盐化电石炉无功功率补偿详细方案.docx

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盐化电石炉无功功率补偿详细方案

淮北盐化40000KVA电石炉无功补偿项目

报价及系统设计说明书

奉行“专注做好每件事”的企业精神

设计单位：

西安瑞驰冶金设备有限责任公司

2009年7月15日

设计技术人员：

电气：

白玉龙（高级工程师）

白玉江（高级工程师）

李岗院（高级工程师）

软件：

吴江（教授、博导）

郝迎吉（教授、博导）

机械：

王昀睿（硕士研究生）

工艺：

刘志波（高级工程师）

参与单位：

西安瑞驰冶金设备有限责任公司

西安科技学院（原西安矿院）

西北工业大学计算机软件中心

施工管理团队：

项目部经理：

徐超峰

项目总负责：

白玉江

工程部负责：

薛冬

技术部负责：

李岗院

协调部负责：

李磊

安全员：

刘凯

其他成员：

王文博、吴文强、王勇、康曌

第一部分设计说明书

1、前言

受淮北盐化的委托，西安瑞驰冶金设备有限责任公司根据淮北盐化提供的电石炉运行参数进行设计。

低电压、大电流、大容量、直接在二次低压短网侧实施就地分相不等量补偿的电石炉二次低压补偿装置，属于西安瑞驰冶金设备有限公司白玉龙先生的专利技术并独家转让给西安瑞驰冶金设备有限公司，属一种非标设计。

2、设计依据

2.1依据40000KVA电石炉低压无功补偿技术条件及要求在地理、自然环境、40000KVA电石炉技术参数、供货范围及要求、技术要求等文件进行设计。

2.2设计指导思想：

认真贯彻国家有关部门的法规，标准和规范。

采用国内先进、适用、可靠的工艺生产技术和工艺设备，保证生产连续、稳定、安全、可靠进行。

产品质量符合要求。

在设计中贯彻“一体化、露天化、轻型化、国产化、社会化”的“五化”方针。

充分结合淮北盐化现场状况，本着节省投资，以先进可靠的技术和优质的产品为客户创造最大的经济效益。

适用标准:

