东非内马铁路电力贯通线设计与分析

谷千伟

（中交机电工程局有限公司武汉设计院）

0 引言

为把中国铁路建设标准更好地运用于非洲铁路，及国内电力设计经验在非洲落地生根，并服务于国家“一带一路”战略和“中国制造2025”方针，本文基于国内铁路电力贯通线设计的经验，借鉴其他非洲中国铁路走出去的案例［1－3］，以肯尼亚内马铁路工程为例，探讨适用于东非铁路系统的一套电力贯通线设计方案。实践证明，本文介绍的设计方案能成功运用于非洲铁路系统，并对当地发展建设和脱贫建设有重要意义。

铁路电力（自闭）贯通线路［4］一般指沿铁路两侧并对铁路用电设备供电的10kV或35kV电力线路。在非洲，当地电网十分匮乏，铁路电力贯通线路为沿线各类用电设备供电，并由相邻两端变配电所互为备用方式实现可靠供电。

1 内马铁路电力供电简介

内马铁路沿线地方电源十分匮乏，已知距离Ngong站（DK31＋900）5公里处有一座Ngong镇单电源66／11kV变电所，距离Maai Mahiu站（DK74＋500）10公里处有一座Maai Mahiu镇单电源66／11kV变电所，蒙内铁路有一座Nairobi Terminus站（DK0＋000）双电源66／11kV变电站。Ngong镇66／11kV变电所和Maai Mahiu镇66／11kV变电所的高压66kV电源非同一路电源，Nairobi Terminus站66／11kV双电源变电所的两路高压66kV电源也非同一路电源，66kV电力线路与铁路交叉。全线暂未发现33kV电源。

根据当地电源情况，全线新建两座单电源Ngong 66／33kV变电所和Maai Mahiu 66／33kV变电所。由Nairobi Terminus站66／11kV双电源变电所馈出一回11kV贯通线至DK26＋300处；由Ngong66／33kV变电所馈出一回33kV贯通线至Maai Mahiu站；由Maai Mahiu 66／33kV变电所馈出2回33kV贯通线，其中一回向小里程馈至Ngong站，另一回向大里程馈至DK120处。全线车站及区间均由贯通线供电，供电示意图见图1。

图1 内马铁路供电示意图

2 电力贯通线设计研究

由上文可知，供电主干DK00＋000～DK26＋300为11kV架空线路，DK31＋900～DK120＋000为33kV架空线路，由于篇幅有限，本文仅讨论33kV电力贯通线供电设计和应用。

2.1 气象条件及导线参数

东非肯尼亚当地气候条件，最高气温40℃，最低气温－5℃，最大风时气温5℃，安装有风气温15℃，平均气温15℃；最大风速30m／s，安装时风速10m／s。

按照规定［4］，金具的机械强度安全系数运行工况取2.5，断线工况取1.5，导线的机械强度安全系数运行工况取4.0，绝缘子的机械强度安全系数运行工况取2.7，断线工况取1.8。

LGJ－95／15导线有关参数见表1。

表1 LGJ－95／15导线有关参数

2.2 导线选择

根据电线压降计算式（1）［5］和钢芯铝绞线厂家提供压降参数，当选择JL／G1AF－95／15型钢芯铝绞线时，每处变压器压降见表2，可见，变电所至末端设备最大压降为2.27%，满足33kV电力线路压降不超过额定值的±5%的要求［4］。

表2 33kV线路压降计算表

式中，Δup%表示三相线路每千瓦每公里的电压损失百分数，%／kW.km；P表示有功负荷，kW；l表示线路长度，km。

2.3 电杆型号选择

国内普遍采用环形钢筋混泥土电杆，此种电杆制作工艺简单，生产周期短，造价低廉，承压能力好。与国内不同的是，通信光缆挂杆敷设要求，电杆选择考虑此要素。根据式（2）［6］计算得到电杆综合计算弯矩表3。

表3 不同档距不同风速下电杆综合计算弯矩（kN·m）

式中，Pdf、Ptf、Pg分别表示导线、通信光缆、电杆的水平风荷载，kN；L1、L2、L3分别表示导线、通信光缆、电杆的力臂，m。

根据国家标准对整根钢筋混泥土锥形电杆的校验弯矩要求［7］及表3，Φ190×15×I级电杆校验弯矩36.75kN·m，最大风速30m／s、110m档距下，35.89 kN·m＜36.75kN·m。故，选择Φ190×15×I型，此时基本档距为110m。

