關(guān)于高壓電力電纜在橋梁上敷設(shè)的方案設(shè)計(jì)要點(diǎn)

楊偉航

（廣州電力設(shè)計(jì)院，廣東廣州 510610）

1 廣州地區(qū)高壓電力電纜隨橋過江的應(yīng)用概況及存在問題

從20世紀(jì)80年代起，廣州地區(qū)的110 kV與220 kV電壓等級(jí)電力電纜就已經(jīng)有了隨橋跨江的實(shí)例，例如1985年投產(chǎn)沿海珠橋敷設(shè)的110 kV伍仙門至瑞寶電纜線路；1999年投產(chǎn)沿海珠橋敷設(shè)的220 kV伍仙門至瑞寶電纜線路；1997年投產(chǎn)沿德泥立交橋（跨越鐵路）敷設(shè)的220 kV羅涌至鹿鳴等電纜線路；1997年投產(chǎn)的沿廣州大橋敷設(shè)的110 kV赤沙至楊箕電纜線路；2005年投產(chǎn)沿科韻路大橋敷設(shè)的110 kV赤沙至員村、110 kV赤沙至棠下電纜線路。2007年投產(chǎn)沿金沙洲大橋敷設(shè)的110 kV羅涌至橫沙電纜線路，沿鶴洞大橋敷設(shè)的220 kV芳村至昌崗電纜線路。

目前，尚有一些道路橋梁在設(shè)計(jì)施工階段已經(jīng)預(yù)留110 kV及以上電壓等級(jí)電纜線路走廊，如新光快速路的獵德大橋。另外，新珠江大橋已經(jīng)建成通車，也準(zhǔn)備在橋梁上補(bǔ)充為地鐵六號(hào)線供電的110 kV電纜線路走廊。

以上線路在橋梁上敷設(shè)長(zhǎng)度都超過百米，最長(zhǎng)的甚至達(dá)到1 km以上，大多數(shù)采取的都是在橋梁人行道下預(yù)留的電纜渠箱內(nèi)敷設(shè)的方式。由于早期對(duì)橋梁上敷設(shè)電纜線路投入的研究不夠，而且也沒有長(zhǎng)期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可作參考，對(duì)橋梁上敷設(shè)電纜如何設(shè)計(jì)、如何運(yùn)行，只能摸索著前進(jìn)，因此對(duì)某些現(xiàn)在看來應(yīng)當(dāng)引起注意的問題不夠重視，例如如何解決運(yùn)行中電纜熱脹冷縮產(chǎn)生的軸力影響，在橋梁伸縮縫、上下橋位置以及電纜接頭處如何考慮OFFSET裝置的布置等，當(dāng)時(shí)也沒有提出相應(yīng)解決問題的好辦法。參考一些工程實(shí)例，本文就橋梁上敷設(shè)電纜的相關(guān)技術(shù)方案進(jìn)行初步研究，提出方案中設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算方法，可作為未來類似工程的參考。

2 電纜在道路橋梁上敷設(shè)方案設(shè)計(jì)的主要技術(shù)要點(diǎn)

利用城市交通橋梁或交通隧道敷設(shè)電纜，應(yīng)在不影響橋梁結(jié)構(gòu)或隧道結(jié)構(gòu)前提下，征得橋梁或隧道設(shè)計(jì)和管理部門認(rèn)可[1]。因此，討論電纜線路在道路橋梁上如何敷設(shè)的前提條件是橋梁管理單位與電力部門能就電纜隨橋跨越達(dá)成共識(shí)。一般情況下，由于橋梁管理單位對(duì)高壓電力電纜在橋梁上敷設(shè)情況的了解不深，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)與電纜運(yùn)行的安全性、橋梁維護(hù)的便利性等問題都存在疑慮，因此，必然會(huì)經(jīng)歷一個(gè)漫長(zhǎng)的談判解釋與論證過程，而這個(gè)過程也是開展電纜敷設(shè)技術(shù)方案的開始。當(dāng)然，電纜在道路橋梁上敷設(shè)必須考慮橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，電力部門需以橋梁擬定的結(jié)構(gòu)形式為基礎(chǔ)，在收集了橋梁設(shè)計(jì)方案的相關(guān)參數(shù)后（包括橋梁平縱剖面、結(jié)構(gòu)形式、計(jì)算荷載、伸縮縫位置、橋梁最大伸縮量、固有振動(dòng)頻率等等），提出電纜線路敷設(shè)方案、線路走廊需占據(jù)的空間以及電纜及其附件的荷載（包括電纜接頭、OFFSET機(jī)械裝置等），再提交橋梁設(shè)計(jì)方進(jìn)行橋梁（含電纜線路走廊通道）的施工圖設(shè)計(jì)。