所有设备必须按照现行中国国家标准设计、制造和检验，主要标准为：

产品执行有关国家标准：

IEC298

1kV~52kV交流金属封闭开关设备和控制设备

GB12747-1991

自愈式低压并联电容器

DL/T597－1996

低压无功补偿控制器订货技术条件

GB/T15576-1995

低压无功功率静态补偿装置总技术条件；

GB/T4942.2－1993

低压电器外壳防护等级

GB191

包装贮运标志

SDGJ14-86

导体和电器选择设计技术规定

GB2900

电工名词术语

DL/T5137-2001

电测量及电能计量装置设计技术规程

GB/T2423.5—95

电工电子产品环境试验规程

GB6162—85

静态继电器及继电保护装置的电气干扰试验

DL478—92

静态继电保护及安全自动装置通用技术条件

DL/T5136-2001

火力发电厂，变电所二次接线

GB50227-95

并联电容器装置设计规范

JB/T7113-93

低压并联电容器装置

GB10229-88

电抗器

2.3设计范围

总图：

总平面布置、二次补偿装置原理图、控制原理图。

工艺：

依据二次补偿对供电系统影响的测算编制工艺调整计划书（设备实施后由西安瑞驰公司编写低压补偿调试说明书和使用操作说明书）。

设备：

二次补偿短网的非标设计以及短网的给水接入系统，循环水系统、引风散热系统。

电气：

二次低压电容补偿柜设计，保护报警系统、检测系统、控制系统电气设计。

土建和建安：

电容器室的土建工程设计，短网的建安工程设计

概算：

工程初步设计概算。

3、基本参数和实施补偿后的运行参数见设计方案与图纸

内　　　容

改造前

改造后

变化量

功率因数Cosφ

0.75

0.93～0.95

提高0.18以上

二次侧电（V）

227.4

230

提高3V

实际运行总功（kVA）

40500

≤39000

减小1500

运行一次侧电流（A）

668

≤634

减小34A

运行一次侧电压（kV）

35-36

35.3--36.5

提高0.3—0.5KV

运行最大有功功（kW）

30375

≥36270

增加≥5895KW

运行无功功率（kvar）

26788

≤14336

减少12452kvar

产品平均单耗（kWh/吨）

3250

≤3200

减少50kWh/吨

日产量（平均值吨/天）

224

272

增产48吨/日

接入点：

变压器出线端和短网末端的软连接点前两点补偿接入

布置：

根据用户现场实际情况进行合理规划。

设计原理图：

见附件

4、电容补偿系统分析：

电石炉二次低压补偿是属于将原成熟的就地补偿技术应用到电石炉的二次低压侧，利用现代控制技术和短网技术将大容量，大电流的超低压电力电容器组接入电石炉二次侧的无功补偿装置。

大量无功电流将直接经低压电容器回路流转，从而不再经过补偿点前的短网、变压器及供电网路，在提高功率因数的同时，提高变压器的有功输出率，降低变压器、短网的无功消耗。

该装置不仅是就地补偿原理的最好体现，还可以使电石炉的功率因数在0.93以上运行、降低短网和一次侧的无功消耗、消除5次、7次谐波、调平三相功率、提高变压器的输出能力。

使电石炉的功率中心和炉膛中心相重合，使钳锅扩大，热量集中，提高炉面温度，使反应加快，达到提高产品质量，降耗和增产的目的。

RCH电石炉动态无功功率补偿装置补偿技术，无论在提高功率因数、吸收谐波，还是在增产降耗、改善指标的效果上，都有着高压补偿无法比拟的优势。

属可靠、成熟技术。

5、设计细则

5.1设计原则

根据大型电炉的无功分布状况和应用中电石炉的实际情况，充分考虑到设备运行过程中的工艺波动和超载等要求，采用低压无功功率补偿后功率因素可有效运行在0.92～0.93以上，入炉有功大幅提高，实现增产节能的效果。

在设计中主回路、控制回路、检测回路和短网结构遵循集中控制和就地分相自动不等量补偿的原则。

在设计中遵循重点调平三相有功功率，辅助提高三相和每一相功率因数在0.92以上运行的设计思路，充分体现需多少补多少的思想，使三相功率不平衡度下降和功率因数提高，达到三相输入功率基本相等，使电石炉的功率中心、热力中心和炉膛中心相重合，坩埚扩大、热量集中、反应加快，达到降耗和增产的目的。

5.2无功和谐波的危害

目前冶炼系统存在无功功率较大和谐波污染问题，大量无功电流在电网和变压器以及二次侧中的流转会导致线路损耗增大，变压器效率降低，电压跌落严重电能质量严重下降；谐波污染则会使用电设备所处的环境恶化，也对周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。

无功功率和谐波对公用电网和其他系统的危害大致由以下几个方面：

（1）无功功率使变压器输送能力降低；

（2）根据电石炉冶炼的原理可知，冶炼过程中必然存在强弱极，造成火力点不集中。

（3）降低了输电及用电设备的效率，谐波超标会造成电能质量下降，敏感设备误操作、监测系统失真等问题。

（4）谐波不但能引起附加损耗，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热，同时会对补偿系统电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以致损坏。

（5）谐波对临近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。

结合我公司多年电炉补偿和谐波治理经验，在设计中充分考虑谐波的影响因素（采用电能质量采集器在线采集包含3—51次谐波在内的全部的电能质量参数），对于5次、7次、11次等高次谐波加装一定比例的电抗器进行吸收，使超标谐波符合电网国标要求。

5.3系统补偿容量的确定

无功补偿容量计算公式为：

P＝S×COSΦQc＝P×（tgΦ1－tgΦ2）

根据分相不等量就地补偿这一总的原则，根据设备运行参数，和计算

公式，功率因数从0.75提高到0.93通过理论公式动态计算所需的理论总补偿容量为14783Kvar，考虑到炉况等其他因素波动的影响，容量做15%的放大，最终容量选择17739Kvar。