2.4 有效临界档距确定

2.4.1导线比载计算

钢芯铝绞线JL／G1AF－95／15按照式（3）～式（5）计算比载得到表4［8－10］。

表4 导线比载汇总表

自重力比载：

无冰时比载：

无冰时综合荷载：

式中，p1表示电线单位质量，kg／m；A表示电线截面积，mm2；v表示电线平均高度处的风速，m／s；d表示电线直径，mm；α表示电线风压不均匀系数；μsc表示电线体型系数。

2.4.2有效临界档距的确定

以某一长度的档距为界限，比它大的档距导线在最大荷重时的应力比较大，比它小的档距，在最低温度时比较大，在此档距边界值的中间，一定有一个边界档距，导线具有此种档距时，导线最大应力同时出现，这样的档距叫临界档距，以“lcr”表示，见式（6）：

式中，lcr表示临界档距，m；σm、σn分别表示m、n两种控制条件下允许的使用应力，N／mm2；tm、tn分别为两种控制条件下的气温，℃；γm、γn分别为两种控制条件下的导线比载，N／（m.mm2）；α表示导线的温度膨胀系数，1／℃；E表示导线的弹性系数，N／mm2。

计算最大风速、平均气温、最低气温三种控制条件的γ／σ，并按照由小到大的顺序排列，分别以A、B、C表示。然后按照表1、表4、式（6）将三种控制条件以两两组合原则算出3个临界档距：LAB＝110.42m；LAC＝81.24m；LBC＝67.11m。用控制条件顺序表法判别有效临界档距为LAC＝81.24m，实际档距l≤LAC，最低气温为控制条件；实际档距l≥LAC，最大风速为控制条件。

2.5 横担及绝缘子的确定

2.5.1横担的确定

直线杆横担适应于ZS、ZF1、ZF2、ZF3、FS、GK1、RW、GBT1和GBT2杆型；转角杆横担适应于KS、JS1和JS2杆型；耐张杆横担适应于N、DS1、JS3、GK2、GBT1和GBT2杆型。限于篇幅，本节仅以直线杆为例说明选择方法，见图2。

图2 直线杆横担

直线杆横担包括单导线横担和双导线横担，材料选择L75×75×8，其中双导线横担悬臂长度较长，二者相比更危险，故仅对双导线横担计算。图2中，G1为作用在横担臂端垂直力，G2为横担绝缘子的自重，G3为横担的外伸臂重力，查型材表，计算横担根部的弯矩为530 N·m。

根据式（7），直线杆的横担能够满足强度要求。

2.5.2绝缘子的确定

耐张绝缘子应用于N、DS1、JS3、J、GK2、GK3、GBT1和GBT2杆型；横担绝缘子应用于GK1、RW、FS、GBT1、GBT2、ZS、KS、JS1、JS2、ZF1和ZF2杆型，本节以耐张绝缘子为例。

本工程耐张杆所使用的复合绝缘子型号为FXBW4－35／70，额定机械负荷为70kN，金具与复合绝缘子额定机械负荷相等，且对各个工况下的金具强度安全系数要求相对于复合绝缘子要低，故只需要校核绝缘子的强度即可。根据表1可知，导线运行中的最大许用应力为75.76MPa，则导线对悬式绝缘子的拉力为8.3kN。

运行工况安全系数取2.7［8］：即2.7F ＝22.45kN＜70kN，故复合绝缘子满足安全运行工况的强度要求。

2.6 卡盘、拉线、底盘的确定［11］

2.6.1倾覆稳定分析

有拉线电杆无需进行倾覆稳定性计算，反之需要校验。电杆基础极限倾覆力矩小于电杆全部水平力对地面的力矩时，电杆基础应设置卡盘，且应满足电杆设置卡盘时极限倾覆力矩大于考虑裕度后的电杆弯矩，反之，可不设置卡盘。即：

式中，Pdf、Pbf、Pg分别表示导线、地线、电杆水平风荷载，kN；Mj表示电杆极限倾覆力矩，kN·m；k3表示基础倾覆稳定系数。查表可得，Mj＝48.4kN·m，k3＝1.5，M值计算结果见表5。

