一种安全高效的特高压线路跨越高速铁路技术

武 瀚，卢自强

(1.国网山西省电力公司，山西 太原 030001；2.国网山西供电工程承装公司，山西 太原 030001)

0 引言

特高压输电具有输电容量大、输送距离远、覆盖范围广、损耗低、占地少的显著优势，对资源优化配置、服务经济发展、大气污染防治具有重要意义。按照“十三五”规划，到2020年，我国特高压线路长度将达到8.9万km。

与此同时，近年来高速铁路发展迅速，运营里程已经超过2万km，不可避免地将遇到特高压线路跨越高速铁路的情况，跨越过程中的问题也越来越突出。

面对诸如高速铁路跨越“天窗期”短，跨越架搭设工作量大，跨越高度受限，施工费用较高，跨越架稳定性较低等问题，如何安全、高效、经济地跨越高速铁路，这是特高压建设面临的一项重要课题，亟待解决。

1 跨越施工现状

当前，国内电力线跨越铁路、公路和电力线路的施工技术，主要分为无跨越架和有跨越架2类。无跨越架施工，主要是利用跨越档两端的铁塔安装辅助横梁，在辅助横梁之间设置封顶杆、封顶网；有跨越架施工，主要包括组立专门的跨越铁塔、金属结构跨越架和钢管、毛竹跨越架，在跨越铁塔或跨越架之间架设封顶网。

上述2类跨越技术各有以下优缺点。

(1) 无跨越架施工成本低、不受交叉跨越角影响，但跨越高度有限。

(2) 有跨越架施工可分为4种，其中组立专门的跨越铁塔，具有机械强度高，可按跨距和线路宽度设计铁塔高度和横担宽度的优点，但成本高、施工周期长；金属结构跨越架组立灵活，架体可重复利用，但受地形影响大；钢管和毛竹跨越架取材方便、不受地形限制，但搭设高度、跨越距离受限，架体强度和稳定性较差。

由于高速铁路自身的特点，每天只有2—3 h的“天窗期”施工时间，以往的跨越技术逐渐显现出不适应性，因此不停运高速铁路跨越设备的研究迫在眉睫。

2 不停运跨越设备总体设计和结构组成

2.1 总体设计

不停运跨越设备是一种能迅速搭建的跨越高速铁路的金属支架体，采用“一相线一组跨越架、三相线三组跨越架”的方式。该跨越架由2组带旋转臂的支柱和2组搁柱组成。使用时，将带旋转臂的支柱和搁柱分别搭建在线路两侧，在铁路“天窗期”将跨梁旋转至铁路对面，完成跨越设备的对接，形成对高速铁路的跨越桥形防护装置。自带的行走小车铺设跨越桥面，并将初级导引绳跨过铁路，再由初级导引绳逐级牵引导引绳、牵引绳直至导地线，完成高速铁路跨越架线的施工。

如果1个“天窗期”不足以完成整个放线工作，可在高速铁路运行前将跨梁旋转到铁路的一侧，在下1个工作日“天窗期”继续施工。这样就解决了必须在铁路“天窗期”进行架线施工的问题，提高了跨越施工的安全性，也提升了施工效率。

2.1.1 跨越对象参数

1 000 kV特高压电力线路；按8分裂630/80导线考虑；单次展放4根导线。

2.1.2 跨越设备参数

立柱呼高45 m，总高57 m；旋转跨梁水平正反向旋转180°；立柱和旋转跨梁通过旋转支座进行连接，在旋转支座下方和立柱中段分别布设拉线，拉线对地夹角不超过60°。跨越桥面长36 m，宽8 m；跨越设备耐受最大风速30 m/s(11级风)。封顶桥面布置有间距为2 m的悬垂型水平横杆，其中均匀布置、悬挂5根主承力梁；另外，间隔布置11根辅助承力梁。

