龔堅剛，劉燕平，閆循平，裘立峰

（1.浙江華云電力工程設(shè)計咨詢有限公司，杭州 310016；2.國網(wǎng)浙江電力有限公司舟山供電公司，浙江 舟山 316021）

0 引言

隨著我國城市化進程的推進，以及海洋經(jīng)濟、新能源開發(fā)的進一步發(fā)展，受電力廊道、海上路由限制，大截面電纜沿大型橋梁敷設(shè)的需求越來越多［1-2］。與此同時，我國橋梁設(shè)計技術(shù)也日新月異，新版CJJ11—2011《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》也放松了對電力線路過橋的限制，允許在橋上敷設(shè)不高于10 kV的配電電纜，但必須采取有效的安全保護措施［3］。近年來，在政府的支持和電力部門的技術(shù)保證下，高電壓等級隨橋電纜的應(yīng)用日益廣泛。

橋梁受車輛荷載和環(huán)境溫度、大風(fēng)、地震等外界條件影響，每隔一段距離就會設(shè)置一道伸縮縫，電纜經(jīng)過橋梁伸縮縫須采用OFFSET（電纜伸縮補償裝置）進行實時補償，同時裝置必須滿足橋梁荷載和敷設(shè)空間要求。由于橋梁結(jié)構(gòu)的不同，OFFSET需根據(jù)實際情況進行設(shè)計。目前OFFSET核心技術(shù)均被國外壟斷［4］，國內(nèi)已投運的隨橋電纜工程均采用國外企業(yè)制造的產(chǎn)品，其產(chǎn)品設(shè)計、供貨周期長，對工程的投產(chǎn)影響較大。

洛迦-魚東220 kV 輸電線路工程全長46.7 km，其中隨橋跨海電纜總長25.165 km，魚山大橋段8.815 km，舟岱大橋段16.35 km。兩座橋梁伸縮縫從80 mm 到1 600 mm，大小不一、種類繁多，電纜敷設(shè)位置條件狹窄，且工期非常緊迫。如果采用國外產(chǎn)品，需根據(jù)工程參數(shù)和伸縮縫大小一對一設(shè)計，還涉及跨國交流，這在設(shè)計進度和工期上會受到很大制約。為此，針對洛迦-魚東220 kV 輸電線路工程高壓隨橋電纜敷設(shè)，提出了模塊化OFFSET概念，以便適應(yīng)各場景。

1 隨橋電纜伸縮補償技術(shù)

1.1 國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀

目前典型的隨橋OFFSET 最大伸縮補償量見表1［1-2，4］。表1中OFFSET均采用日本古河公司生產(chǎn)的裝置，其中日本1986 年建成的大鳴門吊橋所用OFFSET 為目前國際上伸縮補償量最大的裝置，其最大伸縮補償量為1 447 mm，但仍無法滿足浙江舟岱大橋最大伸縮補償量1 600 mm 的要求。

當(dāng)前國內(nèi)隨橋電纜針對較大伸縮補償量，絕大多數(shù)采用日本古河公司生產(chǎn)的OFFSET［5-7］。這種典型桁架結(jié)構(gòu)OFFSET 采用多點擬合電纜的伸縮變化，主要通過連桿系統(tǒng)實現(xiàn)桁架主體伸縮變化，并通過平面滑塊實現(xiàn)電纜局部的不確定移動變化，詳見圖1、圖2。

圖1 典型桁架結(jié)構(gòu)OFFSET示意

圖2 桁架結(jié)構(gòu)OFFSET伸縮示意

由于桁架結(jié)構(gòu)滑塊多，水平占空較大，因此無法適應(yīng)通道狹窄場所，且國內(nèi)無成熟技術(shù)可借鑒。通過實際工程參數(shù)和工程工期研究分析，認(rèn)為現(xiàn)有技術(shù)不能滿足實際工程需要。

