杨伟航

（广州电力设计院，广东广州 510610）

1 广州地区高压电力电缆随桥过江的应用概况及存在问题

从20世纪80年代起，广州地区的110 kV与220 kV电压等级电力电缆就已经有了随桥跨江的实例，例如1985年投产沿海珠桥敷设的110 kV伍仙门至瑞宝电缆线路；1999年投产沿海珠桥敷设的220 kV伍仙门至瑞宝电缆线路；1997年投产沿德泥立交桥（跨越铁路）敷设的220 kV罗涌至鹿鸣等电缆线路；1997年投产的沿广州大桥敷设的110 kV赤沙至杨箕电缆线路；2005年投产沿科韵路大桥敷设的110 kV赤沙至员村、110 kV赤沙至棠下电缆线路。2007年投产沿金沙洲大桥敷设的110 kV罗涌至横沙电缆线路，沿鹤洞大桥敷设的220 kV芳村至昌岗电缆线路。

目前，尚有一些道路桥梁在设计施工阶段已经预留110 kV及以上电压等级电缆线路走廊，如新光快速路的猎德大桥。另外，新珠江大桥已经建成通车，也准备在桥梁上补充为地铁六号线供电的110 kV电缆线路走廊。

以上线路在桥梁上敷设长度都超过百米，最长的甚至达到1 km以上，大多数采取的都是在桥梁人行道下预留的电缆渠箱内敷设的方式。由于早期对桥梁上敷设电缆线路投入的研究不够，而且也没有长期的运行经验可作参考，对桥梁上敷设电缆如何设计、如何运行，只能摸索着前进，因此对某些现在看来应当引起注意的问题不够重视，例如如何解决运行中电缆热胀冷缩产生的轴力影响，在桥梁伸缩缝、上下桥位置以及电缆接头处如何考虑OFFSET装置的布置等，当时也没有提出相应解决问题的好办法。参考一些工程实例，本文就桥梁上敷设电缆的相关技术方案进行初步研究，提出方案中设计参数的计算方法，可作为未来类似工程的参考。

2 电缆在道路桥梁上敷设方案设计的主要技术要点

利用城市交通桥梁或交通隧道敷设电缆，应在不影响桥梁结构或隧道结构前提下，征得桥梁或隧道设计和管理部门认可[1]。因此，讨论电缆线路在道路桥梁上如何敷设的前提条件是桥梁管理单位与电力部门能就电缆随桥跨越达成共识。一般情况下，由于桥梁管理单位对高压电力电缆在桥梁上敷设情况的了解不深，对桥梁结构与电缆运行的安全性、桥梁维护的便利性等问题都存在疑虑，因此，必然会经历一个漫长的谈判解释与论证过程，而这个过程也是开展电缆敷设技术方案的开始。当然，电缆在道路桥梁上敷设必须考虑桥梁的结构设计方案，电力部门需以桥梁拟定的结构形式为基础，在收集了桥梁设计方案的相关参数后（包括桥梁平纵剖面、结构形式、计算荷载、伸缩缝位置、桥梁最大伸缩量、固有振动频率等等），提出电缆线路敷设方案、线路走廊需占据的空间以及电缆及其附件的荷载（包括电缆接头、OFFSET机械装置等），再提交桥梁设计方进行桥梁（含电缆线路走廊通道）的施工图设计。

从电力部门的角度出发，高压电力电缆随桥敷设的实施受诸多因素影响，其中最需解决的主要技术问题就是如何消除电缆伸缩造成的张力影响，此外还有电缆线路的防振、防火等。

桥梁上敷设的电缆伸缩包含2方面内容：一是电缆线路运行后由于输送电流导致电缆温度上升而产生的热伸缩；二是桥梁由于本身的热胀冷缩等因素对敷设其上的电缆带来的伸缩。但是由于桥梁本体的伸缩主要集中在桥梁的伸缩缝处以及桥梁两端上下桥位置，在这些地方桥梁的伸缩变化远大于电缆本体产生的伸缩，电缆可只考虑桥梁伸缩的影响，需采用电缆伸缩装置对电缆的伸缩变化进行吸收和补偿。而在桥梁的中间部位，电缆本体的伸缩远大于桥梁的伸缩，故在此处可只考虑电缆自身的伸缩变化，主要采用蛇形布置的方式来吸收和补偿电缆的热伸缩。另外，如果在跨度较长的桥梁上不可避免要采用电缆接头的情况下，在接头处也需采用电缆伸缩装置对电缆的伸缩变化进行吸收和补偿，且一般为避免桥梁伸缩的影响，接头位置应当避开桥梁伸缩缝的位置。