從電力部門的角度出發(fā)，高壓電力電纜隨橋敷設(shè)的實(shí)施受諸多因素影響，其中最需解決的主要技術(shù)問題就是如何消除電纜伸縮造成的張力影響，此外還有電纜線路的防振、防火等。

橋梁上敷設(shè)的電纜伸縮包含2方面內(nèi)容：一是電纜線路運(yùn)行后由于輸送電流導(dǎo)致電纜溫度上升而產(chǎn)生的熱伸縮；二是橋梁由于本身的熱脹冷縮等因素對(duì)敷設(shè)其上的電纜帶來的伸縮。但是由于橋梁本體的伸縮主要集中在橋梁的伸縮縫處以及橋梁兩端上下橋位置，在這些地方橋梁的伸縮變化遠(yuǎn)大于電纜本體產(chǎn)生的伸縮，電纜可只考慮橋梁伸縮的影響，需采用電纜伸縮裝置對(duì)電纜的伸縮變化進(jìn)行吸收和補(bǔ)償。而在橋梁的中間部位，電纜本體的伸縮遠(yuǎn)大于橋梁的伸縮，故在此處可只考慮電纜自身的伸縮變化，主要采用蛇形布置的方式來吸收和補(bǔ)償電纜的熱伸縮。另外，如果在跨度較長(zhǎng)的橋梁上不可避免要采用電纜接頭的情況下，在接頭處也需采用電纜伸縮裝置對(duì)電纜的伸縮變化進(jìn)行吸收和補(bǔ)償，且一般為避免橋梁伸縮的影響，接頭位置應(yīng)當(dāng)避開橋梁伸縮縫的位置。

在防振方面，在橋梁上敷設(shè)的電纜應(yīng)考慮橋梁因受風(fēng)力和車輛行駛時(shí)的震動(dòng)而導(dǎo)致電纜金屬護(hù)套出現(xiàn)疲勞的保護(hù)措施[1]。因此，在選擇橋梁敷設(shè)電纜的支撐方式時(shí)應(yīng)盡量防止與橋梁發(fā)生振動(dòng)的固有振動(dòng)頻率形成共振。一般跨度在100 m以上的橋梁固有振動(dòng)頻率為0.1 Hz以下，遠(yuǎn)小于電纜固有振動(dòng)頻率，可以認(rèn)為不會(huì)與電纜形成共振，這種情況主要是考慮其余可能存在的特殊頻率。電纜的防振措施最簡(jiǎn)單的就是在電纜固定夾具與電纜之間設(shè)防振膠墊，并保持一定的電纜支撐間距。

在防火方面，橋梁上敷設(shè)的電纜采取的主要防火措施還是涂刷防火漆以及繞包防火包帶等，簡(jiǎn)單有效，方便實(shí)施。

3 電纜在道路橋梁上敷設(shè)技術(shù)參數(shù)的計(jì)算

本節(jié)以110 kV以上電壓等級(jí)單銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣皺紋鋁護(hù)套電纜為分析對(duì)象，對(duì)其隨橋敷設(shè)的技術(shù)參數(shù)，包括OFFSET裝置布置參數(shù)、電纜支撐固定方式與間距等參數(shù)計(jì)算進(jìn)行初步的分析。

