趙艷粉

（上海材料研究所，上海 200025）

橋梁是連接2側(cè)陸地的通道，但由于各種條件限制，我國目前建完的大橋主要完成了橋梁本身的交通作用，而橋梁還可以作為一個非常合適的載體供其他市政管線通過，如水、電、通信等。對電力輸送來說，通過在大橋上設(shè)置電力電纜能夠起到安全、可靠、經(jīng)濟地輸送電能的目的[1-3]。

目前，我國正在有計劃、有步驟地開展對沿海島嶼的開發(fā)利用。隨著這些島嶼的開發(fā)建設(shè)，用電矛盾也成為一個關(guān)鍵問題，許多島嶼一開始都是用獨立的小發(fā)電系統(tǒng)，其發(fā)電的單位成本高、可靠性低、環(huán)保效果也達不到先進指標(biāo)等[4-6]，但一旦與大電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)后，這些問題即可得到解決[7-8]。對于中小型橋梁，電纜過橋時需要考慮的問題相對簡單，但是對于大橋及特大型橋梁來說，還需要處理好電纜熱伸縮、橋梁伸縮與振動、空間布置及電纜與其他管線相互影響等問題。

本文結(jié)合目前現(xiàn)有的橋梁上敷設(shè)電纜的設(shè)計經(jīng)驗，介紹了在進行橋梁上敷設(shè)高壓電纜時應(yīng)注意的一些技術(shù)問題，對橋梁電纜的施工、運行亦具有一定的借鑒意義。

1 電纜熱伸縮的產(chǎn)生及對策

1.1 產(chǎn)生的原因

隨著環(huán)境溫度及負(fù)荷電流的變化，會使電纜發(fā)生熱脹冷縮，成為熱伸縮，由于電纜線芯的熱伸縮而產(chǎn)生的熱機械力會很大，而電纜線芯的截面越大，其引起的熱機械力會越大。熱機械力會使電纜反復(fù)出現(xiàn)彎曲變形，電纜金屬護套因此會產(chǎn)生疲勞應(yīng)變，導(dǎo)致電纜使用壽命縮短。

1.2 應(yīng)對措施

為了減少甚至消除由于熱伸縮對電纜安全運行產(chǎn)生威脅，建議采用以下措施：

1）分裂導(dǎo)線不僅可以減小線芯的損耗，而且與其他電纜類型相比，分裂導(dǎo)線單位面積上產(chǎn)生的熱機械力要小，因此推薦采用分裂導(dǎo)線。另外，選擇的電纜附件要能承受熱機械力而不至于損壞。

2）鉛合金護套的柔弱性、耐腐蝕性較好，而鋁護套的耐蠕變性、導(dǎo)電性、抗張性、抗振性比較好，并且鋁護套可以使電纜的性能得到提高，因此推薦使用鋁護套電纜。

3）為將熱伸縮對電纜安全運行的影響降至最小，推薦采用蛇形敷設(shè)；為了防止電纜位移而造成的電纜終端損壞，可在電纜的終端支架處、電纜中間接頭處作剛性固定；為減少由于熱機械力給電纜帶來的變形，可采用使電纜能自如伸縮的排架，或在電纜的上下橋梁、豎井頂端處作撓性固定。

2 大橋伸縮與震動對電纜敷設(shè)的影響及對策

2.1 解決高壓電纜應(yīng)對大橋伸縮的方法

橋梁由于受到動載荷的影響（如風(fēng)、地震、溫度的變化、車輛的通行等），會在兩端產(chǎn)生伸縮，如在橋梁上敷設(shè)電纜就需要采取措施，來降低甚至消除其對電纜運行產(chǎn)生的影響。敷設(shè)在橋梁頭部電纜可采用大的蛇形敷設(shè)方式，利用彎曲半徑的變化來吸收大橋伸縮的大跨度OFFSET裝置的方法[1]。OFFSET裝置一般采用一端隨著伸縮變化進行相應(yīng)的移動，一端固定的方式，來降低伸縮對電纜運行產(chǎn)生的影響。

