摘要：直流输电工程是双极系统，在一极建成先投产运行另一极没有建成的情况下，或在双极系统投运后，在一极检修或发生事故后，另一极则可通过接地极站以大地为回路进行运行，因此设置在直流输电线路两端的接地极站是直流输电工程必不可少的组成部分。直流输电线路作为特高压输电网的一个重要组成部分，直流接地极在系统运行期间起着极其重要的作用。传统型水平接地极，占地面积较大，选址困难，对土地的破坏程度也较大。经过设计优化，直流输电线路直流接地极选择了垂直型接地极的方式，有效的解决了土地资源紧张，选址异常困难等问题。
关键词：垂直型接地极；电极井；铝热反应；热熔接；填充焦炭；电缆敷设；
1、引言
滇西北至广东特高压直流输电工程的建设是落实“西电东送”战略，促进南方电网 区域内资源优化配置的一项重要举措，是落实大气污染防治，缓解广东珠三角地区环保 压力的需要。该项目不仅可满足广东电网用电负荷增长、促进经济健康持续发展的需要，也提高了深圳区域的供电可靠性，对确保该区域电力供应意义重大。
2、主要用途
本套施工方法以“特高压±800kV直流输电线路垂直型接地极施工技术”示范工程滇西北24标接地极址工程为例，专门应对垂直型接地极施工，将一系列的先进技术和科学的管理方法组合起来运用。通过人机配合、以机代人、“立体化”模式施工，确保接地极施工高效、可靠，减少接地极施工工器具运输、就位过程中人力的投入，减轻作业人员工作量；在施工周期短，隐蔽工程复杂的情况下，合理利用资源配置，有效衔接各道工序，防止交叉作业过程中产生相互制约。
3、技术原理分析
3.1 钢护筒护壁
在电极井成孔之后形成泥浆护壁，为了防止电极井坍塌、出现漏浆现象，需先在电极井内加装钢护筒，以确保电极井内结构的稳定。
3.2 馈电棒与导线的焊接（铝热反应焊接）
铝热法是一种利用铝的还原性获得高熔点金属单质的方法。可简单认为是铝与某些金属氧化物（如三氧化二铁、三氧化二铬、二氧化锰等）在高热条件下发生的反应。铝热反应常用于冶炼高熔点的金属，并且它是一个放热反应其中镁条为引燃剂，氯酸钾为助燃剂。镁条在空气中可以燃烧，氧气是氧化剂。但插入混合物中的部分镁条燃烧时，氯酸钾则是氧化剂，以保证镁条的继续燃烧，同时放出足够的热量引发金属氧化物和铝粉的反应。
铝热反应的原理，是铝单质在高温的条件下进行的一种氧化还原反应，体现出了铝的强还原性。由于氧化铝的生成焓（-1645kJ/mol）极低，故反应会放出巨大的热，甚至可以使生成的金属以熔融态出现。另一方面，反应放出大量热使铝熔化，反应在液相中进行使反应速率极快，短时间放出极大量的热。铝热反应的剧烈程度，由金属离子氧化性所决定。据估计，500克铝热剂（成分是氧化铁和铝）会在30秒内燃烧殆尽。
表达式：2yAl+3MxOy=高温=yAl₂O₃+3xM（M为金属元素）
实验反应化学方程式：
氧化铁：2Al+Fe₂O₃==高温==2Fe+Al₂O₃
四氧化三铁：8Al+3Fe₃O4==高温==9Fe+4Al₂O₃
二氧化锰：4Al+3MnO2==高温==3Mn+2Al₂O₃
五氧化二钒：10Al+3V2O5==高温==6V+5Al₂O₃
氧化铬：2Al+Cr2O3==高温==2Cr+Al₂O₃
（铝热反应配平技巧：取反应物和生成物中氧化物中两边氧的最小公倍数，即可快速配平，如铝热法中，可取Fe₃O₄和Al₂O₃中氧的最小公倍数12，则Fe₃O₄前应为3，Al₂O₃前应为4，底下便可得到Al为8，Fe为9）
本施工技术在馈电装置的馈棒电极圆钢与导流电缆驳接中采用铝热反应焊接技术焊接，焊接点采用环氧树脂可靠密封，包封长度不低于500mm。铝热反应焊接在地面操作完成后再将馈电棒下放置电极井中连接。
（1）铝热反应焊接技术，利用金属氧化—还原反应产生的高温来完成金属导线间的连接。熔模内的熔粉经起火粉点燃后，迅速发生剧烈的氧化—还原反应，温度高达1200℃～1500℃，还原后的高温铜浆熔化隔离片经注入孔立即流入模穴内，将熔接点部份的铜缆一起熔化，冷却后即形成了一个完整的对接接头。其连接质量远高于人工焊接。
（2）此次焊接的材料为直径70mm圆钢与YJAY33-6-1×25电缆连接，采用专制规格石墨模具焊接，由专业技术员现场操作，铝热反应焊接由专业设计模具，模夹保证馈棒圆钢及铜线夹紧后完成铝热反应焊接，使圆钢和铜线形成铜接口，连接牢固且导电性好。
图4.7 吊装馈电装置
4.2.2.6 碳粉填充：焦炭填充是接地极施工的重要环节，接地极运行性能直接和其施工质量有密切关系，必须保证焦炭在运输及施工过程中，不受到污染。焦炭必须夯实，不得有空气和水泡，密实程度为 1100kg/立方，夯实压力不应破坏井内的排气管、电缆和焊点等。
此次焦炭颗粒的导入采用泵车导管方式灌注，由底部往上分层灌注，每灌注 5 米采用插入式震动棒密实，反复震动密实。导流电缆采用了钢管保护，操作过程不会受到破坏。
