王　雙

（機械工業(yè)第二設計研究院（中國聯(lián)合工程公司），浙江杭州310052）

超高壓電纜沿大橋敷設伸縮補償裝置offset的設計

王雙

（機械工業(yè)第二設計研究院（中國聯(lián)合工程公司），浙江杭州310052）

電纜伸縮補償裝置簡稱offset裝置，是電力輸送工程中沿跨?？缃髽蚍笤O超高壓電纜工程中不可缺少的裝置。主要作用是消除因橋面移位、彎曲、錯位等對電纜產(chǎn)生的過大張力，防止電纜被破壞性拉斷或折斷，確保輸電線路的安全運行。通過對現(xiàn)有進口offset裝置的深入研究，詳述offset裝置的工作原理；系統(tǒng)介紹大型offset裝置的設計步驟及制作方法，為該產(chǎn)品的國產(chǎn)化打下堅實的理論基礎。

電纜伸縮；offset；工作原理；設計方法

0 引 言

隨著跨?？缃髽蚬こ痰某霈F(xiàn)，特高壓電纜沿橋敷設的送電工程應運而生。就電纜敷設自身而言，利用橋梁原有的減重空間敷設電纜，輸電工程中不再投建專用的水上電纜安裝基礎，也不需大橋設計過程中新增較大的投資，從而大大降低了輸送電工程的總造價。據(jù)此，國外水上輸送電工程多選用沿橋敷設電纜的方法。2003年上海洋山跨海大橋建設工程中，110 kV輸電電纜采用沿橋敷設的方法，系國內(nèi)首次。其后建設的220 kV滬崇江海大橋也采用了沿橋敷設電纜的方法。經(jīng)數(shù)十年的連續(xù)運行，安全可靠，效果良好。這兩項成功的工程范例，為國內(nèi)水上送電工程應用沿橋敷設電纜的方法，在安裝、使用、維護方面積累了豐富的第一手資料。

沿橋敷設電纜工程的最大技術難點在于，必須有效地解決橋面對接處因溫度、負載、風力等因素變化引起的縫隙變化。這些周期性變化，會導致敷設在兩橋端間的電纜頻繁伸長和壓縮。對于跨海橋梁而言，多數(shù)主航道上的大跨度斜拉橋、吊橋橋面端部產(chǎn)生的伸縮量會超過1 m以上。要補償如此大的伸縮量，常規(guī)意義上的電纜伸縮彎曲遠不能滿足這么大的變形需要。只有利用電纜offset裝置，才能很好地解決這一工程難題。

鑒于橋面類型、長度、構成材質(zhì)的不同，實際過程中每跨橋面端頭的伸縮量也大不相同。offset裝置自然有大小之分：補償能力小的稱小offset；補償能力大的稱大offset。通常400以下的稱作小offset，大于400以上的稱作大offset。大小offset的設計理念差別很大，前者較后者要復雜得多。這里僅介紹大offset的設計原理及方法。

1 offset裝置的工作原理

1.1基本構成

以折角機構為界，offset裝置的左半部分稱作滑動端，安裝在一個橋面的固定端。右半部稱作固定端，安裝在相鄰橋面的活動端。電纜是用專用電纜夾頭分別固定在滑動端、固定端、折角機構的電纜框架內(nèi)?？蚣軒与娎|移動，參見圖1。

圖1　500 mm offset裝置1—電纜固定框架1 2—弧形電纜 3—電纜滑動框架 4—折角機構 5—電纜固定框架2 6—電纜拖架7—電纜支架 S—連桿機構 9—差分機構 10—基礎滑座

1.2工作原理

工作過程中，當活動橋面收縮時，固定在其上的電纜框架隨橋面縮進的同時，拉動折角機構右移。由于折角機構受拉、受壓是剛性的，它會拖動安裝在彼鄰固定橋面上的滑動電纜框架。通過均分連桿機構，滑動電纜框架拉動固定在弧形電纜上的電纜拖架移動。當活動橋面收縮時，弧形電纜彎曲半徑增大，弧弦拉長，伸長量等于動橋面的收縮量。當活動橋面伸長時，弧形電纜彎曲半徑減小，弧弦變短，縮進量等于動橋面的伸長量。當任意橋面彎曲時，折角機構上下轉(zhuǎn)動，彎折力消失，不會向兩端電纜框架傳遞。當兩橋端錯位時，折角機構水平轉(zhuǎn)動，彎折力也不會向兩端電纜框架傳遞。整個過程中，橋面變形力通過電纜框架、連桿等，均勻分散地作用在電纜弧的數(shù)個特定點上。電纜的弧線段，幾乎不承受拉力和擠壓力。電纜全弧線僅作受限、均勻、在控的彎曲變形。