1.2 隨橋電纜伸縮補償理論與分析

相關(guān)文獻及資料顯示，電纜伸縮補償數(shù)學(xué)模型普遍采用如圖3所示模型。

圖3 電纜伸縮數(shù)學(xué)模型

初期圓弧曲線半徑：

式中：R0為初期圓弧曲線半徑，R0=20×1.1Ds；L0為初期圓弧曲線半節(jié)距；F0為初期圓弧曲線幅寬；Ds為電纜鋁護套直徑。

伸縮后彎曲半徑R′表達式如下：

式中：L′為伸縮后圓弧曲線半節(jié)距；F′為伸縮后圓弧曲線幅寬。

式中：m為整圓弧曲線伸縮量，收縮時m取正值，拉伸時m取負(fù)值。

在伸縮前后弧長不變的情況下，R′和F′可通過迭代計算求得。R′將隨日間伸縮變化成為新的R0，即零點漂移。

鋁護套疲勞應(yīng)變采用日本電氣技術(shù)規(guī)程給出的Bauer簡化公式［8］：

式中：εi為鋁護套疲勞應(yīng)變，日間鋁護套疲勞應(yīng)變需滿足εi≤0.3%［9］；工程實際中，m取md/2，md為日伸縮量。

鋁護套破裂時伸縮次數(shù)為：

鋁護套累計疲勞法則如下：

式中：ni為30 年伸縮次數(shù)，即保證30 年伸縮次數(shù)下鋁護套不會斷裂。

經(jīng)研究分析，對于Ds接近160 mm的電纜，采用弦高1 600 mm、半徑3 200 mm為初始弧段進行建模計算。經(jīng)分析，此弧段對220 kV 常規(guī)電纜而言，補償能力適中，弦高也有利于施工安裝和生產(chǎn)運維。

2 模塊化OFFSET的構(gòu)建及其關(guān)鍵技術(shù)

2.1 模塊化OFFSET的構(gòu)建

按照1.2所述電纜伸縮補償模型，單個伸縮補償模塊構(gòu)建是容易實現(xiàn)的，但是針對多個模塊連接就必須解決差動問題。OFFSET 構(gòu)造見圖4，主要由彈性鋼板、活動撐臂、同向差動裝置、拉桿、轉(zhuǎn)抽、滑輪、軌道等組成。為了實現(xiàn)每個模塊等量均分移動，模塊1的移動量將疊加到模塊2中；同理，模塊2的移動量將疊加到模塊3中。因此，各模塊根據(jù)自身所處位置設(shè)置差動機構(gòu)，由于同向運動，故稱同向差動裝置。差動系數(shù)K由式（7）給出：

圖4 OFFSET構(gòu)造

式中：n為從固定端起的同向差動裝置序號，即自然數(shù)1，2，…。對應(yīng)1—3序號的K值分別為：1/2，2/3，3/4。

圖5 所示模塊化OFFSET 以3 個模塊為例，左側(cè)為固定端，右側(cè)為移動端。模塊1無需同向差動裝置，因此以1∶1 運動；模塊2 需同向差動裝置，差動系數(shù)為1/2，即其右側(cè)運動2單位，左側(cè)運動1單位；模塊3需同向差動裝置，差動系數(shù)為2/3，即其右側(cè)運動3單位，左側(cè)運動2單位。

圖5 模塊化OFFSET

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

完整的模塊化OFFSET 由固定架、折角機構(gòu)、移動架、伸縮補償模塊組、固定端等組成，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 模塊化OFFSET結(jié)構(gòu)示意

2.2.1 連續(xù)弧變技術(shù)

假設(shè)電纜實際的運動要符合電纜伸縮補償理論數(shù)學(xué)模型。常規(guī)桁架結(jié)構(gòu)的OFFSET 通過連桿系統(tǒng)實現(xiàn)桁架主體粗略伸縮變化，通過平面滑塊實現(xiàn)電纜局部更精確的移動變化，從而使電纜各點的應(yīng)變均勻。通過研究圖7中人字架與圓弧在拉伸中的變化情況可以發(fā)現(xiàn)：按照實線、虛線、點劃線軌跡發(fā)生拉伸變化時，人字架頂部逐步脫離弧頂并產(chǎn)生距離。如果強制將電纜固定于人字架頂端，隨著機構(gòu)伸縮，頂部電纜的應(yīng)變將明顯大于其他部位，不能均變?？梢姡仨毑捎脠A弧拉伸技術(shù)才可滿足常用電纜伸縮補償理論數(shù)學(xué)模型，因此模塊化隨橋電纜伸縮補償模塊采用鋼板連續(xù)弧變技術(shù)。

圖7 人字架與圓弧在拉伸中變化

2.2.2 同向差動裝置

同向差動裝置是構(gòu)建模塊化OFFSET 的核心部件，它直接分配OFFSET 位移到各模塊并保證各模塊同向等量運行，從而保證整個OFFSET 上電纜的均勻應(yīng)變。其實現(xiàn)方法有多種，實際應(yīng)用中多采用容易制造的四邊機構(gòu)方法。

