關于高壓電力電纜在橋梁上敷設的方案設計要點

楊偉航

（廣州電力設計院，廣東廣州 510610）

1 廣州地區高壓電力電纜隨橋過江的應用概況及存在問題

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

目前，尚有一些道路橋梁在設計施工階段已經預留110 kV及以上電壓等級電纜線路走廊，如新光快速路的獵德大橋。另外，新珠江大橋已經建成通車，也準備在橋梁上補充為地鐵六號線供電的110 kV電纜線路走廊。

以上線路在橋梁上敷設長度都超過百米，最長的甚至達到1 km以上，大多數采取的都是在橋梁人行道下預留的電纜渠箱內敷設的方式。由于早期對橋梁上敷設電纜線路投入的研究不夠，而且也沒有長期的運行經驗可作參考，對橋梁上敷設電纜如何設計、如何運行，只能摸索著前進，因此對某些現在看來應當引起注意的問題不夠重視，例如如何解決運行中電纜熱脹冷縮產生的軸力影響，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，當時也沒有提出相應解決問題的好辦法。參考一些工程實例，本文就橋梁上敷設電纜的相關技術方案進行初步研究，提出方案中設計參數的計算方法，可作為未來類似工程的參考。

2 電纜在道路橋梁上敷設方案設計的主要技術要點

利用城市交通橋梁或交通隧道敷設電纜，應在不影響橋梁結構或隧道結構前提下，征得橋梁或隧道設計和管理部門認可[1]。因此，討論電纜線路在道路橋梁上如何敷設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成共識。一般情況下，由于橋梁管理單位對高壓電力電纜在橋梁上敷設情況的了解不深，對橋梁結構與電纜運行的安全性、橋梁維護的便利性等問題都存在疑慮，因此，必然會經歷一個漫長的談判解釋與論證過程，而這個過程也是開展電纜敷設技術方案的開始。當然，電纜在道路橋梁上敷設必須考慮橋梁的結構設計方案，電力部門需以橋梁擬定的結構形式為基礎，在收集了橋梁設計方案的相關參數后（包括橋梁平縱剖面、結構形式、計算荷載、伸縮縫位置、橋梁最大伸縮量、固有振動頻率等等），提出電纜線路敷設方案、線路走廊需占據的空間以及電纜及其附件的荷載（包括電纜接頭、OFFSET機械裝置等），再提交橋梁設計方進行橋梁（含電纜線路走廊通道）的施工圖設計。

從電力部門的角度出發，高壓電力電纜隨橋敷設的實施受諸多因素影響，其中最需解決的主要技術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。

橋梁上敷設的電纜伸縮包含2方面內容：一是電纜線路運行后由于輸送電流導致電纜溫度上升而產生的熱伸縮；二是橋梁由于本身的熱脹冷縮等因素對敷設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大于電纜本體產生的伸縮，電纜可只考慮橋梁伸縮的影響，需采用電纜伸縮裝置對電纜的伸縮變化進行吸收和補償。而在橋梁的中間部位，電纜本體的伸縮遠大于橋梁的伸縮，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償電纜的熱伸縮。另外，如果在跨度較長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電纜的伸縮變化進行吸收和補償，且一般為避免橋梁伸縮的影響，接頭位置應當避開橋梁伸縮縫的位置。

在防振方面，在橋梁上敷設的電纜應考慮橋梁因受風力和車輛行駛時的震動而導致電纜金屬護套出現疲勞的保護措施[1]。因此，在選擇橋梁敷設電纜的支撐方式時應盡量防止與橋梁發生振動的固有振動頻率形成共振。一般跨度在100 m以上的橋梁固有振動頻率為0.1 Hz以下，遠小于電纜固有振動頻率，可以認為不會與電纜形成共振，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單的就是在電纜固定夾具與電纜之間設防振膠墊，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，簡單有效，方便實施。

3 電纜在道路橋梁上敷設技術參數的計算

本節以110 kV以上電壓等級單銅芯交聯聚乙烯絕緣皺紋鋁護套電纜為分析對象，對其隨橋敷設的技術參數，包括OFFSET裝置布置參數、電纜支撐固定方式與間距等參數計算進行初步的分析。

在橋梁的中間部位（非伸縮縫位置）時，可以參照電纜在隧道內敷設的做法，采用蛇形布置的方式來吸收和補償電纜的熱伸縮。假設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行：首先，選取合適的節距和蛇形幅寬。節距是指蛇形擺放的電纜2個波峰或2個波谷之間的長度，在公式中一般取半節距數值，其代號為L；蛇形幅寬為波峰與波谷偏移電纜線位中線的距離之和，其代號為B，詳見圖1。

圖1 電纜蛇形敷設參數符號說明Fig.1 The parameter symbol description of the snakelike laying cable

然后，根據選取的節距和蛇形幅寬分別計算電纜的伸縮量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置數量反復調整蛇形節距和蛇形幅寬，使電纜軸向力控制于合理范圍內。

根據文獻[1]的附錄D，蛇形弧橫向滑移量n的計算公式為[1-4]