2 offset的設計（以offset 500為例）

2.1設置電纜最小成形弧

設定的電纜弧線，由四段半徑為R的圓弧相連或相切組成，以頂點為中心左右對稱。在其上選定5點，分別為起點1，拐點2，頂點3，拐點4，終點5，見圖2。

圖2　最小弧線

圖2中，R為電纜許用的最小彎曲半徑。僅和電纜的直徑D有關，通常取R≥22.5 D。

該例中D=160，計算得最小R=22.5×160= 3 600，弧線頂高H=R=3 600，弧線水平長L= 4R sin60=12 471，弧線總長S=2πR×240/360= 15 0S0。

2.2作出電纜最大成形弧

在圖2中，當5號點固定，1號點移動ΔL時，每段弧的曲率半徑會等量增大到相同的R+ΔR，其它三點則移動到圖3所示的位置。

圖3　最大弧線

當起點1水平移動距離ΔL時，其它對應點水平移動量和第一點有如下關系：第一點ΔL；第二點3/4ΔL；第三點1/2ΔL；第四點1/4ΔL；第五點0。

對于offset500，ΔL=1 000。

結構設計時，把這五個點通過一種特定機構連接為一體，當?shù)谝稽c移動時，這個機構能夠保證其它幾點均按上述關系水平關聯(lián)移動。若把第一點和移動橋面連為一體，當動橋端伸縮時，電纜弧線就會按設定的軌跡移動，釋放或吸收橋端移動而產(chǎn)生的電纜伸縮量。整個過程中電纜不直接承受拉力和壓力，每段電纜只作均勻的等幅彎曲變形。

2.3瞬態(tài)弧線的曲率半徑及每段對應弧圓心角的計算

設：初始弧曲率半徑r，圓心角α，弧線水平長l。其中l(wèi)=4r sinα。

瞬間曲率半徑R，圓心角β，弧線水平長L。其中L=4R sinβ。

L-l=ΔL

根據(jù)各段曲率相同、弧長相同的規(guī)定，有如下方程組：

聯(lián)解得sinβ=（r sinα+ΔL/4）β/rα

代入上例中的ΔL=1 000，r=3 600，α=60

得：最大β=46.61

最大R=4 634

2.4初始弧線的設定

ΔLmax/2對應的弧線為初始弧線。

2.5差速機構的設計

（1）二倍速機構

兩個滑輪分別裝在一個連桿上，形成一個動滑輪組。圖2或圖3上的1號點固連在滑輪組的鋼絲繩上，3號點連接在連桿端，鋼絲繩的兩端拉緊后固定在橋面上，見圖4。

圖4　二倍速機構

當1號點移動時，連桿上的3號點作同向移動，但其速度僅為1號點的一半。

（2）三倍速連桿

在圖3中，把下弧線上的點4和點2連線向左移動1/2ΔL，分別以上弧線上的點2和點4和下弧線上的點2點4為圓心，適當半徑畫圓，得兩交點，形成中間連桿。畫圓半徑的大小應使中間連桿盡量靠近下弧線上的點2點4連線。

