一種安全高效的特高壓線路跨越高速鐵路技術(shù)

武 瀚，盧自強(qiáng)

(1.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司，山西 太原 030001；2.國(guó)網(wǎng)山西供電工程承裝公司，山西 太原 030001)

0 引言

特高壓輸電具有輸電容量大、輸送距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍廣、損耗低、占地少的顯著優(yōu)勢(shì)，對(duì)資源優(yōu)化配置、服務(wù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、大氣污染防治具有重要意義。按照“十三五”規(guī)劃，到2020年，我國(guó)特高壓線路長(zhǎng)度將達(dá)到8.9萬km。

與此同時(shí)，近年來高速鐵路發(fā)展迅速，運(yùn)營(yíng)里程已經(jīng)超過2萬km，不可避免地將遇到特高壓線路跨越高速鐵路的情況，跨越過程中的問題也越來越突出。

面對(duì)諸如高速鐵路跨越“天窗期”短，跨越架搭設(shè)工作量大，跨越高度受限，施工費(fèi)用較高，跨越架穩(wěn)定性較低等問題，如何安全、高效、經(jīng)濟(jì)地跨越高速鐵路，這是特高壓建設(shè)面臨的一項(xiàng)重要課題，亟待解決。

1 跨越施工現(xiàn)狀

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)電力線跨越鐵路、公路和電力線路的施工技術(shù)，主要分為無跨越架和有跨越架2類。無跨越架施工，主要是利用跨越檔兩端的鐵塔安裝輔助橫梁，在輔助橫梁之間設(shè)置封頂桿、封頂網(wǎng)；有跨越架施工，主要包括組立專門的跨越鐵塔、金屬結(jié)構(gòu)跨越架和鋼管、毛竹跨越架，在跨越鐵塔或跨越架之間架設(shè)封頂網(wǎng)。

上述2類跨越技術(shù)各有以下優(yōu)缺點(diǎn)。

(1) 無跨越架施工成本低、不受交叉跨越角影響，但跨越高度有限。

(2) 有跨越架施工可分為4種，其中組立專門的跨越鐵塔，具有機(jī)械強(qiáng)度高，可按跨距和線路寬度設(shè)計(jì)鐵塔高度和橫擔(dān)寬度的優(yōu)點(diǎn)，但成本高、施工周期長(zhǎng)；金屬結(jié)構(gòu)跨越架組立靈活，架體可重復(fù)利用，但受地形影響大；鋼管和毛竹跨越架取材方便、不受地形限制，但搭設(shè)高度、跨越距離受限，架體強(qiáng)度和穩(wěn)定性較差。

由于高速鐵路自身的特點(diǎn)，每天只有2—3 h的“天窗期”施工時(shí)間，以往的跨越技術(shù)逐漸顯現(xiàn)出不適應(yīng)性，因此不停運(yùn)高速鐵路跨越設(shè)備的研究迫在眉睫。

2 不停運(yùn)跨越設(shè)備總體設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)組成

2.1 總體設(shè)計(jì)

不停運(yùn)跨越設(shè)備是一種能迅速搭建的跨越高速鐵路的金屬支架體，采用“一相線一組跨越架、三相線三組跨越架”的方式。該跨越架由2組帶旋轉(zhuǎn)臂的支柱和2組擱柱組成。使用時(shí)，將帶旋轉(zhuǎn)臂的支柱和擱柱分別搭建在線路兩側(cè)，在鐵路“天窗期”將跨梁旋轉(zhuǎn)至鐵路對(duì)面，完成跨越設(shè)備的對(duì)接，形成對(duì)高速鐵路的跨越橋形防護(hù)裝置。自帶的行走小車鋪設(shè)跨越橋面，并將初級(jí)導(dǎo)引繩跨過鐵路，再由初級(jí)導(dǎo)引繩逐級(jí)牽引導(dǎo)引繩、牽引繩直至導(dǎo)地線，完成高速鐵路跨越架線的施工。