理论上，电容器额定工作电压应等于变压器低压侧额定输出电压，但实际上，因变压器一次侧输入电压可能略高于额定电压设计，同步提高了二次侧实际输出电压；同时电容本身也有一定的升压作用，考虑到设备安全运行及瞬时电压波动的影响，设计时单只电容器的容量在电压取230V更贴近实际运行情况，考虑到变压器和线路的电抗，以及串联在系统中的消谐电抗器的影响，结合生产过程中的波动和冶炼过程的超载、二次冶炼电压的变化、电容器循环投切、短网实际结构、冶炼工艺系统的波动等因素对电容的影响，确定选择补偿容量时做适当的放大，最终补偿容量选择在230V运行时为20559Kvar，全部容量为动态补偿，全部容量可控。

考虑到谐波、操作过电压、和电石炉超负荷生产时冶炼电压会提高的因素，电容器的膜选择400V的耐压等级，由于电容器的容量是和电压的平方成正比，同样在230V时20559Kvar的容量，换算到250V时为24290Kvar。

，换算到400V时为62181Kvar。

5.4电容器的选择

在合理确定总补偿容量、选择质量及性能指标好的电容器是确保补偿系统稳定的前提下，我公司根据多年低压补偿系统的实经验和实际电炉冶炼状况，根据技术文件中参数要求，按照我公司的技术标准和军品标准委托军工企业生产的电炉无功补偿专用电容，具有耐高温、自愈性好、抗冲击情强，针对电炉冶炼环境（如高温、高湿、粉尘覆盖等）散热好，性能稳定等特点。

主要特点：

（1）采用专用基膜，具有抗冲击性好、损耗低，电容器自身体积小、发热量少、温升小、工作寿命长；内部结构设计保证足够的散热能力自然衰减缓慢等特点。

（2）优良的自愈性能使过电压所造成介质局部击穿能迅速自愈；

（3）内装放电电阻、过流过压保护和压力保护装置，安全可靠；

（4）采用纯干式真空注塑设计，能承受极高的工作温度；

（5）根据使用参数设计配置不同比值电抗，抑制涌流电流；

（6）考虑到谐波、操作过电压、和电石炉超负荷生产时冶炼电压会提高的因素，电容器的膜选择400V的耐压等级，以保证电容器的寿命。

（7）积木式结构，电容内部单一支路可单独更换，减小维护量和成本

5.5补偿投入点的选择

低压补偿降低的是接入点前的线路无功损耗，根据这一原理，针对电石炉低压侧短网进行补偿，使补偿点上连接的无功补偿装置既能尽可能多的补偿系统无功，同时要兼顾短网的合理接入，减少冶炼环境及操作维护等不利因素带来的影响。

因此补偿连接点选在短网与软铜缆的连接点上。

在接入点同时设置了监测点，便于对高、低压侧运行的无功功率进行测量与计算，再输入系统以确定补偿容量的大小。

5.6控制方式

常规补偿中以全部容量静补方式以及通过检测功率因数或无功功率进行三相同步等量调节的补偿方式，和电石炉短网、炉内电弧存在的三相不平衡现象不匹配，不能大幅度降低三相不平衡度。

因此控制重点应该放在调平三相功率、降低三相不平衡度上，以此扩大熔池面积、提高液面温度、缩短反应时间，并最终达到增加产量、节能降耗的目的

如图上所示一次侧电压、电流信号送入1号采集器，采集器经过运算后向工控机的软件送入三相以及单相的所有电气参数，包含一次侧电流I、电压V有功功率P、无功功率Q、总功率S、频率f、电流谐波THDi、电压谐波THDv、功率因数COSФ、三相功率不平衡等电量参数作为数据显示，其中一次侧功率因数作为监控信号；二次侧电压送入2号采集器，采集器等三相以及单相的电压参数输入软控系统，其中二次侧电压参数作为监控信号。

通过参数可调的一次侧功率因数和二次侧冶炼电压设定运行的一次侧功率因数和二次侧冶炼电压参数送入PLC中，经运算处理后通过PLC发出a-x、b-y、c-z控制信号，分别调节三相补偿容量。