在橋梁的中間部位（非伸縮縫位置）時(shí)，可以參照電纜在隧道內(nèi)敷設(shè)的做法，采用蛇形布置的方式來吸收和補(bǔ)償電纜的熱伸縮。假設(shè)電纜線路走廊布置于橋梁人行道，受縱向空間的限制，三相電纜水平排列，電纜可采取水平蛇形布置。確定橋梁的中間部位的線路走廊空間主要按以下步驟進(jìn)行：首先，選取合適的節(jié)距和蛇形幅寬。節(jié)距是指蛇形擺放的電纜2個(gè)波峰或2個(gè)波谷之間的長(zhǎng)度，在公式中一般取半節(jié)距數(shù)值，其代號(hào)為L(zhǎng)；蛇形幅寬為波峰與波谷偏移電纜線位中線的距離之和，其代號(hào)為B，詳見圖1。

圖1 電纜蛇形敷設(shè)參數(shù)符號(hào)說明Fig.1 The parameter symbol description of the snakelike laying cable

然后，根據(jù)選取的節(jié)距和蛇形幅寬分別計(jì)算電纜的伸縮量m、蛇形弧橫向滑移量n以及蛇形弧軸向力等，按端末電纜固定夾具的設(shè)置數(shù)量反復(fù)調(diào)整蛇形節(jié)距和蛇形幅寬，使電纜軸向力控制于合理范圍內(nèi)。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]的附錄D，蛇形弧橫向滑移量n的計(jì)算公式為[1-4]

式中，m為電纜熱伸縮量，mm；B為蛇形弧幅，mm；L為半個(gè)蛇形長(zhǎng)度，mm；n為電纜橫向滑移量，mm。

電纜熱伸縮量m=α·t·L。

另外，在有金屬護(hù)套的交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜水平蛇形敷設(shè)時(shí)，蛇形弧軸力計(jì)算公式為

溫度下降時(shí)：

溫度上升時(shí)：

式中，W為電纜單位重量，N/mm2；EI為電纜抗彎剛性，N·mm2；n為電纜橫向滑移量，mm；α為電纜線膨脹系數(shù)，1/℃；B為蛇形弧幅，mm；L為蛇形弧半個(gè)節(jié)距長(zhǎng)度，mm；t為溫升，℃。

以220 kV導(dǎo)體截面為2500 mm2交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜為例，經(jīng)過計(jì)算，在滿足電纜端末軸向力不大于900 kg條件下（即使用3套電纜夾具，每套夾具抱緊力為300 kg），可以選擇蛇形半節(jié)距為4 m，蛇形幅寬為250 mm。

在解決了電纜在橋梁非伸縮縫位置的敷設(shè)形式后，接下來要考慮電纜在橋梁伸縮縫處的敷設(shè)形式[5-6]。一般的步驟首先是收集橋梁在各個(gè)伸縮縫處的最大伸縮量以及相當(dāng)于30 a反復(fù)伸縮的次數(shù)等參數(shù)，然后設(shè)計(jì)OFFSET尺寸，使收縮時(shí)電纜的最小彎曲半徑是在容許彎曲半徑以上，接著計(jì)算鋁護(hù)套的疲勞應(yīng)變是否滿足容許伸縮應(yīng)變，再用Minor疲勞累積破壞法則驗(yàn)證按此敷設(shè)形式鋁護(hù)套在30 a電纜使用壽命內(nèi)不會(huì)開裂。

如圖2所示，未送電時(shí)電纜彎曲半徑計(jì)算公式為

圖2 OFFSET尺寸計(jì)算示意圖Fig.2 DFFSET size diagram

式中，L0為初始OFFSET半節(jié)距，mm；F0為初始OFFSET幅寬，mm。

電纜伸縮后彎曲半徑計(jì)算公式為：

式中，L′為伸縮后OFFSET半節(jié)距，mm；m為伸縮量的一半，mm；F′=F0+n；n為電纜橫向滑移量，mm。

根據(jù)式（4）、式（5），OFFSET選取的蛇形幅寬與半節(jié)距必須使電纜伸縮后R′計(jì)算結(jié)果不小于容許彎曲半徑，同時(shí)計(jì)算出F′數(shù)據(jù)作為線路走廊空間的寬度設(shè)計(jì)依據(jù)。