如果1個(gè)“天窗期”不足以完成整個(gè)放線工作，可在高速鐵路運(yùn)行前將跨梁旋轉(zhuǎn)到鐵路的一側(cè)，在下1個(gè)工作日“天窗期”繼續(xù)施工。這樣就解決了必須在鐵路“天窗期”進(jìn)行架線施工的問題，提高了跨越施工的安全性，也提升了施工效率。

2.1.1 跨越對(duì)象參數(shù)

1 000 kV特高壓電力線路；按8分裂630/80導(dǎo)線考慮；單次展放4根導(dǎo)線。

2.1.2 跨越設(shè)備參數(shù)

立柱呼高45 m，總高57 m；旋轉(zhuǎn)跨梁水平正反向旋轉(zhuǎn)180°；立柱和旋轉(zhuǎn)跨梁通過旋轉(zhuǎn)支座進(jìn)行連接，在旋轉(zhuǎn)支座下方和立柱中段分別布設(shè)拉線，拉線對(duì)地夾角不超過60°?？缭綐蛎骈L(zhǎng)36 m，寬8 m；跨越設(shè)備耐受最大風(fēng)速30 m/s(11級(jí)風(fēng))。封頂橋面布置有間距為2 m的懸垂型水平橫桿，其中均勻布置、懸掛5根主承力梁；另外，間隔布置11根輔助承力梁。

此外，設(shè)計(jì)安全系數(shù)為2.5。

2.2 設(shè)備的結(jié)構(gòu)及組成

不停運(yùn)跨越設(shè)備由架體、動(dòng)力系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、調(diào)幅系統(tǒng)、頂升系統(tǒng)、拉線和平衡系統(tǒng)、拉索系統(tǒng)、橋面鋪設(shè)系統(tǒng)組成。

2.2.1 架體

架體包括組合式基礎(chǔ)、立柱、擱柱、桅桿、跨梁、平衡梁及加強(qiáng)型連梁等。立柱結(jié)構(gòu)為方形斷面900 mm×900 mm，跨梁結(jié)構(gòu)為方形斷面600 mm×600 mm。

2.2.2 動(dòng)力系統(tǒng)

所配各電動(dòng)部件動(dòng)力由1.5 kW發(fā)電機(jī)供電。動(dòng)力系統(tǒng)工作電壓為380 V，遙控器、信號(hào)燈系統(tǒng)電壓為220 V。

2.2.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由電機(jī)、減速機(jī)、旋轉(zhuǎn)齒圈、離合器組成。電動(dòng)機(jī)通過變速機(jī)構(gòu)多級(jí)減速，帶動(dòng)跨梁慢速旋轉(zhuǎn)。離合器用于接通、脫開動(dòng)力，可用手動(dòng)的方法精確控制跨梁旋轉(zhuǎn)移動(dòng)定位，完成安裝。電機(jī)、離合器的通斷可以在塔下用電氣箱控制，也可通過遙控器在鐵路對(duì)面控制。

2.2.4 調(diào)幅系統(tǒng)

調(diào)幅系統(tǒng)由跨梁-桅桿調(diào)幅滑車組、調(diào)幅繩、轉(zhuǎn)向滑車、手拉葫蘆組成。跨梁旋至鐵路對(duì)面與擱柱安裝時(shí)，垂直方向就位較為困難。調(diào)幅系統(tǒng)可以收緊葫蘆，按適合擱柱的高度調(diào)整2個(gè)調(diào)幅滑車之間的距離，從而抬高跨梁端部，方便就位。

2.2.5 頂升系統(tǒng)

跨梁就位時(shí)，若跨梁略高于擱柱，則可以通過調(diào)節(jié)頂升系統(tǒng)，使跨梁擱在柱頂上，完成安裝。

2.2.6 拉線和平衡系統(tǒng)

在跨越設(shè)備4根立柱上各設(shè)2層拉線，確保工作狀況下對(duì)架體有足夠的水平約束反力。

為保證跨梁順利轉(zhuǎn)到鐵路對(duì)面與擱柱安裝，在桅桿對(duì)面設(shè)置裝有混凝土預(yù)制塊的平衡梁。平衡梁包括1節(jié)錐節(jié)(3.3 m)、1節(jié)平衡節(jié)(3 m)，可保證順利旋轉(zhuǎn)通過立柱間隙(2個(gè)立柱間隙距離8 m)。