此外，设计安全系数为2.5。

2.2 设备的结构及组成

不停运跨越设备由架体、动力系统、转向系统、调幅系统、顶升系统、拉线和平衡系统、拉索系统、桥面铺设系统组成。

2.2.1 架体

架体包括组合式基础、立柱、搁柱、桅杆、跨梁、平衡梁及加强型连梁等。立柱结构为方形断面900 mm×900 mm，跨梁结构为方形断面600 mm×600 mm。

2.2.2 动力系统

所配各电动部件动力由1.5 kW发电机供电。动力系统工作电压为380 V，遥控器、信号灯系统电压为220 V。

2.2.3 转向系统

转向系统由电机、减速机、旋转齿圈、离合器组成。电动机通过变速机构多级减速，带动跨梁慢速旋转。离合器用于接通、脱开动力，可用手动的方法精确控制跨梁旋转移动定位，完成安装。电机、离合器的通断可以在塔下用电气箱控制，也可通过遥控器在铁路对面控制。

2.2.4 调幅系统

调幅系统由跨梁-桅杆调幅滑车组、调幅绳、转向滑车、手拉葫芦组成。跨梁旋至铁路对面与搁柱安装时，垂直方向就位较为困难。调幅系统可以收紧葫芦，按适合搁柱的高度调整2个调幅滑车之间的距离，从而抬高跨梁端部，方便就位。

2.2.5 顶升系统

跨梁就位时，若跨梁略高于搁柱，则可以通过调节顶升系统，使跨梁搁在柱顶上，完成安装。

2.2.6 拉线和平衡系统

在跨越设备4根立柱上各设2层拉线，确保工作状况下对架体有足够的水平约束反力。

为保证跨梁顺利转到铁路对面与搁柱安装，在桅杆对面设置装有混凝土预制块的平衡梁。平衡梁包括1节锥节(3.3 m)、1节平衡节(3 m)，可保证顺利旋转通过立柱间隙(2个立柱间隙距离8 m)。

2.2.7 拉索系统

平衡梁近端与摇臂座连接，远端用固定拉索与桅杆顶滑车连接。跨梁近端与摇臂座连接，在其16 m处通过调幅滑车连接，并在其15 m处打上二保拉线。

2.2.8 桥面铺设系统

2个跨梁相距8 m，在其下方各安装1个小车行走的轨道。跨越设备的桥面由2 m 1档的金属圆管铺成，圆管的两端分别与2根轨道上的小车连接。当小车在绞盘的作用下沿轨道行走时，可带动桥面圆管向铁路对侧前行铺设。

3 跨越高速铁路的安全问题

3.1 安全距离的确定

高速铁路接触线电压等级为27.5 kV，跨越架或封顶网离开接触线1.5 m便可满足电气安全距离要求，因此电气距离不是决定性的因素。

DL 5009.2—2013《电力建设安全工作规程第2部分：电力线路》中的跨越架与高速铁路的最小安全距离如表1所示。

表1 跨越架与高速铁路的最小安全距离

3.1.1 跨越架水平距离的确定

按照跨越复线高铁考虑，中国高速铁路标准轨距为1.435 m，高铁线间距(即两线路中心线的距离)为5 m。根据表1数据，现取跨越架与铁路附加导线水平安全距离7 m计算：

高速铁路两侧跨越架架面距≥7+1.435+5+7=20.435 m。考虑到1.3的安全系数，架面距≥20.435×1.3=26.565 5 m。

因此，跨越架架面距应大于30 m。

3.1.2 垂直距离的确定

高速铁路接触线距轨顶5.7 m，上部结构尺寸1.7 m，共7.4 m。

按表1(1)计算，垂直距离≥12 m；

按表1(2)计算，垂直距离≥4+5.7+1.7=11.4 m。

由于实际施工时，干扰因素较多，应考虑必要的安全裕度，同时还应考虑施工布置的便利。因此，垂直距离按距电杆顶4 m考虑，再考虑地基的下沉、拉索的伸长及绝缘绳的弧垂等下垂因素，即考虑1.3的安全系数，则有：封顶网至轨顶距=(4+5.7+1.7)×1.3=14.82 m。

