東非內馬鐵路電力貫通線設計與分析

谷千偉

（中交機電工程局有限公司武漢設計院）

0 引言

為把中國鐵路建設標準更好地運用于非洲鐵路，及國內電力設計經驗在非洲落地生根，并服務于國家“一帶一路”戰(zhàn)略和“中國制造2025”方針，本文基于國內鐵路電力貫通線設計的經驗，借鑒其他非洲中國鐵路走出去的案例［1－3］，以肯尼亞內馬鐵路工程為例，探討適用于東非鐵路系統(tǒng)的一套電力貫通線設計方案。實踐證明，本文介紹的設計方案能成功運用于非洲鐵路系統(tǒng)，并對當地發(fā)展建設和脫貧建設有重要意義。

鐵路電力（自閉）貫通線路［4］一般指沿鐵路兩側并對鐵路用電設備供電的10kV或35kV電力線路。在非洲，當地電網十分匱乏，鐵路電力貫通線路為沿線各類用電設備供電，并由相鄰兩端變配電所互為備用方式實現可靠供電。

1 內馬鐵路電力供電簡介

內馬鐵路沿線地方電源十分匱乏，已知距離Ngong站（DK31＋900）5公里處有一座Ngong鎮(zhèn)單電源66／11kV變電所，距離Maai Mahiu站（DK74＋500）10公里處有一座Maai Mahiu鎮(zhèn)單電源66／11kV變電所，蒙內鐵路有一座Nairobi Terminus站（DK0＋000）雙電源66／11kV變電站。Ngong鎮(zhèn)66／11kV變電所和Maai Mahiu鎮(zhèn)66／11kV變電所的高壓66kV電源非同一路電源，Nairobi Terminus站66／11kV雙電源變電所的兩路高壓66kV電源也非同一路電源，66kV電力線路與鐵路交叉。全線暫未發(fā)現33kV電源。

根據當地電源情況，全線新建兩座單電源Ngong 66／33kV變電所和Maai Mahiu 66／33kV變電所。由Nairobi Terminus站66／11kV雙電源變電所饋出一回11kV貫通線至DK26＋300處；由Ngong66／33kV變電所饋出一回33kV貫通線至Maai Mahiu站；由Maai Mahiu 66／33kV變電所饋出2回33kV貫通線，其中一回向小里程饋至Ngong站，另一回向大里程饋至DK120處。全線車站及區(qū)間均由貫通線供電，供電示意圖見圖1。

圖1 內馬鐵路供電示意圖

2 電力貫通線設計研究

由上文可知，供電主干DK00＋000～DK26＋300為11kV架空線路，DK31＋900～DK120＋000為33kV架空線路，由于篇幅有限，本文僅討論33kV電力貫通線供電設計和應用。

2.1 氣象條件及導線參數

東非肯尼亞當地氣候條件，最高氣溫40℃，最低氣溫－5℃，最大風時氣溫5℃，安裝有風氣溫15℃，平均氣溫15℃；最大風速30m／s，安裝時風速10m／s。

按照規(guī)定［4］，金具的機械強度安全系數運行工況取2.5，斷線工況取1.5，導線的機械強度安全系數運行工況取4.0，絕緣子的機械強度安全系數運行工況取2.7，斷線工況取1.8。

LGJ－95／15導線有關參數見表1。

表1 LGJ－95／15導線有關參數

2.2 導線選擇

根據電線壓降計算式（1）［5］和鋼芯鋁絞線廠家提供壓降參數，當選擇JL／G1AF－95／15型鋼芯鋁絞線時，每處變壓器壓降見表2，可見，變電所至末端設備最大壓降為2.27%，滿足33kV電力線路壓降不超過額定值的±5%的要求［4］。

表2 33kV線路壓降計算表

式中，Δup%表示三相線路每千瓦每公里的電壓損失百分數，%／kW.km；P表示有功負荷，kW；l表示線路長度，km。

2.3 電桿型號選擇

國內普遍采用環(huán)形鋼筋混泥土電桿，此種電桿制作工藝簡單，生產周期短，造價低廉，承壓能力好。與國內不同的是，通信光纜掛桿敷設要求，電桿選擇考慮此要素。根據式（2）［6］計算得到電桿綜合計算彎矩表3。

表3 不同檔距不同風速下電桿綜合計算彎矩（kN·m）

式中，Pdf、Ptf、Pg分別表示導線、通信光纜、電桿的水平風荷載，kN；L1、L2、L3分別表示導線、通信光纜、電桿的力臂，m。

根據國家標準對整根鋼筋混泥土錐形電桿的校驗彎矩要求［7］及表3，Φ190×15×I級電桿校驗彎矩36.75kN·m，最大風速30m／s、110m檔距下，35.89 kN·m＜36.75kN·m。故，選擇Φ190×15×I型，此時基本檔距為110m。