焦炭的灌注与密实
A：焦炭颗粒采用斗车倒入泵车接料斗内进行，按每层5米约4立方焦炭导入后停止进行下一步震实工作。
B：开始灌注时，导管下到距孔底40～80cm左右。
C：后台操作人员在灌注过程中缓慢提升导管，保证导管在下料的同时对馈棒电极及导流电缆、排气管及三角支架不会破坏，同时应保证馈棒电极始终保持在中间部位。
D：焦炭密实是难度最大的一环，由于导管内部结构应保持稳定性，三角支撑架布满在护筒内，按物理施加压力夯实无法实施，护筒10米以下采用导管灌注焦炭的由上往下的冲压力密实底层焦炭，导管口距离底部保持10米的距离，分层灌注，产生的冲压力将底部焦炭颗粒压实。护筒顶部10米采用高压振动棒密实，在下导管的同时应将1根高压振动棒同时放入（在三角支架另外两侧），采取边灌注焦炭边震动密实的效果，每米分层震实。
E：焦炭填充前在井口搭设一个规范操作平台，用于焦炭填充时防止有砂石破坏孔内馈电装置及防施工作业人员坠落桩孔内。
焦炭必须夯实，不得有空气和水泡，夯实程度为 1100kg/ m3，不能小于1000kg/m3（干焦炭）。夯实压力不应破坏井内的排气管、电缆和焊点等。井内离地面 5m 需填充绝缘层，依次填充沙、卵石合体，卵石和细沙。填充过程中注意保护好分支引流电缆。
成品后的内部结构如下：
6、关键技术与创新亮点
6.1 通过精确的调度及流程化的管理减少对接地极址内农耕土地的占用，有效保护环境
接地极址中电极井采用垂直型接地极施工技术，先在就近空地上进行钢护筒及接地极馈电装置的组装，然后用运输车转运至施工区，再以人机结合的方式进行吊装，减少了施工过程中对农耕土地资源的占用；降低了对土地的破坏及周围环境影响；减小了青苗赔偿范围、节省了施工成本。
6.2 技术先进，有效保证电极质量
接地极馈电装置的馈棒电极圆钢与导流电缆采用先进的铝热反应焊接技术，运用此技术焊接时，焊接点金属呈液态流入连接点，使得焊接面均匀密实、接触紧密，有效降低了焊接点的连接电阻。具有机械性能良好、冲击电阻稳定、抗腐蚀能力强、自由调控反应温度连接简单、提高安全电流负载能力等优点。
接地极馈电装置的PPR管采用热熔拼接方式，使得管与管之间驳接紧密，具有良好的密封性，接缝处不会由于外界载荷的作用断开。拼接工艺简单，施工方便，综合造价低。
电极井碳粉充填采用泵车导管方式灌注代替人工填充，确保了焦炭的密实充填，并且提高了充填效率。不仅确保了接地极施工质量，还减小施工过程中碳粉颗粒对工作人员健康的损害。
6.3 施工高效，现场施工管理布局合理，科学“立体化”施工
电极井施工过程中利用吊车、运输车等方式，通过人机配合、以机代人、“立体化”模式施工，确保接地极施工高效、可靠，能够最大限度的发挥机械及作业人员的工作效率，通过提高对机械的使用率达到了减员增效的效果，有利于施工管理，安全措施可靠、保障。
7、效益分析
7.1 经济效益
本套施工技术研究专门应用于垂直型接地极施工，将一系列的先进技术及科学的管理组合起来运用，包括铝热反应焊接、热熔连接、馈电装置组装、钢护筒和馈电装置的吊装、焦炭充填、牵引机敷设电缆、精确的调度及流程化的管理等全过程，有效的缩短工期、降低成本、经济效益高。
7.2 具有推广价值，社会效益显著
本施工技术成果工作原理科学，工艺流程合理，运用在直流输电线路垂直型接地极施工中有效的提高了施工工艺质量，具有较高的创新先进性，适应时代的发展，社会效益显著，此施工技术对今后接地极施工有着积极的借鉴作用。
7.3 环保效益
接地极址中电极井的馈电装置采用“加工—转移—施工”、先进的技术、精确的调度及流程化的管理等方式，减少了施工过程中对极址区内农耕土地资源的占用；降低了对土地的破坏及周围环境影响；体现了“科学管理”、“节约资源”、“低碳环保”、“以人为本”的施工理念。
8、结束语
随着社会经济及电力系统的发展，电网施工质量工艺要求也越来越高，土地资源也越来越远珍贵。本施工技术研究通过科学的管理及先进的技术应用有效的缩短了施工周期，提高了施工工艺质量，经济及社会效益明显，适应时代发展，具有推广价值。
参考文献：
[1]DL/T 1566-2016，直流输电线路及接地极线路参数测试导则.国家能源局，2016.
[2]DL/T 5231-2010，±800kV及以下直流输电接地极施工及验收规程.国家能源局，2010.
[3]DL/T 437-2012，高压直流接地极技术导则.国家能源局，2012.
[4]GB/T 50789-2012，±800kV直流换流站设计规范.住房和城乡建设部，2012.
论文作者:聂金鸿,周鹏程,黄大鹏
论文发表刊物:《电力设备》2017年第30期
论文发表时间:2018/3/13
标签：焦炭论文; 电极论文; 密实论文; 导管论文; 电缆论文; 高温论文; 夯实论文; 《电力设备》2017年第30期论文;