系统投入后自动比对投入后各项电参数，监控整个系统运行准框，同时检测结果反馈之软控系统，实现设备的最佳运行。

控制的细分需要：

在投切过程中，投切的容量分得越细，投切就越平稳、越接近冶炼系统；但过于细分会造成系统处理数量巨大，成本增加，所以合理细分投切容量是保证系统稳定可靠运行的关键，。

在电容柜的控制切换到远程自动控制时，电容器的投切将由自动控制，自控制程序开发遵循以下几方面的原则

（1）电容器的投用和切除遵从先投先切、循环投运的原则，确保设备均衡使用；同一个柜内的投用按顺序方式进行、不隔跳。

（2）投切程序将根据一次侧功率因数、有功功率、二次侧各项电压、谐波分量、可供投切的电容器组等电能质量分析或实测参数进行分析，考虑多方面综合因素进行复合检测控制。

（3）电容器投切电压、极限电压等参数可通过工业计算机进行设定、修改。

（4）采用工业计算机对电容器组投切故障等进行显示、报警。

（5）自控程序将根据系统的运行参数进行比较计算，复核系统的运行情况，对运行中出现的异常情况进行报警提示，便于及时维护处理。

5.7软件控制系统

电石炉低压补偿系统的控制软件是我公司与西安科技学院、西北工业大学计算机中心联合开发的第五代专业控制软件，该软件将模糊逻辑控制技术与冶炼工艺相结合。

传统控制理论不能解决调节过于频繁和高精度控制这对矛盾，对此，我公司研发的自修正动态补偿技术，它能自动在运行过程中对控制器自身的有关参数进行调整实现信息监测反馈，使系统的品质和性能改善，系统的稳定性、精确度大大提高。

该系统通过来控制电容器组自动投切控制以实现补偿装置跟随电炉工况波动而自动补偿，有效降低了炉况波动，该系统人为干预因素少，可实现补偿系统的分组、分相循环自动投切。

该系统具有如下特点：

（1）根据工况变化按照设定的二次电压或一次侧功率因数值自动投切电容器，使高压侧功率因素在正常生产条件下可以达到设计要求；

（2）随负荷送入状况补偿系统自动调节电容器的投切；

（3）能够有效实现电容器短路保护，温升保护，谐振保护，过流过压保护等；

（4）采用PLC对电容器组自动投切进行控制；能够通过工业计算机进行参数设定，显示工况及故障、报警；操作界面直观，操作简捷、方便，参数确定后不需要操作人员进行过多干预；

（5）合理编制电容器自动投切控制程序，对投切响应时间、功率因素、电压、谐振、可供投切的电容器组等工况因素及电能质量参数进行分析，充分考虑多方面综合因素进行检测反馈控制，保证投切过程电压、电流波动在一定范围内，投切后运行稳定可靠、功率因素达到设计目标，细分电容器组并保证所有电容器轮换投切、均衡器负荷；

（6）合理配置总补偿容量及各分相补偿容量，使各相负荷均衡；

（7）电容补偿装置自动投切阀值、响应时间窗口等参数可以任意设定，并能实时监测、反馈电容的工作情况；

（8）系统特别设计的手动/自动转换设置，可方便实现任意一种控制，并保证不会因软件故障而全部退出或投入电容引起的冲击事故。

（9）独特的模糊控制理论，可针对电炉前一阵的运行数据自动分析，给出最佳冶炼负荷曲线，并有最佳电极自动控制的升、降输出功能。

（10）独特的数据库设计功能，除能完成所需的所有参数外，还可根据自己需求实现定点、定时的数据库分析系统。

5.8软件功能

（1）实时显示全电炉和低压补偿系统运行参数；

（2）系统实时监测保护，现实设备运行状况；

（3）测定系统中谐波分量无功分量触发系统投切；

（4）系统能效水平监控和三相不平衡管理；

（5）数据分时段自动备份，专业的数据库管理子系统，以备调用；

（6）预留出乙太网接口，可生成本地数据池与客户方的整个管理系统实现无缝对接；

（7）系统预留出信息接口可与我公司的能源管理中心进行无缝对接；

（8）系统加密功能；

（9）报表检索打印功能。

（10）手动/自动转换、投切时间、投切参数、修改权限管理功能；

（11）先进的检测功能，能实时监测并反馈电容的工作状态；

（12）软件终身免费升级功能（新软件兼容旧版本的软件）。

5.9谐波的消除

为防止低压补偿装置投运后系统谐波对电容器的影响，为此在每个电容器支路上加装该支路容抗1%的感抗，并加装放电电阻和过流保护的熔丝。

对于5次、7次、11次等高次谐波加装一定比例的电抗器进行吸收，使超标谐波符合电网国标要求。

5.10浪涌电流隔离措施

采用过零投切的电容专用投切器，其由大功率可控硅过零投入电容器，然后转接到真空接触器下运行，因而投入电容时无涌流，运行时不发热，分断时不产生高压、无火花，故障率低，同时在可控硅上加装了阻容吸收装置，并在电容上加装了串联电抗器将浪涌电流抑制在允许范围中。