接著計(jì)算鋁護(hù)套的疲勞應(yīng)變，其計(jì)算公式為

式中，Ds為金屬護(hù)套平均外徑，mm。

其結(jié)果需滿足ε日間≤0.3%。

然后計(jì)算鋁護(hù)套破裂時(shí)伸縮次數(shù)，其計(jì)算公式為

式中，ni為該伸縮縫30 a伸縮次數(shù)。

若滿足則說明鋁護(hù)套在30 a內(nèi)不會(huì)斷裂。

當(dāng)然，引起橋梁的結(jié)構(gòu)伸縮變化因素是復(fù)雜與多樣的，包括溫度變化、車行荷載、風(fēng)荷載、地震等因素，因此，只有將各種因素引起的疲勞系數(shù)累計(jì)在一起，且計(jì)算出

式中，Ni為鋁護(hù)套破裂時(shí)伸縮次數(shù)。

最后驗(yàn)證是否，才能斷定金屬護(hù)套不會(huì)在使用壽命內(nèi)出現(xiàn)疲勞開裂的不利影響。雖然橋梁伸縮等引起電纜金屬護(hù)套疲勞應(yīng)變的各種因素較難統(tǒng)計(jì)以及準(zhǔn)確量化，但其遵循的計(jì)算方法仍是一致的。另外，以上計(jì)算思路對(duì)于電纜接頭處OFFSET裝置的布置也同樣適用，由于在橋梁上電纜接頭位置盡量避開橋梁伸縮縫的位置，其與隧道內(nèi)電纜接頭布置有共通之處，主要通過考慮電纜自身的伸縮變化因素來確定OFFSET形狀常數(shù)，不再詳述。

下面接著討論電纜在橋梁上敷設(shè)的防振措施。前面已經(jīng)說過，受構(gòu)成橋梁的各部分材料的影響等，橋梁存在較多的特殊頻率，因此，要考慮振動(dòng)絕緣，其最簡(jiǎn)易的辦法是，電纜支撐系統(tǒng)的間隔應(yīng)保證固有振動(dòng)頻率與橋梁振動(dòng)的特殊頻率不同。

目前，單純支撐非夾持式支點(diǎn)支撐的電纜固有振動(dòng)數(shù)可按下述公式[5]計(jì)算∶

式中，L為電纜支撐間隔，m；W為電纜單位重量，N/mm；g為重力加速度，9.8×103mm/s2；EI為電纜彎曲剛性，N·mm2。

以式（9）固有振動(dòng)頻率算出電纜支撐間隔L，只要電纜支撐間距小于L，就可以實(shí)現(xiàn)振動(dòng)絕緣。對(duì)于斜拉橋，吊橋可按30 Hz考慮選擇支撐間隔。以220 kV導(dǎo)體截面為2500 mm2交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜為例，其EI=3.94×1010 N·mm2，W=0.363 N/mm，取f=30 Hz，則計(jì)算得L=1307 mm，即只要電纜支撐間距小于1.3 m，就可以滿足防振要求。同時(shí)，在電纜固定夾具與電纜之間墊設(shè)防振橡膠，既簡(jiǎn)便又有效[1]。

4 結(jié)語

由于橋梁本身結(jié)構(gòu)與導(dǎo)致其振動(dòng)因素的復(fù)雜性，電纜在橋梁上敷設(shè)與埋設(shè)在地下或敷設(shè)于隧道內(nèi)有很大的不同，需要考慮的因素也比較多，包括電纜在橋梁伸縮縫處、電纜接頭處OFFSET裝置的布置、防振要求等。本文對(duì)電纜線路在橋梁上敷設(shè)的一些參數(shù)計(jì)算提供思路與方法，與橋梁本體的一些參數(shù)相結(jié)合，經(jīng)計(jì)算就可以選擇合適的電纜敷設(shè)、固定方案，確定線路走廊空間，進(jìn)而在橋梁的設(shè)計(jì)中考慮線路走廊的布置，從而做到既能滿足橋梁運(yùn)行管理要求，又能保證電纜安全可靠地運(yùn)行。

[1] 中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).DL/T 5221-2005城市電力電纜線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].北京：中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)，2005.

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