无一失,神东公司供电中心一直致力于研究采空区输电线路杆塔的治理对策。主要包括两个方面:一、管理上,加强采空区域输电线路的维护,建立具有神东特点的巡视制度;二、技术上,鼓励对采空区输电线路杆塔加固纠偏的研究,进行创新,研发出一种新型铁塔支撑结构。通过上述方法,做到对杆塔出现的问题进行预先发现,预先控制,为煤矿安全稳定地供电。
  【关键词】输电线路;杆塔;加固纠偏;新型铁塔结构
  前言
  近几年,我国经济建设的快速发展,神东矿区采煤工具逐年更新,采煤量的日益增长,造成了大面积地面下沉、凹陷甚至坍塌,采空区面积不断扩大,榆林地区采空面积每年以70-80平方公里速度延伸,给跨越神东矿区上的高压输电铁塔、线杆造成了很大的威胁和危害。作为基础产业的供配电行业,能否安全可靠稳定的输送能量,直接影响着生产一线。而高压架空线路是构成电力系统必不可少的重要组成部分,是电力系统中电能传输、交换、调节和分配的主要环节。输电杆塔作为电力输送的支柱,约占线路总投资的40%左右,所占的比重很大。虽然设计线路时,会尽量避开采空区。有些地段很难避开。在穿越采空区域时,其安全稳定运行问题是供电行业首要考虑的问题,需要进行大量细致的勘测和调查工作,尽可能将采空区的危害降低到最小程度。本文正是从这个问题出发,阐述了对跨越神东矿区采空区的输电线路的管理和技术上的改良。
  一、加强采空区域输电线路的维护,建立具有神东特点的巡视制度
  神东煤炭集团拥有6KV以上变电站84座,高压输配电线路735.20 km,年供电量约18亿度,区域跨晋、陕、蒙三省区。线路分布区域广,距离长,约有一半的线路处于采空区上。采空区发生塌陷后,有的地方地表下沉值大,有的地方下沉值小,会造成不均匀沉降,位于不均匀沉降区的杆塔基础或拉线基础会随之出现不均匀沉降,杆塔就会出现倾斜。另一方面,地表的移动也会引起杆塔的倾斜。杆塔倾斜后,直接引起直线杆塔的绝缘子串、地线悬垂线夹偏移。造成这种情况,是因为杆塔倾斜后,塔头出现了位移,而导地线由于其本身的应力作用及分布,为了维持挂点位置不动,从而导致了这一情况的发生。然而杆塔倾斜后,不一定会对导线造成较大危害。这取决于倾斜的程度大小。导线的绝缘子串具有一定的长度,可以自行调节一定程度上的不平衡张力,当倾斜造成的偏移使绝缘子串小于杆塔顶时,危害不是很严重。当偏移值过大,严重到可拉断架空地线或地线横担。同时,杆塔倾斜方向又与架空地线拉力方向相反,铁塔主材或混凝土杆杆体会出现挠度;采空区的地表移动,也会造成杆塔基础之间的移动和下沉,从而引起基础根开的变化。基础根开的变化会导致杆塔部件间应力的重新调整,当超过其弹性变形范围后,部分部件就出现撕裂或变形。杆塔倾斜和移动可能导致导地线之间距离缩小,当缩小到一定程度时,在风力作用下就可能引发导地线短路。当杆塔所处的位置,采深采厚比偏小、煤层倾角过大,或坚硬顶板边缘时,极易发生倒杆塔。
  针对采空区容易造成线路无方向倾斜、拉线松弛等一些列危害,为了及时地进行调整加固或迁移,我公司根据我单位线路跨越区域广,距离长的特点,特制定了相关制度加强对采空区输电线路的监测和维护。巡视检查是运行维护的基本内容。
  当线路出现倒塔倒杆、断线、人身伤害等事故时,巡视人员应立即将事故线路、事故地点、事故现场情况汇报调度,同时立即组织人员进行抢修,以最快的方式恢复供电,事后要查明事故原因,采取有针对性的事故预防措施。巡视人员实现24小时接听电话,不能出现通讯中断。对所有的线路都建立了运行档案,并将线路责任到人。定期在对线路的运行情况进行分析,寻找事故发生的规律,制定科学的维护方法和预防方案。做到维护和预防性维护相结合,把事故消灭在萌芽状态,保证线路安全运行。通过巡视检查可及时发现缺陷,以便采取防范措施,保障线路的安全运行。
  二、鼓励对采空区输电线路杆塔加固纠偏的研究,进行技术创新
