长距离跨桥高压电缆的关键技术设计

赵艳粉

（上海材料研究所，上海 200025）

桥梁是连接2侧陆地的通道，但由于各种条件限制，我国目前建完的大桥主要完成了桥梁本身的交通作用，而桥梁还可以作为一个非常合适的载体供其他市政管线通过，如水、电、通信等。对电力输送来说，通过在大桥上设置电力电缆能够起到安全、可靠、经济地输送电能的目的[1-3]。

目前，我国正在有计划、有步骤地开展对沿海岛屿的开发利用。随着这些岛屿的开发建设，用电矛盾也成为一个关键问题，许多岛屿一开始都是用独立的小发电系统，其发电的单位成本高、可靠性低、环保效果也达不到先进指标等[4-6]，但一旦与大电网联网后，这些问题即可得到解决[7-8]。对于中小型桥梁，电缆过桥时需要考虑的问题相对简单，但是对于大桥及特大型桥梁来说，还需要处理好电缆热伸缩、桥梁伸缩与振动、空间布置及电缆与其他管线相互影响等问题。

本文结合目前现有的桥梁上敷设电缆的设计经验，介绍了在进行桥梁上敷设高压电缆时应注意的一些技术问题，对桥梁电缆的施工、运行亦具有一定的借鉴意义。

1 电缆热伸缩的产生及对策

1.1 产生的原因

随着环境温度及负荷电流的变化，会使电缆发生热胀冷缩，成为热伸缩，由于电缆线芯的热伸缩而产生的热机械力会很大，而电缆线芯的截面越大，其引起的热机械力会越大。热机械力会使电缆反复出现弯曲变形，电缆金属护套因此会产生疲劳应变，导致电缆使用寿命缩短。

1.2 应对措施

为了减少甚至消除由于热伸缩对电缆安全运行产生威胁，建议采用以下措施：

1）分裂导线不仅可以减小线芯的损耗，而且与其他电缆类型相比，分裂导线单位面积上产生的热机械力要小，因此推荐采用分裂导线。另外，选择的电缆附件要能承受热机械力而不至于损坏。

2）铅合金护套的柔弱性、耐腐蚀性较好，而铝护套的耐蠕变性、导电性、抗张性、抗振性比较好，并且铝护套可以使电缆的性能得到提高，因此推荐使用铝护套电缆。

3）为将热伸缩对电缆安全运行的影响降至最小，推荐采用蛇形敷设；为了防止电缆位移而造成的电缆终端损坏，可在电缆的终端支架处、电缆中间接头处作刚性固定；为减少由于热机械力给电缆带来的变形，可采用使电缆能自如伸缩的排架，或在电缆的上下桥梁、竖井顶端处作挠性固定。

2 大桥伸缩与震动对电缆敷设的影响及对策

2.1 解决高压电缆应对大桥伸缩的方法

桥梁由于受到动载荷的影响（如风、地震、温度的变化、车辆的通行等），会在两端产生伸缩，如在桥梁上敷设电缆就需要采取措施，来降低甚至消除其对电缆运行产生的影响。敷设在桥梁头部电缆可采用大的蛇形敷设方式，利用弯曲半径的变化来吸收大桥伸缩的大跨度OFFSET装置的方法[1]。OFFSET装置一般采用一端随着伸缩变化进行相应的移动，一端固定的方式，来降低伸缩对电缆运行产生的影响。

如要使OFFSET处的电缆产生均匀的变形，仅将OFFSET处的电缆敷设在导轮、滑动板上是不能满足要求的，对于移动量小的混凝土桥，还要使用夹具固定在OFFSET的顶点部，夹具采用能够旋转和沿着滑槽呈斜线移动的结构（见图1）；对于移动量大的斜拉桥，OFFSET装置可以采用均匀动作机构以及滑动机制，然后再敷设和固定电缆。

图1 可动夹具实物图Fig.1 The physical figure of the movable fixture

2.2 解决高压电缆应对大桥振动的方法

桥梁由于受到动荷载的作用（如风力和地震地面运动、个别情况下人群、车辆等），会使其结构产生振动，如引起内力的增大则有可能会使桥梁结构产生局部损伤，甚至完全破坏桥梁结构。桥梁的荷载的种类、形状、构造等不同引起的大桥振动的频率和大小也不同，对大桥振动的预测是比较困难的，但大桥的振动主要可以分为2类：桥梁整体慢慢地振动，根据桥桁的刚性和长度决定的固有振动；根据活动荷载，桥梁的各个构件间的振动。为减少大桥振动对电缆安全运行的影响，可以采取以下措施：

