输电线路跨(钻)越高速铁路设计技术

田雷，张子引，刘颢

(国网北京经济技术研究院，北京市 100052)

0 引言

全国电力线路网包括特高压线路、超高压线路、高压线路以及配电线路，是以特高压输电网为骨干网架，超高压输电网和高压输电网以及特高压直流输电、高压直流输电和配电网构成的分层、分区、结构清晰的现代化大电网。高速铁路是指列车设计最高行车速度达到250 km/h及以上的铁路。中国高速铁路网由“四纵四横”的骨干网、重要的区域网和大城市之间的城际高速铁路构成，覆盖了全国大部分的大中城市。输电线路跨(钻)越高速铁路的可靠性水平，不仅关系到电网和高速铁路的安全稳定运行，也关系到人民群众的生命安全［1-5］。

社会舆论、公众对高速铁路的运行安全十分关注，2010年国家电网公司和铁道部联合发布了文件《铁道部国家电网公司关于相互配合支持铁路与电力基础设施建设工作的实施办法》(铁计〔2010〕17号)。在输电线路跨越高速铁路技术及建设的安全方面，国家电网公司始终高度重视，通过细致调研、周密分析和深入研究，提出了《国家电网公司输电线路跨(钻)越高速铁路设计技术要求》，进一步明确、细化了输电线路跨(钻)越高速铁路的设计技术。

工程设计中，如何根据技术要求及时调整设计思路，把握设计原则，掌握设计技术，落实到工程实际，都是亟需解决的问题。本文通过对输电线路跨(钻)越高速铁路设计技术的分析，以期为规范输电线路跨(钻)越高速铁路设计做好技术支撑工作。

1 输电线路跨(钻)越高速铁路现状

据统计，截至2012年1月底，国家电网公司系统110(66)kV及以上输电线路跨(钻)越高速铁路共计4 000余处。按交叉方式统计，架空线路跨越约占97%，电缆线路钻越约占3%;按电压等级统计，500(330)kV线路约占13%，220 kV线路约占40%，110(66)kV线路约占42%，其他电压等级约占5%。随着输电线路和高速铁路建设的大力发展，高速铁路网络和输电线路网络必将存在越来越多的交叉、跨越。

架空输电线路跨越主干铁路采用以下几种措施，以降低出现断线、倒塔事故的概率，减少事故影响范围。

(1)路径选择上尽量减少跨越高速铁路的次数。

(2)线路跨越高速铁路时，在垂直距离、水平距离、交叉角度等相关要求上，除满足输电线路设计相关规范外，还应执行铁路部门的相关要求。

(3)跨越高速铁路采用独立耐张段设计。

(4)跨越高速铁路段，悬垂串采用独立挂点的双悬垂串。

(5)跨越高速铁路段的导线在跨越档内不得接头。

(6)采取必要的在线监测措施［6-8］。

目前，国家电网公司新建输电线路跨越高速铁路的措施均符合国家相关技术规程、规范要求，可基本满足输电线路跨越高速铁路的可靠性，保障高速铁路安全、稳定运行。但由于高速铁路和输电线路工程建设的快速发展，高速铁路与输电线路建设时序分先后，致使双方在输电线路的建设标准、技术要求上经常出现不一致的情况;以及因投资主体的不同，存在执行标准尺度不统一的情况。

为规范输电线路跨(钻)越高速铁路的设计工作，统一建设标准，实现输电线路跨(钻)越高速铁路区段的设计标准与高速铁路技术标准有效衔接，确保输电线路和高速铁路安全可靠运行，对跨越高速铁路的输电线路设计技术进行重新梳理、分析研究，适当提高设计标准是十分必要的。