2.2.3 折角機構(gòu)及其優(yōu)化

折角機構(gòu)主要用來補償橋梁伸縮縫兩側(cè)箱梁的上下、左右錯位運動量，以及對于大型伸縮縫兩側(cè)箱梁可能發(fā)生的非同步扭轉(zhuǎn)。目前大多采用方形框架式十字軸折角機構(gòu)，但在試驗中發(fā)現(xiàn)，該形式折角機構(gòu)運動不連續(xù)，同時在施工時電纜穿越較困難，最關(guān)鍵的在于針對大型伸縮縫非同步扭轉(zhuǎn)補償，結(jié)構(gòu)設(shè)計基本無法實現(xiàn)。為此提出了一種隱式折角機構(gòu)，即利用裝置上已有或構(gòu)建兩根平行轉(zhuǎn)軸且其中一根可以水平運動，沒有了方形框架，具有隱去的特征使結(jié)構(gòu)更簡明，運動傳遞更穩(wěn)定，電纜安裝也更方便。

3 工程化應(yīng)用研究

3.1 隨橋電纜工程概況及要求

洛迦-魚東220 kV 輸電線路工程中，魚山大橋和舟岱大橋隨橋電纜部分涉及OFFSET，需滿足以下基本要求。

3.1.1 敷設(shè)條件

1）在橋梁防撞墩外側(cè)預(yù)留通道內(nèi)（通道寬度約1.8 m），或橋梁單幅翼板下L型鋼平臺上（通道寬度約2.6 m）單回或雙回路敷設(shè)，伸縮縫大小為80 mm、240 mm、320 mm、400 mm、600 mm、640 mm。

2）在橋梁雙幅翼板下聯(lián)合鋼平臺上（通道寬度約6.5 m，高1.8 m）雙回路敷設(shè)，伸縮縫大小為1280 mm、1600mm。

3.1.2 電纜參數(shù)

220 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣皺紋鋁護套2 500 mm2電力電纜，鋁護套直徑Ds=160 mm。

3.2 模塊化OFFSET種類

常見橋梁伸縮縫有吊掛型和梳齒型兩類，吊掛型板塊/縫寬一般取80 mm，梳齒型則是在吊掛型基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。因此，橋梁伸縮縫選型多以80 的倍數(shù)歸并，如80 mm、240 mm、320 mm、480 mm、640 mm、720 mm、800 mm、1 280 mm、1 600 mm等。

按伸縮縫大小、應(yīng)用環(huán)境，可將模塊化OFFSET 分為垂直布置型和水平布置型。垂直布置型適合電纜通道較窄的區(qū)域，力學(xué)結(jié)構(gòu)簡明，但伸縮補償構(gòu)建效率相對較低。水平布置型適用電纜通道水平較寬敞、高度較低的區(qū)域，力學(xué)結(jié)構(gòu)相對垂直型更復(fù)雜，但伸縮補償構(gòu)建的效率較高，特別適合大型伸縮縫補償。

綜合考慮橋梁伸縮縫型號、隨橋電纜敷設(shè)場所、合適的運維高度等因素，垂直布置型規(guī)劃采用240 mm、480 mm、720 mm型，分別由單模塊、雙模塊、三模塊構(gòu)建；水平布置型規(guī)劃采用800 mm、1 280 mm、1 600 mm型，分別由雙模塊、三模塊、四模塊構(gòu)建。三模塊垂直型-720 mm OFFSET 見圖8，四模塊水平型-1 600 mm OFFSET見圖9。

圖8 三模塊垂直型-720 mm OFFSET

3.3 設(shè)計理念

3.3.1 少維護理念

為實現(xiàn)免維護或少維護，設(shè)計中應(yīng)注意材料的選擇。一般支架采用碳鋼型材，關(guān)鍵部件采用316L奧氏體不銹鋼［10-12］；轉(zhuǎn)動/摩擦軸承采用無油石墨黃銅套/板［13］；螺栓采用達克羅8.6級螺栓（主受力部位）及316L 奧氏體不銹鋼螺栓。碳鋼型材采用稀土熱鍍鋅+黑烯改性重防腐作料，設(shè)計壽命達50年；316L奧氏體不銹鋼經(jīng)重鹽霧腐蝕試驗驗證可耐受高腐蝕環(huán)境［14-17］。不銹鋼及耐磨材料的選取可增加裝置穩(wěn)定性，極大地降低了裝置維護次數(shù)。