2.4 有效臨界檔距確定

2.4.1導線比載計算

鋼芯鋁絞線JL／G1AF－95／15按照式（3）～式（5）計算比載得到表4［8－10］。

表4 導線比載匯總表

自重力比載：

無冰時比載：

無冰時綜合荷載：

式中，p1表示電線單位質量，kg／m；A表示電線截面積，mm2；v表示電線平均高度處的風速，m／s；d表示電線直徑，mm；α表示電線風壓不均勻系數；μsc表示電線體型系數。

2.4.2有效臨界檔距的確定

以某一長度的檔距為界限，比它大的檔距導線在最大荷重時的應力比較大，比它小的檔距，在最低溫度時比較大，在此檔距邊界值的中間，一定有一個邊界檔距，導線具有此種檔距時，導線最大應力同時出現，這樣的檔距叫臨界檔距，以“l(fā)cr”表示，見式（6）：

式中，lcr表示臨界檔距，m；σm、σn分別表示m、n兩種控制條件下允許的使用應力，N／mm2；tm、tn分別為兩種控制條件下的氣溫，℃；γm、γn分別為兩種控制條件下的導線比載，N／（m.mm2）；α表示導線的溫度膨脹系數，1／℃；E表示導線的彈性系數，N／mm2。

計算最大風速、平均氣溫、最低氣溫三種控制條件的γ／σ，并按照由小到大的順序排列，分別以A、B、C表示。然后按照表1、表4、式（6）將三種控制條件以兩兩組合原則算出3個臨界檔距：LAB＝110.42m；LAC＝81.24m；LBC＝67.11m。用控制條件順序表法判別有效臨界檔距為LAC＝81.24m，實際檔距l(xiāng)≤LAC，最低氣溫為控制條件；實際檔距l(xiāng)≥LAC，最大風速為控制條件。

2.5 橫擔及絕緣子的確定

2.5.1橫擔的確定

直線桿橫擔適應于ZS、ZF1、ZF2、ZF3、FS、GK1、RW、GBT1和GBT2桿型；轉角桿橫擔適應于KS、JS1和JS2桿型；耐張桿橫擔適應于N、DS1、JS3、GK2、GBT1和GBT2桿型。限于篇幅，本節(jié)僅以直線桿為例說明選擇方法，見圖2。

圖2 直線桿橫擔

直線桿橫擔包括單導線橫擔和雙導線橫擔，材料選擇L75×75×8，其中雙導線橫擔懸臂長度較長，二者相比更危險，故僅對雙導線橫擔計算。圖2中，G1為作用在橫擔臂端垂直力，G2為橫擔絕緣子的自重，G3為橫擔的外伸臂重力，查型材表，計算橫擔根部的彎矩為530 N·m。

根據式（7），直線桿的橫擔能夠滿足強度要求。

2.5.2絕緣子的確定

耐張絕緣子應用于N、DS1、JS3、J、GK2、GK3、GBT1和GBT2桿型；橫擔絕緣子應用于GK1、RW、FS、GBT1、GBT2、ZS、KS、JS1、JS2、ZF1和ZF2桿型，本節(jié)以耐張絕緣子為例。

本工程耐張桿所使用的復合絕緣子型號為FXBW4－35／70，額定機械負荷為70kN，金具與復合絕緣子額定機械負荷相等，且對各個工況下的金具強度安全系數要求相對于復合絕緣子要低，故只需要校核絕緣子的強度即可。根據表1可知，導線運行中的最大許用應力為75.76MPa，則導線對懸式絕緣子的拉力為8.3kN。

運行工況安全系數取2.7［8］：即2.7F ＝22.45kN＜70kN，故復合絕緣子滿足安全運行工況的強度要求。

2.6 卡盤、拉線、底盤的確定［11］

2.6.1傾覆穩(wěn)定分析

有拉線電桿無需進行傾覆穩(wěn)定性計算，反之需要校驗。電桿基礎極限傾覆力矩小于電桿全部水平力對地面的力矩時，電桿基礎應設置卡盤，且應滿足電桿設置卡盤時極限傾覆力矩大于考慮裕度后的電桿彎矩，反之，可不設置卡盤。即：

式中，Pdf、Pbf、Pg分別表示導線、地線、電桿水平風荷載，kN；Mj表示電桿極限傾覆力矩，kN·m；k3表示基礎傾覆穩(wěn)定系數。查表可得，Mj＝48.4kN·m，k3＝1.5，M值計算結果見表5。