表5 k3·M 计算结果

可见，当档距为80m时，Mj＝48.4kN·m＞k3·M＝45.56kN·m，可不设置卡盘。全线档距设置为80m，既满足小于基本档距110m，又满足电杆倾覆稳定性，节约了建安和主材成本。

2.6.2拉线计算

根据具体杆型计算公式计算出运行工况和断线工况下的拉线受力分析，取受力值较大者不大于拉线允许拉力即可满足要求。以防风拉线为例说明拉线选择。

式中，Tl表示拉线受力，kN；Gb表示地线垂直荷载，kN；Po表示电杆每米长度杆身风压表，取0.09kN。

查表得JG1A－35拉线允许拉力19.73kN，由式（10）计算得Tl＝3.94kN，可见JG1A－35可满足直线型电杆防风拉线要求。相应拉线盘查表得LP10。

2.6.3底盘计算

电杆下压力P计算：

式中：Gg表示电杆自重荷载，根据所选电杆确定，kN；Gd表示导线垂直荷载，根据导线规格、垂直档距和覆冰厚度直接查表选择，kN；Gb表示地线垂直荷载，根据地线规格、垂直档距和覆冰厚度直接查表选择，kN；Gl表示拉线垂直荷载，根据拉线拉力计算公式及拉线安装角度计算，kN；Gk表示横担荷载，在相应的横担制造图中可直接查出，kN；Gj表示绝缘子及附件荷载，根据绝缘子片数及附件确定，kN。

当电杆下压力小于无底盘基础土壤允许下压力时，可不设置底盘，否则需要设置底盘。以常见的直线型电杆为例说明底盘选择。查表得DP6地基承载力55.56kN，由式（11）计算得P＝35.39kN，可见DP6可满足直线型电杆地基承载力要求。

3 电力贯通线设计原则

根据上文所述，Ngong至DK120＋100新建33kV电力贯通线，原则上采用架空线，导线截面为95mm2。高压架空线路采用由铁横担组成的预制钢筋混凝土电杆，JL／G1AF型导线。进出变电所段线路设置避雷线。部分与地方电力线路、地方建筑、公路交叉地段的贯通线由架空线改为电缆敷设方式。

区间33kV、11kV电力贯通线原则上以架空线路为主，当通过地形不便于运输地段或线路交叉跨越处，考虑采用双杆或铁塔架设导线，特殊地段采用电缆敷设方式。

路径选择应在铁路红线内，考虑铁路复线预留条件、架空光缆安装条件，满足地方规划，与周边各种公共设施和城镇环境相协调。避开河流、易冲洗地质、低洼地、易被车辆碰撞和影响电力线路运行的其他地带。

电杆采用I级预应力钢筋预制的混凝土电杆，锥形杆梢径设计为φ190mm。电杆基本杆高15m，架空电力线路的基本档距设计为80m。耐张段长度33kV设计为2～3km，33kV采用复合绝缘子。铁横担尺寸33kV上横担600mm，下横担1200mm。33kV架空线路每4～5公里换位一次，在引入一个变、配电所前，应保证相邻另一变、配电所的引入线相序相同。

4 逻辑关系

正常运行时，Ngong站变电所贯通馈出断路器闭合，Maai Mahiu站变电所贯通馈出断路器断开。贯通线短路故障时，Ngong站变电所贯通馈出断路器保护跳闸，重合闸一次，如故障为永久性故障，再次跳闸，此时贯通线失电。Maai Mahiu站变电所贯通馈出断路器通过线路电压互感器无压信号和母线电压互感器有压，启动备自投，如故障不能排除，则保护跳闸，同时闭锁重合闸，排除故障后手动合闸。

5 贯通线安装及运行实例

按照电杆杆型设计要求及相关规范设计原则，完成铁路电力贯通线图纸，现场按图施工。贯通线纵面图见图3，现场实物图见图4。

图3 剖面图

图4 贯通线施工

6 结束语

铁路电力贯通线在设计和应用过程中，技术较为成熟，但是在国外特殊环境下的杆型设计和施工应用尚属首次。本次设计和应用是对国内相关技术标准与国外技术标准融合的一次大胆而又富有创新的尝试，不仅具有较好实用性，更对其他国外项目有重要参考价值。但是在未来的设计中，仍有必要继续对贯通线进一步探索，比如电杆防振技术、减小电杆上拔力、避免绝缘子倒挂、大跨越杆型优化等问题需要进一步优化。