  目前,在国内煤矿用电属于Ⅰ级用电,如果突然停电,给煤矿造成极大事故及不可挽救的损失,并对周边单位、地区、厂矿企业及群众生活带来不便。为使煤矿正常用电,做到万无一失,神东公司向来鼓励要对杆塔出现的问题进行预先发现,预先控制,根据线路各方面因素采取相应措施,因塔制宜,对输电线路杆塔进行加固纠偏,同时要保证纠偏过程中不能中断供电。
  杆塔是用来支持导线、避雷线以及其它附件,使导线、避雷线保持一定的安全距离,并使导线对地面、交叉跨越物或其它建筑物保持允许的安全距离,是高压输电线路的重要支撑。在输送电量的同时,杆塔还要承受的载荷主要包括:导线自重、风载、覆冰等的作用以及年平均气温的影响。而且在一定的风力作用下,导线会发生稳定的风致微幅振动,从而迫使杆塔振动,严重时会引起杆塔破坏。在这些载荷条件下,杆塔再加上处于采空区不利的地势条件下,极易遭到破坏。
  煤矿采空区或地下采煤活动对高压输变电线路和电网的影响和破坏,从理论分析和各矿区实际发生的情况看:归根到底:取决于采煤活动所引起的地面变形和破坏的类型、大小、方向、速率等。煤矿采空区所引起的地表变形和破坏类型有:地表开裂、地表上下错动、地表倾斜、地表下凹、地表起伏、地表平移等。一般而言,无论所开采的煤层多厚都会引起地面不同程度、不同方式的变形,但对于地面建(构)筑物具有较大破坏的还是埋深较浅、煤层较厚的开采。煤矿开采对采空区上高压输电线路造成的影响有:杆塔下沉、倾斜、移位、扭曲;基础外趴、错台;杆塔杆件应力场剧烈调整、杆件受力性质改变;杆塔失稳倒塌、倾覆、破坏等。采空区对高压输电线路的影响和破坏主要取决于地表变形及破坏类型、规模和速度。
  近年来,我单位根据高压输电线路的特点,结合煤矿采空区上其他建筑物破坏的处理措施,不断对有问题的输电线路杆塔进行改造、治理。其中朱大线110KV40#铁塔塌陷综合治理已申请专利。杆塔治理的一般方法大体有:释放导地线张力;调整塔脚板;更换塔脚板;调整基础; 更换杆塔等,这里不再详述。下面重点介绍一下朱大线110KV40#铁塔塌陷综合治理方案。   朱大线110KV40#铁塔概况:1、线路为同塔双回架设,电压等级为110KV。2、40#铁塔基础采用钢筋混凝土现浇柔性台阶基础,立柱断面600×600mm,基础根开正面为5032mm,侧面根开为3532mm,铁塔根开正面4992mm,侧面根开为3492mm,呼成高度24m,塔全高为34000mm,塔重量为3932.1kg,塔型号1102GU2型,编号7727,最大使用角钢为L80×7型。该区地质条件为砂覆盖深度为1.0m-3m,砂覆盖下方为黄土及砂质土,土壤容量为每方1.6T,地耐力为P=15T/m2,均可做地耐力层。
  铁塔加固纠偏治理的方案:
  1、制作新型承重梁,与四根立柱联合一体,用于增加铁塔的抗弯曲强度,防止铁塔倒塌断裂。
  (1)首先进行地脚安装找正,用钢材临时焊起,避免造成倾斜,安装位置应与铁塔根开轴线对齐,为下底脚中心。(2)补从地脚,其规格型号应大于原设计型号,并与周边钢材焊接在一起。地脚外露部分从整体塌陷区4个立柱最高腿高度作为安装地脚外露高度依据,剩余地脚以此操平,满足调整铁塔需要,但必须保证地脚长度足够,满足紧固及相应拉力。地脚如使用在混凝土中时,埋没深度必须达到直径的30倍,并从承重梁外露,达到650mm。(3)然后根据原基础根开对角、基础断面,进行实量工作,制作基础承重梁。先将四个立柱的正体连接加固,与承重梁成为一体;同时扩大基础面积覆盖,增加耐持力,基础底面积足够大使地基承载力满足规范要求,达到不易下沉。(4)制作钢梁的断面必须大于等于原立柱断面,原立柱与钢梁钢板接触部分进行泥土清洗,必要时进行剔除水泥部分,方可与承重梁进行连接。在承重梁的下方增加压力钢板,重要点增加加劲钢板,以达到抗弯曲强度。承重梁断面见下图和表格。
  2、制作新型铁塔支撑找正梁,随时调正、校直铁塔。