因此，封顶网至轨顶距应不小于15 m。

3.2 跨越架架体气动力分析

气动力分为水平气动力和垂直气动力，水平气动力可由图1中最顶部的曲线查取。根据相关资料，跨越架至铁路轨道中心线的距离D应大于8 m。列车行驶速度为350 km/h，跨越架与铁路轨道中心的距离D为8 m时，水平方向折算气动力qh=0.22 kN/m2；垂直方向折算气动力qv=2qh(7D+30)/100=0.378 kN/m2。

由于跨越架的架体为网格形式，因此需要乘以相应的折减系数，即：

qh=0.22×0.195=0.043 kN/m2；

qv=0.378×0.064=0.024 kN/m2。

图1 驶过的列车对建筑物或构件的气动力曲线关系

列车通过引起风速可按式(1)计算：

其中：ρ为空气密度，取1.25 kg/m3；v为折算风速；q为折算气动力，kN/m2。

由式 (1)可得：vh=8.3 m/s，vv=6.2 m/s。

即:高速列车驶过时所产生的水平风压相当于5级风力(5级风速为8.0—10.7 m/s)，而垂直风压相当于4级风力(4级风速为5.5—7.9 m/s)。

本跨越设备按照抗11级风标准设计制造，足以满足现场使用抗风要求。

3.3 跨梁转动速度控制

跨越设备在搭设完成后，跨越桥面由4根落地立柱支撑，且每根立柱均有4角拉线拉紧，属于稳定支撑结构；其相对不确定因素出现在旋转过程中，整个机构需要考虑静态平衡和动态平衡。静态平衡主要由重量引起，跨梁的自重由平衡梁平衡；动态不平衡主要由旋转加速度造成，因此跨梁旋转力求平稳，旋转速度不能过快，总旋转角度90°，约7 min完成1个工作行程比较合适。

转动线速度可按式(2)计算：

其中：v为转动线速度；L为旋转臂长；T为旋转周期。

v=2×3.142×36/(4×7)=8.08 m/min。

因此，跨梁转动线速度控制在小于8 m/min为宜。

3.4 立柱下沉

不停运跨越设备以4根立柱立于地面，防范被跨物承受展放导线时可能产生的坠落风险。也就是说，要保证跨越设备的安全搭建和使用，首先要保证4根立柱没有下沉隐患。

根据应力分析结果，可计算各柱对地面的最大压力值，如表2所示。为防止立柱下沉，在跨越设备的4根立柱下方各配制1块地基，每个地基由4小块地基板组合而成。组合地基直接安装在操平的地面上，立柱与地基用螺栓连接，以满足立柱地基稳定问题。

表2 跨越设备地基应力计算 kN

3.5 跨越架架顶宽度

选用8 m的架宽，可满足架线时对风偏的要求，同时保证架体结构整体受力平衡。

4 结束语

该跨越设备在锡盟-山东1 000 kV交流特高压输电线路、蒙西-天津南1 000 kV交流特高压输电线路、榆横-潍坊1 000 kV交流特高压输电线路工程中应用成功。

根据铁路部门给定的“天窗期”，提前在被跨高速铁路两侧、安全作业范围内组立跨越设备。待接到允许跨越的通知后，将跨梁旋转、与搁柱连接，利用跨梁上的轨道和小车完成跨越桥面的铺设工作，旋转、封网共计用时38 min，验证了该设备在不停运跨越高速铁路方面的安全性和可行性。同时，与传统跨越架相比，该设备能极大地减少因搭设跨越架而占用的土地面积，每项跨越工程可节约资金67 000元，具有良好的经济效益。

参考文献：

1 刘振亚.全球能源互联网[M].北京：中国电力出版社，2015.

2 国家能源局.DL 5009.2—2013《电力建设安全工作规程第2部分:电力线路》[S].北京：中国电力出版社，2014.