2.2.7 拉索系統(tǒng)

平衡梁近端與搖臂座連接，遠(yuǎn)端用固定拉索與桅桿頂滑車連接?？缌航伺c搖臂座連接，在其16 m處通過調(diào)幅滑車連接，并在其15 m處打上二保拉線。

2.2.8 橋面鋪設(shè)系統(tǒng)

2個(gè)跨梁相距8 m，在其下方各安裝1個(gè)小車行走的軌道?？缭皆O(shè)備的橋面由2 m 1檔的金屬圓管鋪成，圓管的兩端分別與2根軌道上的小車連接。當(dāng)小車在絞盤的作用下沿軌道行走時(shí)，可帶動(dòng)橋面圓管向鐵路對(duì)側(cè)前行鋪設(shè)。

3 跨越高速鐵路的安全問題

3.1 安全距離的確定

高速鐵路接觸線電壓等級(jí)為27.5 kV，跨越架或封頂網(wǎng)離開接觸線1.5 m便可滿足電氣安全距離要求，因此電氣距離不是決定性的因素。

DL 5009.2—2013《電力建設(shè)安全工作規(guī)程第2部分：電力線路》中的跨越架與高速鐵路的最小安全距離如表1所示。

表1 跨越架與高速鐵路的最小安全距離

3.1.1 跨越架水平距離的確定

按照跨越復(fù)線高鐵考慮，中國(guó)高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)軌距為1.435 m，高鐵線間距(即兩線路中心線的距離)為5 m。根據(jù)表1數(shù)據(jù)，現(xiàn)取跨越架與鐵路附加導(dǎo)線水平安全距離7 m計(jì)算：

高速鐵路兩側(cè)跨越架架面距≥7+1.435+5+7=20.435 m?？紤]到1.3的安全系數(shù)，架面距≥20.435×1.3=26.565 5 m。

因此，跨越架架面距應(yīng)大于30 m。

3.1.2 垂直距離的確定

高速鐵路接觸線距軌頂5.7 m，上部結(jié)構(gòu)尺寸1.7 m，共7.4 m。

按表1(1)計(jì)算，垂直距離≥12 m；

按表1(2)計(jì)算，垂直距離≥4+5.7+1.7=11.4 m。

由于實(shí)際施工時(shí)，干擾因素較多，應(yīng)考慮必要的安全裕度，同時(shí)還應(yīng)考慮施工布置的便利。因此，垂直距離按距電桿頂4 m考慮，再考慮地基的下沉、拉索的伸長(zhǎng)及絕緣繩的弧垂等下垂因素，即考慮1.3的安全系數(shù)，則有：封頂網(wǎng)至軌頂距=(4+5.7+1.7)×1.3=14.82 m。

因此，封頂網(wǎng)至軌頂距應(yīng)不小于15 m。

3.2 跨越架架體氣動(dòng)力分析

氣動(dòng)力分為水平氣動(dòng)力和垂直氣動(dòng)力，水平氣動(dòng)力可由圖1中最頂部的曲線查取。根據(jù)相關(guān)資料，跨越架至鐵路軌道中心線的距離D應(yīng)大于8 m。列車行駛速度為350 km/h，跨越架與鐵路軌道中心的距離D為8 m時(shí)，水平方向折算氣動(dòng)力qh=0.22 kN/m2；垂直方向折算氣動(dòng)力qv=2qh(7D+30)/100=0.378 kN/m2。

由于跨越架的架體為網(wǎng)格形式，因此需要乘以相應(yīng)的折減系數(shù)，即：

qh=0.22×0.195=0.043 kN/m2；

qv=0.378×0.064=0.024 kN/m2。

圖1 駛過的列車對(duì)建筑物或構(gòu)件的氣動(dòng)力曲線關(guān)系

列車通過引起風(fēng)速可按式(1)計(jì)算：

其中：ρ為空氣密度，取1.25 kg/m3；v為折算風(fēng)速；q為折算氣動(dòng)力，kN/m2。

由式 (1)可得：vh=8.3 m/s，vv=6.2 m/s。

即:高速列車駛過時(shí)所產(chǎn)生的水平風(fēng)壓相當(dāng)于5級(jí)風(fēng)力(5級(jí)風(fēng)速為8.0—10.7 m/s)，而垂直風(fēng)壓相當(dāng)于4級(jí)風(fēng)力(4級(jí)風(fēng)速為5.5—7.9 m/s)。