  为使塌陷区倾斜铁塔便于调直校正,必须加工牢固可靠的支撑找正梁,且利于铁塔四腿连接,起连体作用增加强度,塌陷时不至于将塔腿部分扭曲、变形及断裂,起找正作用。
  制作方法:(1)根据铁塔、导线、绝缘子、金具等重量,选择钢梁钢材型号、规格,不准以小代大,必须满足牢固可靠的性能。(2)按设计的高宽尺寸(见附图)进行制作,分段焊接,焊口相错,按基础下沉程度、斜度施焊。以利于调节钢梁达到水平。重要搭接处,必须加强补强垫铁与钢板、角钢等材料。(3)根据计算,配置一定厚度的钢板与塔角、支撑梁焊接连成一体。(4)起立支撑角钢焊接时,严禁与原塔主材焊接,以免破坏主材结构,致使主材退火。(5)外角地脚螺栓挂板除焊接挂板外,板内焊接补强材料,以免地脚受力时,引起钢材弯曲变形,焊缝开裂。(6)千斤顶板,施焊时必须焊在主材下方。内角顶板焊时,顶板上方增加补强角钢。(7)千斤顶板焊接时,留有水孔或出水缝,以免下雨积水,造成铁板生锈。支撑梁断面详见下图及表格。
  3、铁塔主角钢的加固补强,增加主材钢性。
  铁塔原设计时具有支撑自身重量及导线、绝缘子、金具重量,并能经受风力、风压、覆冰振动、风偏冲击等力量,经地基塌陷后铁塔造成倾斜,塔重心偏移,受压受拉力量不均匀,造成受压侧荷重增大,受拉侧塔料产生拉力,致使塔料钢材产生疲劳,导线驰度变大或变小。两侧张力不均匀时,倾斜反方向导线拉力增加,塔头及接近塔头部位,易产生永久弯曲受力,下方地脚一旦受力,如遇特大风力,铁塔主材容易折断,各部材料弯曲,小料连接螺栓处断裂开口,接近塔头处折断,所以还要进行铁塔主材的加固补强,目的增加主材钢性,正塔时可增加支撑顶力作用。
  制作方法:(1)根据原设计角钢型号进行卡具制作,卡具材料必须采用不低于-10钢板,切割钢板时,严禁用气焊切割或烧孔。以免引起钢板退火,造成软弱。(2)卡具在主材安装时,根据补强角钢长度,应均匀安装各卡具,两卡具间的间距,不得大于1.5米,安装卡具时,必须贴紧主材安装,所使的卡具螺栓,必须使用高强螺栓。主材补强钢材,必须同原塔主材角钢匹配或大于原设计主材型号。主材与卡具连接后,所增加补强角钢用电焊焊接牢固,使用焊条根据钢号选用焊条型号。
  本方案结合朱大线110KV输电线路40#倾斜铁塔加固纠偏工程实例,自行地探讨出了一种输电线路倾斜铁塔加固纠偏关键技术,是我公司在输电线路治理方面技术上的一次突破。该输电线路铁塔纠偏加固方案于2012年5月开始实施,成功将该铁塔纠偏,通过巡视观测表明加固纠偏方案是成功的。
  铁塔经过上述加固纠偏后(整体结构如图4),运行至今,稳定可靠,良好地承受住了恶劣天气的考验.从实际运用上证明该新型铁塔治理方案简单易行安全可靠,达到经济合理;同时本技术因塔制宜,综合治理。可在相同技术领域内推广。
  三、小结
  输电线路杆塔属高耸结构,不同于一般建筑物,输电线路杆塔加固纠偏有其地域特殊性。在加强线路巡视和创新技术的同时,还应该与与采矿建立动态联系。我公司拥有正规的采掘规划,其各种地质数据、采空区数据也比较齐全、真实,对地表的建筑物、构筑物与地下采区的对应情况了解,容易掌握采矿活动。但在神东矿区,还有一些私人采矿企业,其规模相对较小,相关资料不易掌握。因此,我们作为运行维护单位,还应与这些企业建立密切的动态联系,请这些企业根据采掘进度及时提供各种数据及对地表可能造成的影响。提前掌握这些信息,有助于提前采取预防治理措施,进一步降低采空区塌陷对输电线路的危害。
  参考文献
  [1]厦门电业局.输电线路铁塔加固纠偏技术研究[J].中国科技信息,2006.12.
  [2]张建强等编.煤矿采空区地段高压输电线路铁塔地基处理的研究[J].电网技术,2006,7.
  [3]赵法锁等编.浅析煤矿采空区地面塌陷的防治措施[J].
  [4]范立民,杨宏科.神府矿区地面塌陷现状及成因研究.陕西煤炭技术.2000.
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