如要使OFFSET處的電纜產(chǎn)生均勻的變形，僅將OFFSET處的電纜敷設(shè)在導(dǎo)輪、滑動板上是不能滿足要求的，對于移動量小的混凝土橋，還要使用夾具固定在OFFSET的頂點部，夾具采用能夠旋轉(zhuǎn)和沿著滑槽呈斜線移動的結(jié)構(gòu)（見圖1）；對于移動量大的斜拉橋，OFFSET裝置可以采用均勻動作機構(gòu)以及滑動機制，然后再敷設(shè)和固定電纜。

圖1 可動夾具實物圖Fig.1 The physical figure of the movable fixture

2.2 解決高壓電纜應(yīng)對大橋振動的方法

橋梁由于受到動荷載的作用（如風(fēng)力和地震地面運動、個別情況下人群、車輛等），會使其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動，如引起內(nèi)力的增大則有可能會使橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部損傷，甚至完全破壞橋梁結(jié)構(gòu)。橋梁的荷載的種類、形狀、構(gòu)造等不同引起的大橋振動的頻率和大小也不同，對大橋振動的預(yù)測是比較困難的，但大橋的振動主要可以分為2類：橋梁整體慢慢地振動，根據(jù)橋桁的剛性和長度決定的固有振動；根據(jù)活動荷載，橋梁的各個構(gòu)件間的振動。為減少大橋振動對電纜安全運行的影響，可以采取以下措施：

1）鋁護套電纜與鉛護套電纜相比，其耐振性能（S－N特性）特別好。在大橋振動強烈環(huán)境下進行電纜敷設(shè)時，為提高電纜自身的抗振能力，推薦選用鋁護套。

2）橋梁振動可能會引起橋梁與電纜之間的諧振，為此需要保證允許最大的鋁的振動應(yīng)變要高于鋁護套上產(chǎn)生的應(yīng)變。根據(jù)目前的資料可知，橋梁的固有頻率為0.1～0.5 Hz，活載頻率（汽車）為5～20 Hz。通過計算得到，在橋梁上電纜支架的間距應(yīng)小于2 m。在小洋山工程中，電纜支架的間距為1.5～1.6 m，該跨橋電纜運行至今，情況良好。

3）目前，除了使用氯丁橡膠作為電纜的防震措施以外，還可以在電纜夾頭內(nèi)采用一定厚度的橡膠層來起到一定的防振效果。

3 高壓電纜在大橋上的空間布置設(shè)計

對于大橋來說，高壓電纜需要的空間并不大，橋梁本身為了結(jié)構(gòu)的需要一般會留有箱體結(jié)構(gòu)，如混凝土梁或鋼梁結(jié)構(gòu)；或鋼桁架結(jié)構(gòu)，而這類箱體（或桁架）往往能夠成為高壓電纜敷設(shè)的較好的安裝空間。

1）大橋上電纜伸縮裝置的安裝空間。橋梁上為了解決橋梁本體的伸縮，每隔一段距離即會設(shè)置伸縮縫，在伸縮縫附近，一般電纜需要設(shè)置伸縮裝置。相比電纜（包括電纜附件），電纜伸縮裝置需要的空間要大一些，荷載也相應(yīng)會大，因此在大橋的伸縮縫區(qū)域，需要預(yù)留更大的空間。東海大橋的伸縮裝置現(xiàn)場布置圖如圖2所示[9]。

2）電纜敷設(shè)的空間要求。由于大橋上空間有限，電纜的敷設(shè)空間、敷設(shè)場地等條件都比較差。因此，對在大橋上敷設(shè)電纜的空間要求如下：橋面上需留有電纜引入孔及設(shè)備、人員上下的人孔；需要專門封閉2～3根車道，以使電纜敷設(shè)車輛能在橋面上通行。由于橋梁部門為了保證橋梁建設(shè)的進度，很難專門封閉2～3根車道用于電纜敷設(shè)車輛通行，而是在大橋土建施工未完成就要求電纜施工單位進行施工。因此，大橋上進行電纜敷設(shè)時，需要考慮采用海上電纜盤的運輸及敷設(shè)方案。