三連桿的兩端連桿A和C等長，連桿機構的兩個端點，分別連接電纜弧的兩個特定拐點2和4，中間連桿B和二倍速的連桿相連接，見圖4、圖5。

圖5　三倍速連桿

中間連桿和3號點撥叉固連在一起。當中間連桿移動1/2ΔL時，2號點移動3/4ΔL，4號點移動1/ 4ΔL。即2號點移動的距離是4號點的3倍。

（3）兩種差速機構連為一體組成電纜拖動機構

第1點固定在電纜滑動框架上，拐點2、拐點4及頂點3為電纜拖架放置點，拉動3號點的桿件是一個撥叉，差速機構和滑動電纜框相連，見圖6。

圖6　電纜拖動機構

當滑動電纜框移動ΔL時，2號點上的電纜拖架移動3/4ΔL，3號點上的電纜拖架移動1/2ΔL，4號點上的電纜拖架移動1/4ΔL。

電纜拖架分別拖動4段電纜，按照設定的電纜變形軌跡移動，從而吸收或釋放因橋端間隙變化而引起的電纜伸縮量。

3 主要構件的設計

Offset裝置主要由固定部分、滑動部分、折角吸收裝置及安裝底座等組成，見圖1。各部件設計過程中，除考慮構件應具有足夠的強度、剛度外，所選用的材料還須具備良好的耐腐蝕性及抗疲勞性。為了便于現(xiàn)場安裝，所有鋼構件多選用標準型材，螺栓連接結構。所有構件在制造工廠制作完成后，均須組裝、拆分及編號?，F(xiàn)場安裝只進行組裝和調(diào)試工作。

3.1固定部分

固定部分由兩個電纜固定框架組成，見圖1中的電纜固定框架1和電纜固定框架2。其中一個安裝在橋端固定的橋面上，另一個則安裝在相鄰橋的滑動端橋面上。電纜用專用電纜夾頭固定在框架中。電纜固定框架主要承受電纜彎曲變形所需的拉力和壓力。力的大小等同于電纜彎曲時的屈服力，這個力因電纜直徑大小的不同而不同。

框架的立柱及橫擔一般用槽鋼制作，對角斜拉用角鋼，以增加局部強度及整體剛性。材質(zhì)選用不銹鋼或優(yōu)質(zhì)碳素鋼防腐處理?？蚣芘c橋面的連接應牢固可靠。

框架截面應能容納所需的電纜數(shù)?？蚣軘嗝娉叽?，應根據(jù)電纜直徑大小來決定，兩根電纜之間的距離應不小于國標中相關的規(guī)定。框架的長度應能滿足電纜排列的變化。

3.2滑動部分

滑動部分由滑動電纜框架、電纜拖動機構、電纜拖架、電纜支架等組成，見圖1。

（1）滑動電纜框架。由框架、導輪及軌道等組成?？蚣茴愅诠潭娎|的固定框架。導輪為不銹鋼，導軌為不銹鋼鋼管。導輪裝在電纜框架的下側面，沿上下兩條鋼管軌道滾動。導軌用支架固定在基座上。

（2）電纜拖動機構。由頂點撥叉、拐點連桿、差速滑輪等組成，如圖6所示。撥叉和連桿固連。連桿的兩端點和兩拐點的電纜拖架鉸接，頂點的電纜拖架隨撥叉平動。差速滑輪固定在拉桿上。動繩固定在基座上。整個機構設置在滑動框架的下部槽鋼內(nèi)，見圖4和圖7。

圖7　滑動電纜框架斷面圖

（3）電纜拖架和電纜支架用來固定或支承電纜。拖架框移動時可繞框架中心轉(zhuǎn)動，拖架是帶動電纜移動的施力點。支架僅起支撐作用。所有架子中心鉸接，鉸接桿一端為長槽，起導向限位作用。

3.3折角機構

主體為兩端垂直鉸接的框架結構，可上下左右擺動，見圖1。當動橋端伸縮時，折角機構能夠把伸縮力從動橋端傳遞到固定橋端的滑動電纜框上，從而拉壓弧形電纜部分完成補償作用。當在負載和風力的作用下，兩橋端會產(chǎn)生上下左右的偏轉(zhuǎn)，折角機構的鉸接作用，使得彎折力消失。折角機構的兩個框架用槽鋼制作，銷軸為不銹鋼空心軸。