5.11操作过电压的防治

每只电容器上加装基于纳秒级压敏电阻的操作过电压抑制器。

5.12补偿系统大电流短网选择

补偿投入点的选择

无功补偿降低的是接入点前的线路无功损耗，根据这一原理，针对矿热炉低压侧短网进行补偿，使补偿点上连接的无功补偿装置既能尽可能多的补偿系统无功，同时要兼顾短网的合理接入，减少冶炼环境及操作维护等不利因素带来的影响。

因此补偿连接点选在变压器出线端和短网末端的软连接点前两点补偿接入。

电容柜安装在三楼楼面和变压器室旁边。

主回路分别安装在18个补偿柜中，1个控制柜，补偿系统每相用四根铜管与系统短网连接，分别通水冷却，小于冶金标准，减少发热和损耗。

5.13补偿作用

（1）有效提高功率因数

可有效减少短网上大量无功消耗，进而提高变压器的出力，增加冶炼有效功率输入。

（2）有效平衡三相功率，提高产品质，降低损耗

炉料的熔化功率是与电极电压和料比电阻成函数关系的，可以简单表示为P=U2/R。

选择在短网末端与电极等长点采用三相不等量补偿，弥补由于三相短网不等长造成的电极电压不平衡，改善三相强弱相状况，使电极功率不平衡度≤5%。

功率平衡后，三相电极的功率中心和炉膛中心重合，使钳锅扩大，热量集中，炉温升高，反应加快，进而提高产品品质，降低电耗。

（3）降低线电流，提高电极电压

实现节电的电炉无功功率主要是由电弧电流形成的，其无效损耗主要消耗在变压器和短网上。

保持有功不变情况下，补偿后线电流降低百分比＝（1-Cosφ1/Cosφ2）×100%，在效降低线路电压降，提升负载电压。

实际使用中，可使冶炼电压提高3－6V。

由于在电极附近实施补偿，大幅减少无功功率在线路中的流转量，减少了短网、变压器、高压线路的热损耗。

同时，由于优化系统电参数，提升了冶炼效率。

（4）抑制谐波，保护电容器，延长设备寿命

减小网路附加损耗冶炼变压器和冶炼电弧产生谐波是不可避免的，尤以3、5、7、11次为最，其危害是：

加速设备绝缘老化，缩短设备使用寿命，造成敏感设备误动作，增加设备无谓损耗。

本应用本装置后可有效抑制超标谐波，实现安全生产，延长设备使用寿命的目的。

5.14其它

在系统设计选型上及安装时，考虑到了整个系统的接地，电容器单体接地问题。

我们还注意到了当电容器发生短路被击穿时，不致因事故而引起爆炸。

同时，在紧急处理及正常操作、维护时，应周全地考虑到操作人员的安全性，简单性、可靠性及防误操作性。

5.15设计方案图纸

在该文件中，只做出了电石炉二次补偿设备的一次原理图和布置图补偿装置产品设计到一定程度（合同签订后10天左右），根据需要召开一次买我双方参加的设计审查会，核对产品设计否符合合同及附件要求和补偿配套设备是否满足要求

买方进行单项工程施工前向我方提交相关工程的施工图及设计技术资料8份。

我方在施工前，应向买方提供相应的施工网络图和项目进度计划，并经买方确认。

设备制造过程中，买方派员去制造厂做全过程质量监督及联络工作。

设备出厂前，买方应派员做出厂前试验

设备安装调试验收前,我方应向买方提交整个工程项目竣工图、易损件图纸、设备清单、备品备件清单、设备安全、技术操作规程、检修维护操作规程各8份及以上资料的备份光盘一份。