本跨越設(shè)備按照抗11級(jí)風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造，足以滿足現(xiàn)場(chǎng)使用抗風(fēng)要求。

3.3 跨梁轉(zhuǎn)動(dòng)速度控制

跨越設(shè)備在搭設(shè)完成后，跨越橋面由4根落地立柱支撐，且每根立柱均有4角拉線拉緊，屬于穩(wěn)定支撐結(jié)構(gòu)；其相對(duì)不確定因素出現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)過程中，整個(gè)機(jī)構(gòu)需要考慮靜態(tài)平衡和動(dòng)態(tài)平衡。靜態(tài)平衡主要由重量引起，跨梁的自重由平衡梁平衡；動(dòng)態(tài)不平衡主要由旋轉(zhuǎn)加速度造成，因此跨梁旋轉(zhuǎn)力求平穩(wěn)，旋轉(zhuǎn)速度不能過快，總旋轉(zhuǎn)角度90°，約7 min完成1個(gè)工作行程比較合適。

轉(zhuǎn)動(dòng)線速度可按式(2)計(jì)算：

其中：v為轉(zhuǎn)動(dòng)線速度；L為旋轉(zhuǎn)臂長(zhǎng)；T為旋轉(zhuǎn)周期。

v=2×3.142×36/(4×7)=8.08 m/min。

因此，跨梁轉(zhuǎn)動(dòng)線速度控制在小于8 m/min為宜。

3.4 立柱下沉

不停運(yùn)跨越設(shè)備以4根立柱立于地面，防范被跨物承受展放導(dǎo)線時(shí)可能產(chǎn)生的墜落風(fēng)險(xiǎn)。也就是說，要保證跨越設(shè)備的安全搭建和使用，首先要保證4根立柱沒有下沉隱患。

根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果，可計(jì)算各柱對(duì)地面的最大壓力值，如表2所示。為防止立柱下沉，在跨越設(shè)備的4根立柱下方各配制1塊地基，每個(gè)地基由4小塊地基板組合而成。組合地基直接安裝在操平的地面上，立柱與地基用螺栓連接，以滿足立柱地基穩(wěn)定問題。

表2 跨越設(shè)備地基應(yīng)力計(jì)算 kN

3.5 跨越架架頂寬度

選用8 m的架寬，可滿足架線時(shí)對(duì)風(fēng)偏的要求，同時(shí)保證架體結(jié)構(gòu)整體受力平衡。

4 結(jié)束語

該跨越設(shè)備在錫盟-山東1 000 kV交流特高壓輸電線路、蒙西-天津南1 000 kV交流特高壓輸電線路、榆橫-濰坊1 000 kV交流特高壓輸電線路工程中應(yīng)用成功。

根據(jù)鐵路部門給定的“天窗期”，提前在被跨高速鐵路兩側(cè)、安全作業(yè)范圍內(nèi)組立跨越設(shè)備。待接到允許跨越的通知后，將跨梁旋轉(zhuǎn)、與擱柱連接，利用跨梁上的軌道和小車完成跨越橋面的鋪設(shè)工作，旋轉(zhuǎn)、封網(wǎng)共計(jì)用時(shí)38 min，驗(yàn)證了該設(shè)備在不停運(yùn)跨越高速鐵路方面的安全性和可行性。同時(shí)，與傳統(tǒng)跨越架相比，該設(shè)備能極大地減少因搭設(shè)跨越架而占用的土地面積，每項(xiàng)跨越工程可節(jié)約資金67 000元，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

1 劉振亞.全球能源互聯(lián)網(wǎng)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2015.

2 國(guó)家能源局.DL 5009.2—2013《電力建設(shè)安全工作規(guī)程第2部分:電力線路》[S].北京：中國(guó)電力出版社，2014.