2 输电线路跨(钻)越高速铁路方式

2.1 利弊分析

输电线路跨(钻)越高速铁路主要分架空跨越和电缆钻越2种方式。

(1)从输电线路发生故障对高速铁路影响方面分析。输电线路采取架空方式跨越高速铁路，输电线路自身运行可靠性较高，但受极端气象如强风、重覆冰、舞动等影响较大，跨越段如出现倒塔、断线等严重事故将直接影响高速铁路运营安全。此外，施工和外力破坏导致的输电线路倒塔、掉线也不容忽视。输电线路采取电缆方式钻越高速铁路，输电线路位于高速铁路下方，电缆线路发生故障时，对高速铁路安全运营无直接影响。

(2)从输电线路故障修复难度和时间方面分析。输电线路采取架空方式跨越高速铁路，其架设方式与其他段输电线路相同，备品、备件基本相同，故障修复相对容易、修复时间较短。输电线路采取电缆方式钻越高速铁路，电缆段是整条输电线路中的薄弱环节，过载能力较弱，电缆故障往往是电缆头损坏等不可恢复性的故障，需要专业队伍和对应的备品、备件重新更换、安装，抢修困难，停电时间较长。对于运行维护距离较长的地区，备品、备件运输较为不便，专业维修队伍抢修难度更大，对电网自身的运行影响较大。

(3)从施工难度方面分析。输电线路采取架空方式跨越高速铁路，为不影响高速铁路的正常运营，施工时间(往往在夜间)和施工方案、措施(需要搭设专用跨越塔架)都受到严格限制，施工难度较高。输电线路采取电缆方式钻越高速铁路，基本在高速铁路的高架段下钻越，施工期间高速铁路不需采取特殊的防护措施，施工难度较低。

(4)从运行维护工作量方面分析。输电线路采取架空方式跨越高速铁路，运行维护工作量较常规线路略有增加，人力安排可统一协调，整体工作量较电缆方式小。输电线路采取电缆方式钻越高速铁路，对于不同的架设(敷设)方式，人力安排不同，运行维护的工作量较大。

(5)从相关协议手续办理方面分析。输电线路采取架空方式跨越高速铁路，投资主体为电力部门时，交叉跨越的要求严格，涉及铁路部门内部单位也较多，沟通和手续办理相对复杂。输电线路采取电缆方式钻越高速铁路，因其敷设方式对高速铁路正常运营影响较小，但对沿铁路两侧敷设的通信线可能会有影响，对于铁路的路基也可能有影响，总体上铁路部门的相关要求容易满足，相关协议手续办理相对容易。

2.2 投资分析

在技术上，特高压输电线路目前还无法实现电缆钻越。330 kV及以上电缆输电线路的电缆及附件等材料目前主要依赖进口，国内生产技术还不成熟;且330 kV及以上电缆线路多为隧道敷设，工程造价很高，一般为架空线路投资的10倍以上。目前，330 kV及以上输电线路穿越高速铁路均采用架空跨越方式。

220 kV及以下电缆线路的电缆及附件等材料以国产为主，导电截面在 2 500 mm2以下，220、110(66)kV输电线路穿越高速铁路既可采用架空方式，也可采用电缆方式。按照双回路架空跨越、独立耐张段4基塔，双回路电缆钻越、钻越长度200～300 m测算，根据具体实施方案不同，220 kV电缆钻越高速铁路投资为架空跨越投资的3～6.5倍，110(66)kV电缆钻越高速铁路投资为架空跨越投资的2～4倍，具体数据如表1所示。目前，110 kV电缆线路一般采用排管敷设，220 kV电缆线路排管和隧道敷设方式并存。随着电网输送容量不断增大，220 kV电缆隧道敷设方式呈逐步增加趋势。

表1 输电线路架空跨越、电缆钻越高速铁路的投资比较Tab.1 Investment comparison of transmission lines between overhead spanning and underground cable crossing high speed railways high speed railways

2.3 输电线路跨(钻)越高速铁路总体原则

从电网线路穿越高速铁路的安全性、可实施性、经济性等方面综合考虑，电网线路穿越高速铁路总体原则建议如下:

(1)330 kV及以上输电线路穿越高速铁路应采用架空跨越方式。

(2)110(66)、220 kV输电线路应从系统条件、气象地形、施工运维、投资能力等方面进行综合分析后，选择合适的跨(钻)越方式。在强风区、易舞区、覆冰严重地区，在采用架空跨越对周边环境影响较大地区(如城市密集区)，电缆方式是较好的选择;在地形复杂地区(如山谷、河流等)及电缆运行维护困难、故障修复时间较长地区，当成熟技术无法达到输送容量要求时(如要求导电截面在2 500 mm2以上时)，架空方式是较好的选择。

3 输电线路跨越高速铁路设计技术要求

3.1 结构简单、连接构件少

在高速铁路上方的输电线路不宜采用复杂的结构形式(如复杂的钢构架等)，在高速铁路上方减少间隔棒等连接构件，均是为降低或避免输电线路的金具、构件等掉落到高速铁路上的情况发生。具体的要求是:

(1)跨越高速铁路独立耐张段的导、地线不应有接头。GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》中只要求在跨越档内不得接头［1］。在跨越高速铁路的要求上，不应接头的范围由跨越档扩至整个跨越的独立耐张段。一般情况下，跨越高速铁路的独立耐张段不超过1 km。单段导、地线制造长度在2 km以上，可以满足要求。

(2)防振锤、子导线间隔棒宜采用预绞式。采用预绞式金具后，可减少与导、地线连接金具的零件数量，并在防松、防振等方面发挥预绞式金具自身的特点。

3.2 安全性高

(1)在总体要求上，新建输电线路跨越高速铁路区段的设计，应满足电力和铁路行业的技术标准。建筑结构安全等级按一级设计，跨越高速铁路输电线路杆塔受压杆件轴心受压稳定、绝缘子受拉破坏的可靠性指标不应小于4.2，杆塔轴心受压、受拉承载力及金具、导地线受拉承载力的可靠性指标不应小于3.7。

(2)在跨越点位置的要求上，跨越杆塔应满足与机动车道路等安全距离的相关要求。当无法满足时，应采取必要的防撞等防外力破坏措施。此要求在常规输电线路设计中也是要考虑的，在跨越高速铁路中强调，是要求设计中对高速铁路和机动车道路的安全距离都要同等重视，同样满足要求。

(3)在跨越方式的要求上，架空输电线路跨越高速铁路应采用独立耐张段。采用独立耐张段是保证跨越段安全、可靠的主要措施，一是提高了线路运行安全、可靠度，二是当出现事故时，能更快进行抢修。跨越高速铁路的输电线路自成一个耐张段后，有效降低了与普通段线路荷载的相互影响，并在适当提高设计标准后只增加有限的投资;因直线跨越塔质量比转角跨越塔小，金具构件少，舞动区内的防舞能力强于转角塔，故在跨越位置条件允许时，优先采用“耐-直-直-耐”的独立耐张段跨越方式。

(4)设计气象条件的选取原则与常规线路一致。在建筑结构安全等级按一级设计，且杆塔结构重要性系数取1.1后，设计基本风速不必再提高，但仍应在综合考虑跨越独立耐张段的微地形、微气象条件后合理选取。当高速列车以时速350 km/h驶过网架结构下方时，对应网架结构不同高度所受水平风压的近似相当风速如表2所示。设计中应考虑列车通过时的空气动力相当风速与设计风速的叠加。叠加时需注意列车在不同时速通过时相应气象条件的组合，列车的最高时速不会与设计最大风速(至少23.5 m/s，相当于9级风以上)同时出现，设计中要根据不同气象环境下铁路运行的要求考虑风压的折减。另外，列车对导、地线的风压作用并非均匀作用在整个跨越档，风压在路轨正上方最大，距路轨水平距离越远则风压越小，设计中要根据跨越档距的大小乘以相应的折减系数。总体来看，列车通过时的空气动力对输电线路设计的影响有限，但设计中应加强相关工况的验算。覆冰验算仅考虑验算杆塔强度，且按照跨越独立耐张段的实际的水平档距、垂直档距、杆塔高度等进行验算。