3.3.2 方便運維理念

高度設(shè)計應(yīng)考慮適合觀察；垂直布置型考慮預(yù)留單側(cè)巡視空間，水平布置型考慮預(yù)留雙側(cè)巡視空間；設(shè)置總伸縮觀測標(biāo)尺。考慮電磁渦流影響［18-20］。

3.3.3 全壽命周期理念

考慮雙倍電纜壽命周期，裝置需滿足鋁護套疲勞日應(yīng)變不高于0.3%，30 年鋁護套應(yīng)滿足式（16）給出的累計疲勞法則，鋼板弧耐疲勞不低于60年。

3.4 研制與測試

模塊化OFFSET 經(jīng)過理論模型、1∶10模型驗證、真型試驗、優(yōu)化完善4個階段，達到了實用化程度。對三模塊垂直型-720 mm OFFSET、四模塊水平型-1 600 mm OFFSET 進行第三方型式試驗。

真型試驗分為樣機試驗和成品試驗2 個階段。試驗中均按實際敷設(shè)電纜。樣機試驗著重驗證裝置功能和技術(shù)參數(shù)是否達到設(shè)計要求；成品試驗是在樣機基礎(chǔ)上進行優(yōu)化改進，選材上按工程考慮，驗證技術(shù)參數(shù)是否滿足設(shè)計和工程應(yīng)用要求。

目前尚無關(guān)于模塊化OFFSET 各項指標(biāo)的行業(yè)或國家測試標(biāo)準(zhǔn)，針對魚山大橋和舟岱大橋隨橋電纜工程開展了試驗方法研究，并制定了相應(yīng)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對OFFSET 從八方面進行測試：縱向補償能力測試、運動傳遞誤差測試、電纜彎曲半徑測試、抗風(fēng)荷能力測試、應(yīng)變鋼板耐疲勞測試、電纜鋁護套耐累積疲勞測試、運動部件性能測試、防腐能力測試。

3.5 工程實施

220 kV魚山大橋和舟岱大橋隨橋電纜工程中，安裝了66套垂直布置型OFFSET（伸縮補償240～640 mm），用于橋梁護欄外廊道和翼梁下吊掛廊道；安裝了4 套水平布置型OFFSET（伸縮補償1 280～1 600 mm），用于兩座橋梁之間廊道。

在工程實施中，OFFSET 模塊既可采用工廠化組裝、現(xiàn)場分模塊吊裝和拼裝，也可分部件現(xiàn)場安裝，相比之下，工廠化組裝效率更高。

現(xiàn)場安裝時準(zhǔn)確定位非常重要，橫向應(yīng)按設(shè)計要求確定，至少一側(cè)保留運行通道；縱向應(yīng)保證固定端與移動端保持同一直線。固定端、移動端定位采用“極小值定位法”，即OFFSET 縮到最小值時應(yīng)與橋梁伸縮縫最小值相重合。一般情況下，OFFSET 出廠時在最小值狀態(tài)對裝置進行固定（簡稱“零值固定”），待電纜敷設(shè)完成后，解除固定，合攏固定端與移動端。

OFFSET 上電纜安裝在零值固定狀態(tài)進行，電纜按最小允許彎曲半徑敷設(shè)，應(yīng)特別注意首、尾拱連接過渡處電纜的造型，嚴(yán)格按最小允許彎曲半徑敷設(shè)［21］，防止因電纜曲率不夠而在伸縮補償時產(chǎn)生巨大的推力。

4 結(jié)論

1）提出的模塊化OFFSET 構(gòu)建方法經(jīng)實踐證明是切實有效的，開創(chuàng)了隨橋電纜補償裝置新的技術(shù)途徑，并達到了工程化應(yīng)用目標(biāo)。

2）模塊化OFFSET 采用滾動和弧變化技術(shù)，更接近理論模型軌跡；采用弧變鋼板設(shè)計優(yōu)化了電纜應(yīng)力應(yīng)變。

3）模塊化OFFSET 構(gòu)建方法和勻變差動技術(shù)，可有效解決大、中、小系列伸縮縫補償問題。