在防振方面，在桥梁上敷设的电缆应考虑桥梁因受风力和车辆行驶时的震动而导致电缆金属护套出现疲劳的保护措施[1]。因此，在选择桥梁敷设电缆的支撑方式时应尽量防止与桥梁发生振动的固有振动频率形成共振。一般跨度在100 m以上的桥梁固有振动频率为0.1 Hz以下，远小于电缆固有振动频率，可以认为不会与电缆形成共振，这种情况主要是考虑其余可能存在的特殊频率。电缆的防振措施最简单的就是在电缆固定夹具与电缆之间设防振胶垫，并保持一定的电缆支撑间距。

在防火方面，桥梁上敷设的电缆采取的主要防火措施还是涂刷防火漆以及绕包防火包带等，简单有效，方便实施。

3 电缆在道路桥梁上敷设技术参数的计算

本节以110 kV以上电压等级单铜芯交联聚乙烯绝缘皱纹铝护套电缆为分析对象，对其随桥敷设的技术参数，包括OFFSET装置布置参数、电缆支撑固定方式与间距等参数计算进行初步的分析。

在桥梁的中间部位（非伸缩缝位置）时，可以参照电缆在隧道内敷设的做法，采用蛇形布置的方式来吸收和补偿电缆的热伸缩。假设电缆线路走廊布置于桥梁人行道，受纵向空间的限制，三相电缆水平排列，电缆可采取水平蛇形布置。确定桥梁的中间部位的线路走廊空间主要按以下步骤进行：首先，选取合适的节距和蛇形幅宽。节距是指蛇形摆放的电缆2个波峰或2个波谷之间的长度，在公式中一般取半节距数值，其代号为L；蛇形幅宽为波峰与波谷偏移电缆线位中线的距离之和，其代号为B，详见图1。

图1 电缆蛇形敷设参数符号说明Fig.1 The parameter symbol description of the snakelike laying cable

然后，根据选取的节距和蛇形幅宽分别计算电缆的伸缩量m、蛇形弧横向滑移量n以及蛇形弧轴向力等，按端末电缆固定夹具的设置数量反复调整蛇形节距和蛇形幅宽，使电缆轴向力控制于合理范围内。

根据文献[1]的附录D，蛇形弧横向滑移量n的计算公式为[1-4]

式中，m为电缆热伸缩量，mm；B为蛇形弧幅，mm；L为半个蛇形长度，mm；n为电缆横向滑移量，mm。

电缆热伸缩量m=α·t·L。

另外，在有金属护套的交联聚乙烯绝缘电力电缆水平蛇形敷设时，蛇形弧轴力计算公式为

温度下降时：

温度上升时：

式中，W为电缆单位重量，N/mm2；EI为电缆抗弯刚性，N·mm2；n为电缆横向滑移量，mm；α为电缆线膨胀系数，1/℃；B为蛇形弧幅，mm；L为蛇形弧半个节距长度，mm；t为温升，℃。

以220 kV导体截面为2500 mm2交联聚乙烯绝缘电力电缆为例，经过计算，在满足电缆端末轴向力不大于900 kg条件下（即使用3套电缆夹具，每套夹具抱紧力为300 kg），可以选择蛇形半节距为4 m，蛇形幅宽为250 mm。

在解决了电缆在桥梁非伸缩缝位置的敷设形式后，接下来要考虑电缆在桥梁伸缩缝处的敷设形式[5-6]。一般的步骤首先是收集桥梁在各个伸缩缝处的最大伸缩量以及相当于30 a反复伸缩的次数等参数，然后设计OFFSET尺寸，使收缩时电缆的最小弯曲半径是在容许弯曲半径以上，接着计算铝护套的疲劳应变是否满足容许伸缩应变，再用Minor疲劳累积破坏法则验证按此敷设形式铝护套在30 a电缆使用寿命内不会开裂。