(5)在导、地线设计中，考虑到跨越高速铁路的重要性，导、地线应在输电线路的使用寿命期内尽量少更换，故宜采用防腐性能好的导、地线(含光纤复合架空地线(optical fiber composite overhead ground wire，OPGW)，并根据工程实际条件选取合适的导线类型。

表2 对应网架结构距轨顶垂直距离的水平近似风速值Tab.2 Approximate horizontal wind speeds corresponding to the vertical distances between tower structure and rail top

(6)在杆塔设计中，最主要的一点就是杆塔结构重要性系数不低于1.1。工程设计中可采用2种方法来实现:一种是按照杆塔结构重要性系数不低于1.1的荷载新规划计算杆塔，采用与常规线路段不同的杆塔结构设计;另一种是利用与常规线路段相同的杆塔，在跨越高速铁路的独立耐张段内，减小杆塔的水平档距以降低杆塔水平荷载、减小杆塔的垂直档距以降低杆塔垂直荷载、放松导线张力以降低杆塔纵向荷载，使杆塔实际使用荷载较设计荷载降低近10%，从而达到杆塔结构重要性系数1.1的要求。在国家电网公司杆塔通用设计得到广泛应用的情况下，为降低设计工作量、加快工程建设进度，采用第2种方法较多。这里需要注意2点:①并非水平档距减小近10%后，杆塔的水平荷载就降低近10%。因杆塔水平荷载包括线条风荷载和塔身风荷载，水平档距减小近10%后，只是降低了线条风荷载，塔身风荷载并不降低，故水平荷载并未达到重要性系数的要求。应根据杆塔塔身风荷载在设计水平荷载所占的比例，经计算后减小所需的水平档距。一般情况下，电压等级越高，塔身风荷载所占比例越高，减小水平档距的比例也越高。实际工程中，减小水平档距15% ～20%就可满足要求。②并非仅改变杆塔类型就能满足所有要求。例如跨越杆塔的实际水平档距350 m，常规线路如采用Ⅰ型塔即可满足设计要求，若采用Ⅱ型塔，则设计水平档距为410 m的水平荷载才能满足重要性系数1.1的要求。设计中不能仅将Ⅰ型塔换为Ⅱ型塔就认为可行了，改变塔型后仅是水平荷载满足要求，还要校验Ⅱ型塔能否承受1.1倍的垂直荷载和纵向荷载。一般情况下，垂直荷载较易满足，纵向荷载需放松线条张力后才能满足要求。在杆塔设计中还应把握的是，跨越高速铁路独立耐张段的铁塔不应采用拉线塔。

(7)在基础设计中，要注意此基础作用力是基于杆塔结构重要性系数1.1的基础作用力，根据实际情况还需进行基础的水平位移验算、不均匀沉降及抗滑移计算、基础裂缝验算，特殊地质条件下的基础防护措施应较常规线路适当提高标准，以确保杆塔基础的稳定。

(8)在防舞设计中，防舞装置的安装位置尽量避开高速铁路轨面区域正上方，并确保防舞装置与导线的可靠连接。运行经验表明，舞动区的高速铁路一般不采用直接的“耐-耐”方式，这是因为:①出现舞动时，耐张塔所受影响较大，易造成疲劳破坏。②耐张塔绝缘子串、金具较多，运行维护工作量大，直线塔采用复合绝缘子后，维护量较小。故独立耐张段宜采用“耐-直-直-耐”方式，跨越高速铁路的杆塔宜采用直线塔，杆塔螺栓应采用双帽防松措施。在3级舞动区，500 kV及以上电压等级耐张塔宜选用钢管塔。