圖2 東海大橋的伸縮裝置現(xiàn)場布置圖Fig.2 Telescopic device site layout figure of Donghai Bridge

3）電纜運維的空間要求。為保證電纜運行維護的需要，一般將電纜敷設(shè)在大橋箱梁或?qū)Ｓ霉芫€橋內(nèi)，因此在橋梁設(shè)計階段就需要與業(yè)主以及設(shè)計方進行溝通，在大橋上預(yù)留電纜運維通道，以方便在電纜發(fā)生故障后進行搶修和更換電纜。根據(jù)經(jīng)驗，電纜通道內(nèi)一般需預(yù)留凈高超過19 m、寬度超過10 m的運檢通道，在短段穿越箱梁等特殊地段，垂直穿越的人孔直徑應(yīng)大于8 m，水平穿越的人孔高度應(yīng)高于10 m，這樣才能滿足基本的運行、檢修需要。東海大橋人孔照片如圖3所示。

圖3 東海大橋人孔照片F(xiàn)ig.3 Manhole photo of Donghai Bridge

4 大橋電纜接地系統(tǒng)的設(shè)計

35 kV以上高壓電纜多為單芯電纜，單芯電纜的導(dǎo)體中通過交流電流時，其周圍產(chǎn)生的磁場會與金屬護套交鏈，使金屬護套兩端出現(xiàn)感應(yīng)電壓。感應(yīng)電壓的大小與電纜線路的長度和流過導(dǎo)體的電流成正比，當(dāng)電纜很長時，護套上的感應(yīng)電壓疊加起來可達到危及人身安全的程度；在線路發(fā)生短路故障、遭受操作過電壓或雷電沖擊時，金屬護套會形成很高的感應(yīng)電壓，甚至可能擊穿護套絕緣。此時，如果將金屬護套兩端三相互聯(lián)接地，在金屬護套與大地之間形成回路，會出現(xiàn)很大的環(huán)流，其值可達線芯電流的50%，形成損耗，使金屬護套發(fā)熱，這不僅浪費了大量電能，而且降低了電纜的載流量，并加速了電纜絕緣老化。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，單芯電纜不應(yīng)采用兩端接地方式，通常采用一端接地的方式，當(dāng)線路很長時還可以采用中點接地和交叉互聯(lián)等方式。

但電纜金屬護套采用一端不接地的方式會產(chǎn)生以下問題：當(dāng)雷電流或過電壓波沿線芯流動時，電纜金屬護套的不接地端會出現(xiàn)很高的沖擊電壓；在系統(tǒng)發(fā)生短路時，短路電流流經(jīng)線芯時，電纜金屬護套不接地端也會出現(xiàn)較高的工頻感應(yīng)電壓，在電纜外護層絕緣不能承受這種過電壓的作用而損壞時，將導(dǎo)致出現(xiàn)多點接地，形成環(huán)流。因此，在采用一端互聯(lián)接地時，必須采取措施限制護層上的過電壓，安裝時應(yīng)根據(jù)線路的不同情況，按照經(jīng)濟合理的原則在金屬護套的一定位置采用特殊的連接和接地方式，并同時裝設(shè)護層保護器，以防止電纜護層絕緣被擊穿。

在高壓電纜線路安裝時，應(yīng)按照《電力工程電纜設(shè)計規(guī)程》（GB 50217—2007）規(guī)定，單芯電纜線路的金屬護套采用一端接地方式時，當(dāng)未采取有效防止人員任意接觸金屬層的安全措施時，金屬護套任意一點的感應(yīng)電壓不得大于50 V；當(dāng)采取能防止人員任意觸及的安全措施時，金屬護套任意一點的感應(yīng)電壓不得大于300 V，并應(yīng)對地絕緣。如果大于此規(guī)定電壓時，應(yīng)采取金屬護套分段絕緣或絕緣后連接成交叉互聯(lián)的接線。