式中，m為電纜熱伸縮量，mm；B為蛇形弧幅，mm；L為半個蛇形長度，mm；n為電纜橫向滑移量，mm。

電纜熱伸縮量m=α·t·L。

另外，在有金屬護套的交聯聚乙烯絕緣電力電纜水平蛇形敷設時，蛇形弧軸力計算公式為

溫度下降時：

溫度上升時：

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，1/℃；B為蛇形弧幅，mm；L為蛇形弧半個節距長度，mm；t為溫升，℃。

以220 kV導體截面為2500 mm2交聯聚乙烯絕緣電力電纜為例，經過計算，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形式后，接下來要考慮電纜在橋梁伸縮縫處的敷設形式[5-6]。一般的步驟首先是收集橋梁在各個伸縮縫處的最大伸縮量以及相當于30 a反復伸縮的次數等參數，然后設計OFFSET尺寸，使收縮時電纜的最小彎曲半徑是在容許彎曲半徑以上，接著計算鋁護套的疲勞應變是否滿足容許伸縮應變，再用Minor疲勞累積破壞法則驗證按此敷設形式鋁護套在30 a電纜使用壽命內不會開裂。

如圖2所示，未送電時電纜彎曲半徑計算公式為

圖2 OFFSET尺寸計算示意圖Fig.2 DFFSET size diagram

式中，L0為初始OFFSET半節距，mm；F0為初始OFFSET幅寬，mm。

電纜伸縮后彎曲半徑計算公式為：

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

根據式（4）、式（5），OFFSET選取的蛇形幅寬與半節距必須使電纜伸縮后R′計算結果不小于容許彎曲半徑，同時計算出F′數據作為線路走廊空間的寬度設計依據。

接著計算鋁護套的疲勞應變，其計算公式為

式中，Ds為金屬護套平均外徑，mm。

其結果需滿足ε日間≤0.3%。

然后計算鋁護套破裂時伸縮次數，其計算公式為

式中，ni為該伸縮縫30 a伸縮次數。

若滿足則說明鋁護套在30 a內不會斷裂。

當然，引起橋梁的結構伸縮變化因素是復雜與多樣的，包括溫度變化、車行荷載、風荷載、地震等因素，因此，只有將各種因素引起的疲勞系數累計在一起，且計算出

式中，Ni為鋁護套破裂時伸縮次數。

最后驗證是否，才能斷定金屬護套不會在使用壽命內出現疲勞開裂的不利影響。雖然橋梁伸縮等引起電纜金屬護套疲勞應變的各種因素較難統計以及準確量化，但其遵循的計算方法仍是一致的。另外，以上計算思路對于電纜接頭處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，不再詳述。

下面接著討論電纜在橋梁上敷設的防振措施。前面已經說過，受構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，要考慮振動絕緣，其最簡易的辦法是，電纜支撐系統的間隔應保證固有振動頻率與橋梁振動的特殊頻率不同。

目前，單純支撐非夾持式支點支撐的電纜固有振動數可按下述公式[5]計算∶

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，就可以實現振動絕緣。對于斜拉橋，吊橋可按30 Hz考慮選擇支撐間隔。以220 kV導體截面為2500 mm2交聯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，在電纜固定夾具與電纜之間墊設防振橡膠，既簡便又有效[1]。

4 結語

由于橋梁本身結構與導致其振動因素的復雜性，電纜在橋梁上敷設與埋設在地下或敷設于隧道內有很大的不同，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。本文對電纜線路在橋梁上敷設的一些參數計算提供思路與方法，與橋梁本體的一些參數相結合，經計算就可以選擇合適的電纜敷設、固定方案，確定線路走廊空間，進而在橋梁的設計中考慮線路走廊的布置，從而做到既能滿足橋梁運行管理要求，又能保證電纜安全可靠地運行。

[1] 中華人民共和國國家發展和改革委員會.DL/T 5221-2005城市電力電纜線路設計技術規定[S].北京：中華人民共和國國家發展和改革委員會，2005.

[2]中華人民共和國建設部.GB 50217-2007電力工程電纜設計規范.北京：中華人民共和國建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，2007.

[3] 羅俊華，張麗，劉毅剛，等.超高壓大截面電力電纜線路熱膨脹計算分析.高電壓技術，2010，36（5）：1281-1286.LUO Jun-hua，ZHANG Li，LIU Yi-gang，et al.Analysis and calcualation of thermal expansion of EHV cable line with large size conductor[J].High Voltage Engineering，2010，36（5）：1281-1286（in Chinese）.

[4] 張學晉，吳安官，成健，等.解讀高電壓交聯電纜蛇形敷設設計有關規定[J].供用電，2009，26（6）：1-5.ZHANG Xue-jin，WU An-guan，CHENG Jian，et al.Explanation on the snake laying design regulation of high voltagecrosslinkedcable[J].Distribution&Utilization，2009，26（6）：1-5（in Chinese）.

[5] 蔣曉娟，王振偉.110 kV跨海橋梁電纜的敷設[J].華東電力，2006，34（4）:47-50.JIANG Xiao-juan，WANG Zhen-wei.Installation of 110 kV cables on sea-crossing bridges[J].Ease China Electric Power，2006，34（4）:47-50（in Chinese）.

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