3.3 其他技术要求

(1)总体规划方面。在线路路径选择时，尽量减少与高速铁路的交叉，或以高速铁路为界实施分界供电。对确需与高速铁路交叉的输电线路应结合远期规划建设，跨越点回路数宜按远期规划要求一次建成;电缆线路应至少预留再次敷设一回电缆的通道(排管敷设)或空间(沟道、隧道敷设)。

(2)路经协议方面。输电线路跨(钻)越点位置的确定影响到线路路经的走向和工程投资的大小，所以铁路部门的协议是工程设计中应具备的。因国家电网公司系统各地区间处理协议存在差异，对于跨越方式和钻越方式的协议办理也不同，各地区可根据实际情况和以往经验办理。最终均以输电线路跨(钻)越高速铁路的位置、方式和相关要求不出现颠覆性变化为原则。

(3)与铁路部门技术上的要求保持一致。输电线路不宜在高速铁路出站信号机以内跨越，输电线路与高速铁路的垂直距离、水平距离、交叉角度的基本要求如表3所示。仅在输电线路与高速铁路双方同期建设或拟建高速铁路有明确线位时，方考虑铁路施工机械施工作业的安全距离要求。±800 kV输电线路跨越拟建铁路桥梁地段，考虑铁路施工机械施工作业的安全距离要求时，导线距轨顶的最小垂直距离不应小于24 m。

4 输电线路钻越高速铁路设计技术分析

4.1 技术成熟

电缆的电气和土建设计应采用成熟合理、运行经验丰富的技术。具体要求为:

表3 输电线路与高速铁路的垂直距离、水平距离、交叉角度的基本要求Tab.3 Basic requirements of vertical distance，horizontal distance and crossing angle between transmission lines and high-speed railway

(1)应采用成熟的电缆型式及相关附件。

(2)电缆的敷设方式应因地制宜，采取可行、经济、成熟的敷设方式。

4.2 运检方便

电缆设计要充分考虑钻越高速铁路的位置、地质条件等情况，尽量减少运行、维护的工作量，最大程度地降低与高速铁路之间的相互影响。具体要求为:

(1)电缆线路钻越高速铁路时不应设置中间接头，遇有敷设超长电缆确需中间接头时应将其设在路基范围以外，且满足电缆(或隧道、排管)与路基的安全距离要求。减少电缆中间接头的数量，可有效提高电缆运行的安全，减少线路运维工作量。

(2)电缆线路钻越高速铁路非桥梁段，在路基范围内埋设电缆时，必须保证路基稳定及铁路排水等设备的正常使用。

(3)应根据实际情况采取必要的防盗等防外力破坏措施。

5 结语

因高速铁路和输电线路工程建设的快速发展，投资主体的不同，存在执行标准尺度不统一的情况。高速铁路事故的发生都会产生较为严重的人身伤亡、形成巨大的社会反响。对跨越高速铁路的输电线路设计技术进行重新梳理、分析研究，适当提高设计标准是十分必要的。输电线路与高速铁路的交叉方式应从利弊分析和投资分析的角度，综合分析，合理确定输电线路跨(钻)越高速铁路的方式。

［1］GB 50545—2010 110 kV～750 kV架空输电线路设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2010.

［2］GB 50068—2001建筑结构可靠度设计统一标准［S］.北京:中国计划出版社，2001.

［3］TB 10008—2006铁路电力设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2006.

［4］TB 10621—2009高速铁路设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2009.

［5］张弓，孙伟军，吴尧成，等.架空送电线路跨越高速铁路施工技术［J］. 电力建设，2011，32(9):94-97.

［6］孙伟军，吴尧成，姚耀明，等.500 kV输电线路跨越高速铁路施工实践［J］. 浙江电力，2011，30(12):83-87.

［7］朱天浩，徐建国，叶尹，等.输电线路特大跨越设计中的关键技术［J］. 电力建设，2010，31(4):25-31.

［8］张殿生.电力工程高压送电线路设计手册［M］.北京:中国电力出版社，2005:166-217.