因此，為了減小單芯電纜線路對鄰近輔助電纜及通信電纜的感應(yīng)電壓，應(yīng)盡量采用交叉互聯(lián)接線，尤其是電纜長度較長的情況下；對于電纜長度不長的情況，可采用單點接地的方式；為保護電纜護層絕緣，在不接地的一端應(yīng)加裝護層保護器。

5 高壓電纜運行對通信、監(jiān)控線路的干擾及防止對策

大橋上不僅敷設(shè)有電力電纜，還敷設(shè)有通信、監(jiān)控等線路，由于35 kV電纜一般采用3芯同體外加金屬護套，因此其對通信、監(jiān)控線路的影響甚微；而110 kV及以上電壓等級的電纜一般采用單芯電纜，故其對通信、監(jiān)控線路會造成一定的影響[10-11]。

高壓電纜對通信、監(jiān)控線路的干擾與電纜線芯中運行的電流、電纜與通信、監(jiān)控線路的互感、相互之間的平行長度直接相關(guān)，因此在實際工程中可以從這幾方面著手降低電纜對平行線路的干擾。目前，國內(nèi)高壓電纜在超長橋梁上敷設(shè)的工程并不多，電纜與通信、監(jiān)控線路平行距離罕有超過10 km，通過對東海大橋和滬崇蘇大通道2個工程實例的估算，可以得到以下結(jié)論。

1）當(dāng)110、220 kV電力電纜正常運行時，其對通信、監(jiān)控電纜的影響一般均在允許范圍內(nèi)。

2）當(dāng)110、220 kV電纜發(fā)生故障時，其對通信、監(jiān)控電纜的影響有可能超過允許范圍。但由于110、220 kV電纜在電力網(wǎng)架中的重要地位，其通常均配置高可靠性的繼電保護措施，一旦發(fā)生故障，線路將在短時間內(nèi)中斷運行。因此，故障電流所引起的通信、監(jiān)控電纜干擾也基本可忽略。

若經(jīng)過計算確實需要降低高壓電纜對通信、監(jiān)控線路的干擾，則可采取以下措施：在信控線路上設(shè)置隔離變壓器；在另一孔隧道敷設(shè)易受強電干擾和感應(yīng)電動勢影響的信控線；信控線優(yōu)先選用光纜；將電力電纜與信控線路的平行間距進行調(diào)整。

隨著光纜技術(shù)的不斷提高，光纜價格有可能迅速下降。如跨橋電纜均敷設(shè)為光纜，則不存在電力電纜對其的干擾及危險影響。故建議當(dāng)高壓電流需在橋梁上敷設(shè)時，應(yīng)在工程前期與橋梁甲方及設(shè)計單位充分溝通，完全可以做到橋梁上無長距離的銅芯通信電纜。

6 結(jié)語

1）長距離跨橋高壓電纜的敷設(shè)，既可以避免海上架空線對周邊景觀的影響，也可以節(jié)省敷設(shè)海纜帶來的巨大的投資壓力。同時，如果在設(shè)計階段采用正確合理的措施、施工方法，則橋上電纜與陸地電纜一樣，其自身及對橋梁本身的安全可靠性是能夠得到保障的。

2）根據(jù)電纜工程經(jīng)驗，對于中小型橋梁，電纜過橋時需要考慮的問題相對簡單，在處理好與橋梁結(jié)構(gòu)、防護及配合等問題后，一般不需要采取過多的措施。但是對于大橋及特大型橋梁來說，還需要處理好電纜熱伸縮、橋梁伸縮與振動、空間布置及電纜與其他管線相互影響等問題。本文結(jié)合目前現(xiàn)有的橋梁上敷設(shè)電纜的設(shè)計經(jīng)驗，對這些關(guān)鍵技術(shù)問題進行討論，可對橋梁電纜的施工、運行提供借鑒。

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