如图2所示，未送电时电缆弯曲半径计算公式为

图2 OFFSET尺寸计算示意图Fig.2 DFFSET size diagram

式中，L0为初始OFFSET半节距，mm；F0为初始OFFSET幅宽，mm。

电缆伸缩后弯曲半径计算公式为：

式中，L′为伸缩后OFFSET半节距，mm；m为伸缩量的一半，mm；F′=F0+n；n为电缆横向滑移量，mm。

根据式（4）、式（5），OFFSET选取的蛇形幅宽与半节距必须使电缆伸缩后R′计算结果不小于容许弯曲半径，同时计算出F′数据作为线路走廊空间的宽度设计依据。

接着计算铝护套的疲劳应变，其计算公式为

式中，Ds为金属护套平均外径，mm。

其结果需满足ε日间≤0.3%。

然后计算铝护套破裂时伸缩次数，其计算公式为

式中，ni为该伸缩缝30 a伸缩次数。

若满足则说明铝护套在30 a内不会断裂。

当然，引起桥梁的结构伸缩变化因素是复杂与多样的，包括温度变化、车行荷载、风荷载、地震等因素，因此，只有将各种因素引起的疲劳系数累计在一起，且计算出

式中，Ni为铝护套破裂时伸缩次数。

最后验证是否，才能断定金属护套不会在使用寿命内出现疲劳开裂的不利影响。虽然桥梁伸缩等引起电缆金属护套疲劳应变的各种因素较难统计以及准确量化，但其遵循的计算方法仍是一致的。另外，以上计算思路对于电缆接头处OFFSET装置的布置也同样适用，由于在桥梁上电缆接头位置尽量避开桥梁伸缩缝的位置，其与隧道内电缆接头布置有共通之处，主要通过考虑电缆自身的伸缩变化因素来确定OFFSET形状常数，不再详述。

下面接着讨论电缆在桥梁上敷设的防振措施。前面已经说过，受构成桥梁的各部分材料的影响等，桥梁存在较多的特殊频率，因此，要考虑振动绝缘，其最简易的办法是，电缆支撑系统的间隔应保证固有振动频率与桥梁振动的特殊频率不同。

目前，单纯支撑非夹持式支点支撑的电缆固有振动数可按下述公式[5]计算∶

式中，L为电缆支撑间隔，m；W为电缆单位重量，N/mm；g为重力加速度，9.8×103mm/s2；EI为电缆弯曲刚性，N·mm2。

以式（9）固有振动频率算出电缆支撑间隔L，只要电缆支撑间距小于L，就可以实现振动绝缘。对于斜拉桥，吊桥可按30 Hz考虑选择支撑间隔。以220 kV导体截面为2500 mm2交联聚乙烯绝缘电力电缆为例，其EI=3.94×1010 N·mm2，W=0.363 N/mm，取f=30 Hz，则计算得L=1307 mm，即只要电缆支撑间距小于1.3 m，就可以满足防振要求。同时，在电缆固定夹具与电缆之间垫设防振橡胶，既简便又有效[1]。

4 结语

由于桥梁本身结构与导致其振动因素的复杂性，电缆在桥梁上敷设与埋设在地下或敷设于隧道内有很大的不同，需要考虑的因素也比较多，包括电缆在桥梁伸缩缝处、电缆接头处OFFSET装置的布置、防振要求等。本文对电缆线路在桥梁上敷设的一些参数计算提供思路与方法，与桥梁本体的一些参数相结合，经计算就可以选择合适的电缆敷设、固定方案，确定线路走廊空间，进而在桥梁的设计中考虑线路走廊的布置，从而做到既能满足桥梁运行管理要求，又能保证电缆安全可靠地运行。

[1] 中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T 5221-2005城市电力电缆线路设计技术规定[S].北京：中华人民共和国国家发展和改革委员会，2005.

[2]中华人民共和国建设部.GB 50217-2007电力工程电缆设计规范.北京：中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2007.

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