1）铝护套电缆与铅护套电缆相比，其耐振性能（S－N特性）特别好。在大桥振动强烈环境下进行电缆敷设时，为提高电缆自身的抗振能力，推荐选用铝护套。

2）桥梁振动可能会引起桥梁与电缆之间的谐振，为此需要保证允许最大的铝的振动应变要高于铝护套上产生的应变。根据目前的资料可知，桥梁的固有频率为0.1～0.5 Hz，活载频率（汽车）为5～20 Hz。通过计算得到，在桥梁上电缆支架的间距应小于2 m。在小洋山工程中，电缆支架的间距为1.5～1.6 m，该跨桥电缆运行至今，情况良好。

3）目前，除了使用氯丁橡胶作为电缆的防震措施以外，还可以在电缆夹头内采用一定厚度的橡胶层来起到一定的防振效果。

3 高压电缆在大桥上的空间布置设计

对于大桥来说，高压电缆需要的空间并不大，桥梁本身为了结构的需要一般会留有箱体结构，如混凝土梁或钢梁结构；或钢桁架结构，而这类箱体（或桁架）往往能够成为高压电缆敷设的较好的安装空间。

1）大桥上电缆伸缩装置的安装空间。桥梁上为了解决桥梁本体的伸缩，每隔一段距离即会设置伸缩缝，在伸缩缝附近，一般电缆需要设置伸缩装置。相比电缆（包括电缆附件），电缆伸缩装置需要的空间要大一些，荷载也相应会大，因此在大桥的伸缩缝区域，需要预留更大的空间。东海大桥的伸缩装置现场布置图如图2所示[9]。

2）电缆敷设的空间要求。由于大桥上空间有限，电缆的敷设空间、敷设场地等条件都比较差。因此，对在大桥上敷设电缆的空间要求如下：桥面上需留有电缆引入孔及设备、人员上下的人孔；需要专门封闭2～3根车道，以使电缆敷设车辆能在桥面上通行。由于桥梁部门为了保证桥梁建设的进度，很难专门封闭2～3根车道用于电缆敷设车辆通行，而是在大桥土建施工未完成就要求电缆施工单位进行施工。因此，大桥上进行电缆敷设时，需要考虑采用海上电缆盘的运输及敷设方案。

图2 东海大桥的伸缩装置现场布置图Fig.2 Telescopic device site layout figure of Donghai Bridge

3）电缆运维的空间要求。为保证电缆运行维护的需要，一般将电缆敷设在大桥箱梁或专用管线桥内，因此在桥梁设计阶段就需要与业主以及设计方进行沟通，在大桥上预留电缆运维通道，以方便在电缆发生故障后进行抢修和更换电缆。根据经验，电缆通道内一般需预留净高超过19 m、宽度超过10 m的运检通道，在短段穿越箱梁等特殊地段，垂直穿越的人孔直径应大于8 m，水平穿越的人孔高度应高于10 m，这样才能满足基本的运行、检修需要。东海大桥人孔照片如图3所示。

图3 东海大桥人孔照片Fig.3 Manhole photo of Donghai Bridge

4 大桥电缆接地系统的设计

35 kV以上高压电缆多为单芯电缆，单芯电缆的导体中通过交流电流时，其周围产生的磁场会与金属护套交链，使金属护套两端出现感应电压。感应电压的大小与电缆线路的长度和流过导体的电流成正比，当电缆很长时，护套上的感应电压叠加起来可达到危及人身安全的程度；在线路发生短路故障、遭受操作过电压或雷电冲击时，金属护套会形成很高的感应电压，甚至可能击穿护套绝缘。此时，如果将金属护套两端三相互联接地，在金属护套与大地之间形成回路，会出现很大的环流，其值可达线芯电流的50%，形成损耗，使金属护套发热，这不仅浪费了大量电能，而且降低了电缆的载流量，并加速了电缆绝缘老化。为了避免这种现象的发生，单芯电缆不应采用两端接地方式，通常采用一端接地的方式，当线路很长时还可以采用中点接地和交叉互联等方式。