表5 k3·M 計算結果

可見，當檔距為80m時，Mj＝48.4kN·m＞k3·M＝45.56kN·m，可不設置卡盤。全線檔距設置為80m，既滿足小于基本檔距110m，又滿足電桿傾覆穩(wěn)定性，節(jié)約了建安和主材成本。

2.6.2拉線計算

根據具體桿型計算公式計算出運行工況和斷線工況下的拉線受力分析，取受力值較大者不大于拉線允許拉力即可滿足要求。以防風拉線為例說明拉線選擇。

式中，Tl表示拉線受力，kN；Gb表示地線垂直荷載，kN；Po表示電桿每米長度桿身風壓表，取0.09kN。

查表得JG1A－35拉線允許拉力19.73kN，由式（10）計算得Tl＝3.94kN，可見JG1A－35可滿足直線型電桿防風拉線要求。相應拉線盤查表得LP10。

2.6.3底盤計算

電桿下壓力P計算：

式中：Gg表示電桿自重荷載，根據所選電桿確定，kN；Gd表示導線垂直荷載，根據導線規(guī)格、垂直檔距和覆冰厚度直接查表選擇，kN；Gb表示地線垂直荷載，根據地線規(guī)格、垂直檔距和覆冰厚度直接查表選擇，kN；Gl表示拉線垂直荷載，根據拉線拉力計算公式及拉線安裝角度計算，kN；Gk表示橫擔荷載，在相應的橫擔制造圖中可直接查出，kN；Gj表示絕緣子及附件荷載，根據絕緣子片數及附件確定，kN。

當電桿下壓力小于無底盤基礎土壤允許下壓力時，可不設置底盤，否則需要設置底盤。以常見的直線型電桿為例說明底盤選擇。查表得DP6地基承載力55.56kN，由式（11）計算得P＝35.39kN，可見DP6可滿足直線型電桿地基承載力要求。

3 電力貫通線設計原則

根據上文所述，Ngong至DK120＋100新建33kV電力貫通線，原則上采用架空線，導線截面為95mm2。高壓架空線路采用由鐵橫擔組成的預制鋼筋混凝土電桿，JL／G1AF型導線。進出變電所段線路設置避雷線。部分與地方電力線路、地方建筑、公路交叉地段的貫通線由架空線改為電纜敷設方式。

區(qū)間33kV、11kV電力貫通線原則上以架空線路為主，當通過地形不便于運輸地段或線路交叉跨越處，考慮采用雙桿或鐵塔架設導線，特殊地段采用電纜敷設方式。

路徑選擇應在鐵路紅線內，考慮鐵路復線預留條件、架空光纜安裝條件，滿足地方規(guī)劃，與周邊各種公共設施和城鎮(zhèn)環(huán)境相協(xié)調。避開河流、易沖洗地質、低洼地、易被車輛碰撞和影響電力線路運行的其他地帶。

電桿采用I級預應力鋼筋預制的混凝土電桿，錐形桿梢徑設計為φ190mm。電桿基本桿高15m，架空電力線路的基本檔距設計為80m。耐張段長度33kV設計為2～3km，33kV采用復合絕緣子。鐵橫擔尺寸33kV上橫擔600mm，下橫擔1200mm。33kV架空線路每4～5公里換位一次，在引入一個變、配電所前，應保證相鄰另一變、配電所的引入線相序相同。

4 邏輯關系

正常運行時，Ngong站變電所貫通饋出斷路器閉合，Maai Mahiu站變電所貫通饋出斷路器斷開。貫通線短路故障時，Ngong站變電所貫通饋出斷路器保護跳閘，重合閘一次，如故障為永久性故障，再次跳閘，此時貫通線失電。Maai Mahiu站變電所貫通饋出斷路器通過線路電壓互感器無壓信號和母線電壓互感器有壓，啟動備自投，如故障不能排除，則保護跳閘，同時閉鎖重合閘，排除故障后手動合閘。

5 貫通線安裝及運行實例

按照電桿桿型設計要求及相關規(guī)范設計原則，完成鐵路電力貫通線圖紙，現場按圖施工。貫通線縱面圖見圖3，現場實物圖見圖4。

圖3 剖面圖

圖4 貫通線施工

6 結束語

鐵路電力貫通線在設計和應用過程中，技術較為成熟，但是在國外特殊環(huán)境下的桿型設計和施工應用尚屬首次。本次設計和應用是對國內相關技術標準與國外技術標準融合的一次大膽而又富有創(chuàng)新的嘗試，不僅具有較好實用性，更對其他國外項目有重要參考價值。但是在未來的設計中，仍有必要繼續(xù)對貫通線進一步探索，比如電桿防振技術、減小電桿上拔力、避免絕緣子倒掛、大跨越桿型優(yōu)化等問題需要進一步優(yōu)化。