有一點值得說明：這個偏轉(zhuǎn)角度相對較小，通常不大于2°。對于電纜這種塑性材料來講，盡管頻次很高，彎折的影響是微不足道的，只需在折角機構兩端固定電纜時，電纜在中間呈微弧狀即可。但是，對于橋兩端的電纜框架來說，如果橋兩端框架做成一個整體的話，鋼材在高頻次的反復彎折中會很快疲勞斷裂。因此說，折角機構不是真正意義上的電纜折角補償機構，而是鋼結構電纜框架自身的彎折消除機構。對于大offset裝置來說非常重要。這一點諸多文章中均未明確表達，誤以為這個機構的作用是在補償電纜的偏折影響。

3.4安裝底座

安裝底座作為設備的安裝基礎臺架，通常選用槽鋼、方鋼、工字鋼等剛度較大的型鋼制作。要求整體剛性好，上平面方便找水平。電纜滑動框架的導軌及弧形電纜拖架、電纜支架的滑板分別固定在底座的上平面上。導軌為不銹鋼管，滑板為有自潤滑能力的不銹鋼平板。

4 offset的安裝

（1）零部件應在制作場地預組裝及調(diào)試，并編號、拆分。包裝應以部件為單元，便于現(xiàn)場安裝。

（2）現(xiàn)場安裝滑動部分時，應先安裝弧形電纜拖架和電纜滑動框的底座。待底座精確調(diào)平后，再依次安裝滑動框架軌道、拖架滑板、電纜拖架、電纜支架、拖動機構等。

（3）弧形電纜的初始弧應置于最短弧和最大弧的中間位置。

（4）所有和橋面固定的構件，結合點應牢固可靠。

（5）固定電纜的夾頭夾緊力應足夠大，確保電纜和電纜框架不會產(chǎn)生相對滑動。

5 結束語

Offset裝置設計的核心理念是，要求裝在其上的弧形電纜，在伸長和收縮過程中，整個弧長應均勻等量彎曲。只有全弧長參于均勻彎曲，才能使得電纜變形最小，最終達到保護電纜，延長服役壽命的目的。

本文在設計過程中，重點強調(diào)電纜弧線四等分、等長、等弧設計，首次應用復合差分機構，彌補了在用Offset裝置在這方面之不足，有效地解決了電纜弧線全長參變、勻變、不傳遞張力等三大難題?？勺鳛楦鞣N規(guī)格Offset裝置的通用設計方法。

［1］ GB 5016S—2006 電氣裝置安裝工程電纜線路施工及驗收規(guī)范［8］.

［2］ 79電生字53號電力電纜運行規(guī)程［Z］.

［3］ 張永隆，朱愛鈞，沈 彬，等.220 kV崇明聯(lián)網(wǎng)工程伸縮縫電纜吸收裝置選型研究［J］.華東電力，2011，39（12）：2109-2113.

［4］ 陳軼偉，徐世澤.跨海大橋和海堤上高壓電纜的敷設［J］.電力建設，2010，31（6）：5S-61.

［5］ 王章軒.110 kV跨長江電纜隨橋梁敷設工程設計與施工［J］.供用電，2010，27（1）：79-S2.

［6］ 方曉明，曹志強.高壓電纜敷設于長距離大橋應對大橋伸縮問題的探討［J］.華東電力，2013，41（3）：61S-622.

Design Study of Expansion Compensation Devices in the Ultrahigh Voltage Cables for Large Bridge

WANG Shuang
（Second Design&Research Institute of the former Ministry of Machinery Industry，China United Engineering Corporation，Hangzhou 310052，China）

The expansion compensation devices in cables which are usually called offset devices for short are used on the ultrahigh voltage cable laid along the huge bridge on seas or rivers，and are the essential devices in the big power transmission project.In order to avoid the unexpected break，the importance of the expansion compensation devices is to eliminate the tensions of cables due to bridge's displacement，bending，dislocation and hence guarantee the safety of electric transmission line.In this Paper，firstly，the principle of operation for this kind of compensation devices was explained carefully base on the deep studies of the imported ones which are designed by foreign countries.Then the author explored a set of methods how to design and manufacture this kind of complicated devices independently in China，which aims to establish a solid theoretical basis for future localization.

cable expansion；offset device；operational Principle；design method

247.4

A

1672-6901（2015）02-001S-05

2014-09-01

王 雙（1957-），男，高級工程師.

作者地址：浙江杭州市濱江區(qū)濱安路1060號A樓1S層［310052］.