但电缆金属护套采用一端不接地的方式会产生以下问题：当雷电流或过电压波沿线芯流动时，电缆金属护套的不接地端会出现很高的冲击电压；在系统发生短路时，短路电流流经线芯时，电缆金属护套不接地端也会出现较高的工频感应电压，在电缆外护层绝缘不能承受这种过电压的作用而损坏时，将导致出现多点接地，形成环流。因此，在采用一端互联接地时，必须采取措施限制护层上的过电压，安装时应根据线路的不同情况，按照经济合理的原则在金属护套的一定位置采用特殊的连接和接地方式，并同时装设护层保护器，以防止电缆护层绝缘被击穿。

在高压电缆线路安装时，应按照《电力工程电缆设计规程》（GB 50217—2007）规定，单芯电缆线路的金属护套采用一端接地方式时，当未采取有效防止人员任意接触金属层的安全措施时，金属护套任意一点的感应电压不得大于50 V；当采取能防止人员任意触及的安全措施时，金属护套任意一点的感应电压不得大于300 V，并应对地绝缘。如果大于此规定电压时，应采取金属护套分段绝缘或绝缘后连接成交叉互联的接线。

因此，为了减小单芯电缆线路对邻近辅助电缆及通信电缆的感应电压，应尽量采用交叉互联接线，尤其是电缆长度较长的情况下；对于电缆长度不长的情况，可采用单点接地的方式；为保护电缆护层绝缘，在不接地的一端应加装护层保护器。

5 高压电缆运行对通信、监控线路的干扰及防止对策

大桥上不仅敷设有电力电缆，还敷设有通信、监控等线路，由于35 kV电缆一般采用3芯同体外加金属护套，因此其对通信、监控线路的影响甚微；而110 kV及以上电压等级的电缆一般采用单芯电缆，故其对通信、监控线路会造成一定的影响[10-11]。

高压电缆对通信、监控线路的干扰与电缆线芯中运行的电流、电缆与通信、监控线路的互感、相互之间的平行长度直接相关，因此在实际工程中可以从这几方面着手降低电缆对平行线路的干扰。目前，国内高压电缆在超长桥梁上敷设的工程并不多，电缆与通信、监控线路平行距离罕有超过10 km，通过对东海大桥和沪崇苏大通道2个工程实例的估算，可以得到以下结论。

1）当110、220 kV电力电缆正常运行时，其对通信、监控电缆的影响一般均在允许范围内。

2）当110、220 kV电缆发生故障时，其对通信、监控电缆的影响有可能超过允许范围。但由于110、220 kV电缆在电力网架中的重要地位，其通常均配置高可靠性的继电保护措施，一旦发生故障，线路将在短时间内中断运行。因此，故障电流所引起的通信、监控电缆干扰也基本可忽略。

若经过计算确实需要降低高压电缆对通信、监控线路的干扰，则可采取以下措施：在信控线路上设置隔离变压器；在另一孔隧道敷设易受强电干扰和感应电动势影响的信控线；信控线优先选用光缆；将电力电缆与信控线路的平行间距进行调整。

随着光缆技术的不断提高，光缆价格有可能迅速下降。如跨桥电缆均敷设为光缆，则不存在电力电缆对其的干扰及危险影响。故建议当高压电流需在桥梁上敷设时，应在工程前期与桥梁甲方及设计单位充分沟通，完全可以做到桥梁上无长距离的铜芯通信电缆。

6 结语

1）长距离跨桥高压电缆的敷设，既可以避免海上架空线对周边景观的影响，也可以节省敷设海缆带来的巨大的投资压力。同时，如果在设计阶段采用正确合理的措施、施工方法，则桥上电缆与陆地电缆一样，其自身及对桥梁本身的安全可靠性是能够得到保障的。

2）根据电缆工程经验，对于中小型桥梁，电缆过桥时需要考虑的问题相对简单，在处理好与桥梁结构、防护及配合等问题后，一般不需要采取过多的措施。但是对于大桥及特大型桥梁来说，还需要处理好电缆热伸缩、桥梁伸缩与振动、空间布置及电缆与其他管线相互影响等问题。本文结合目前现有的桥梁上敷设电缆的设计经验，对这些关键技术问题进行讨论，可对桥梁电缆的施工、运行提供借鉴。

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