所有的有关产品图纸均由微机给出，并提供8套蓝图，1套资料光盘。

5.16外部技术支持

公司在电石、铁合金领域各大院所、单位均有比较深入的合作，并建立了以电石、铁合金节能为目的的技术交流平台，在进行低压补偿调试时可同时为生产、工艺服务，能有效的使生产和工艺相结合，必要时可邀请行业资深专家、经验丰富现场工作人员进行交流指导。

6、技术特点

（1）应用自主开发的“电炉低压二次补偿”专用软件，实现计算机自动跟踪、自动控制的动态补偿。

（2）运用分相不等量补偿法，有效平衡三相功率。

（3）在大量实验基础上，率先建立了电炉无功分布数据库，创建了电石炉无功分布数学模型，准确掌握系统无功分布，选择最佳补偿位置。

（4）联合开发专用超低压自愈存干式电容器，采用德国进口基膜，银锌覆膜，内置过流、过压、压力切断防爆三重保护装置，自愈性好，寿命更长。

（5）加装不同比值的电抗消除谐波，结合专用电容投切器抑制浪涌电流，有效延长设备寿命。

（6）低压补偿专业公司，依托西安强大的高校科研平台，实验手段先进，技术力量雄厚；从事电石炉二次侧低压补偿超过8年，经验丰富，实际投入运行累计近100余台。

（7）施耐德电气（中国）公司OEM合作伙伴，信誉有保证，质量更可靠。

（8）采用先进防尘降温技术，完全适应电炉高温重粉尘恶劣环境。

（9）柜内科学合理通风设计，有效解决设备发热问题。

（10）柜内加装温控报警装置，出现铜管断水和设备温升越线时自动报警，同时切断电容器组，有效保证设备安全。

（11）柜内、短网大量使用绝磁材料，防止因涡流效应产生的设备发热，保证设备安全。

（12）针对电炉实际状况，结合电效率和热效率之间的关系，开发出专业控制软件，通过软件参数设定，实现设备过流过压保护功能，确保设备安全运行。

（13）实现对于冶炼参数实施监控，提高冶炼人员的操作水平，便于改善工艺。

（14）柜内、短网连接选用合理的公差配比，确保接触面和连接的可靠性，避免因接触不良发热打弧现象产生。

（15）人机对话界面，方便操作，设备自动运行，基本免维护。

（16）加装在线UPS，解决谐波电流和电压波动对于软控系统的冲击。

（17）系统接地和电容器单体接地，充分考虑到电容器发生短路被击穿时的事故风险。

同时，在紧急处理及正常操作、维护时，周全地考虑到操作人员的安全性，简单性、可靠性及防误操作性。

（18）GGD标准柜积木式管理，每相补偿柜可独立放置，占地小，易摆放

（19）依据实际运行工况专业设计，补偿效果更佳。

（20）具有自适应功能，实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应。

（21）可同时对谐波和无功功率进行补偿，补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需储能元件的容量不大，且补偿无功功率的大小可以做到连续调节。

（22）受电网阻抗的影响不大，不会与电网阻抗发生谐振；且可以跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响。

（23）由于补偿系统为变压器的一次侧和二次侧，容量有大有小，电压有高有低，所以本装置使用积木式结构，即小容量成套装置依据变压器二次侧无功功率状态和谐波的大小再进行并联，达到电压和电流满足变压器二次侧要求，达到无功功率和谐波在最短路经上流转以及实现就地补偿和动态实时补偿的目的。

（24）该装置除了可以按照功率因数或者无功功率控制之外，还可以按照电压幅值来控制，确保用户获得的电压的平稳性，降低电压纹波。

本项目采用积木式并联连接的方式，采用基于小波分析的实时动态在线检测和人工智能的柔性交流输变电等技术，实现了冶炼变压器无功功率就地补偿治理谐波的目的。

（25）过补谐振保护

投用电容器，必须严密控制过补导致的谐振。

只有采用电容自动投切控制，且投切控制逻辑能够有效识别谐振并正确动作，使投切过程不产生破坏性谐振，整个控制逻辑贯穿于电容补偿装置工作始终，确保整套系统稳定可靠。

（26）先进的检测功能，能实时监测并反馈电容的工作状态；

7、施工安全保障措施