模块化随桥电缆伸缩补偿装置研制及工程化应用

2022-03-22龚坚刚刘燕平闫循平裘立峰

浙江电力 2022年2期

龚坚刚，刘燕平，闫循平，裘立峰

（1.浙江华云电力工程设计咨询有限公司，杭州 310016；2.国网浙江电力有限公司舟山供电公司，浙江舟山 316021）

0 引言

随着我国城市化进程的推进，以及海洋经济、新能源开发的进一步发展，受电力廊道、海上路由限制，大截面电缆沿大型桥梁敷设的需求越来越多［1-2］。与此同时，我国桥梁设计技术也日新月异，新版CJJ11—2011《城市桥梁设计规范》也放松了对电力线路过桥的限制，允许在桥上敷设不高于10 kV的配电电缆，但必须采取有效的安全保护措施［3］。近年来，在政府的支持和电力部门的技术保证下，高电压等级随桥电缆的应用日益广泛。

桥梁受车辆荷载和环境温度、大风、地震等外界条件影响，每隔一段距离就会设置一道伸缩缝，电缆经过桥梁伸缩缝须采用OFFSET（电缆伸缩补偿装置）进行实时补偿，同时装置必须满足桥梁荷载和敷设空间要求。由于桥梁结构的不同，OFFSET需根据实际情况进行设计。目前OFFSET核心技术均被国外垄断［4］，国内已投运的随桥电缆工程均采用国外企业制造的产品，其产品设计、供货周期长，对工程的投产影响较大。

洛迦-鱼东220 kV 输电线路工程全长46.7 km，其中随桥跨海电缆总长25.165 km，鱼山大桥段8.815 km，舟岱大桥段16.35 km。两座桥梁伸缩缝从80 mm 到1 600 mm，大小不一、种类繁多，电缆敷设位置条件狭窄，且工期非常紧迫。如果采用国外产品，需根据工程参数和伸缩缝大小一对一设计，还涉及跨国交流，这在设计进度和工期上会受到很大制约。为此，针对洛迦-鱼东220 kV 输电线路工程高压随桥电缆敷设，提出了模块化OFFSET概念，以便适应各场景。

1 随桥电缆伸缩补偿技术

1.1 国内外技术现状

目前典型的随桥OFFSET 最大伸缩补偿量见表1［1-2，4］。表1中OFFSET均采用日本古河公司生产的装置，其中日本1986 年建成的大鸣门吊桥所用OFFSET 为目前国际上伸缩补偿量最大的装置，其最大伸缩补偿量为1 447 mm，但仍无法满足浙江舟岱大桥最大伸缩补偿量1 600 mm 的要求。

当前国内随桥电缆针对较大伸缩补偿量，绝大多数采用日本古河公司生产的OFFSET［5-7］。这种典型桁架结构OFFSET 采用多点拟合电缆的伸缩变化，主要通过连杆系统实现桁架主体伸缩变化，并通过平面滑块实现电缆局部的不确定移动变化，详见图1、图2。

图1 典型桁架结构OFFSET示意

图2 桁架结构OFFSET伸缩示意

由于桁架结构滑块多，水平占空较大，因此无法适应通道狭窄场所，且国内无成熟技术可借鉴。通过实际工程参数和工程工期研究分析，认为现有技术不能满足实际工程需要。

1.2 随桥电缆伸缩补偿理论与分析

相关文献及资料显示，电缆伸缩补偿数学模型普遍采用如图3所示模型。

图3 电缆伸缩数学模型

初期圆弧曲线半径：

式中：R0为初期圆弧曲线半径，R0=20×1.1Ds；L0为初期圆弧曲线半节距；F0为初期圆弧曲线幅宽；Ds为电缆铝护套直径。

伸缩后弯曲半径R′表达式如下：

式中：L′为伸缩后圆弧曲线半节距；F′为伸缩后圆弧曲线幅宽。

式中：m为整圆弧曲线伸缩量，收缩时m取正值，拉伸时m取负值。

在伸缩前后弧长不变的情况下，R′和F′可通过迭代计算求得。R′将随日间伸缩变化成为新的R0，即零点漂移。

铝护套疲劳应变采用日本电气技术规程给出的Bauer简化公式［8］：

式中：εi为铝护套疲劳应变，日间铝护套疲劳应变需满足εi≤0.3%［9］；工程实际中，m取md/2，md为日伸缩量。

铝护套破裂时伸缩次数为：

铝护套累计疲劳法则如下：

式中：ni为30 年伸缩次数，即保证30 年伸缩次数下铝护套不会断裂。

经研究分析，对于Ds接近160 mm的电缆，采用弦高1 600 mm、半径3 200 mm为初始弧段进行建模计算。经分析，此弧段对220 kV 常规电缆而言，补偿能力适中，弦高也有利于施工安装和生产运维。

2 模块化OFFSET的构建及其关键技术

2.1 模块化OFFSET的构建

按照1.2所述电缆伸缩补偿模型，单个伸缩补偿模块构建是容易实现的，但是针对多个模块连接就必须解决差动问题。OFFSET 构造见图4，主要由弹性钢板、活动撑臂、同向差动装置、拉杆、转抽、滑轮、轨道等组成。为了实现每个模块等量均分移动，模块1的移动量将叠加到模块2中；同理，模块2的移动量将叠加到模块3中。因此，各模块根据自身所处位置设置差动机构，由于同向运动，故称同向差动装置。差动系数K由式（7）给出：

图4 OFFSET构造

式中：n为从固定端起的同向差动装置序号，即自然数1，2，…。对应1—3序号的K值分别为：1/2，2/3，3/4。

图5 所示模块化OFFSET 以3 个模块为例，左侧为固定端，右侧为移动端。模块1无需同向差动装置，因此以1∶1 运动；模块2 需同向差动装置，差动系数为1/2，即其右侧运动2单位，左侧运动1单位；模块3需同向差动装置，差动系数为2/3，即其右侧运动3单位，左侧运动2单位。

图5 模块化OFFSET

2.2 关键技术

完整的模块化OFFSET 由固定架、折角机构、移动架、伸缩补偿模块组、固定端等组成，其结构如图6所示。

图6 模块化OFFSET结构示意

2.2.1 连续弧变技术

假设电缆实际的运动要符合电缆伸缩补偿理论数学模型。常规桁架结构的OFFSET 通过连杆系统实现桁架主体粗略伸缩变化，通过平面滑块实现电缆局部更精确的移动变化，从而使电缆各点的应变均匀。通过研究图7中人字架与圆弧在拉伸中的变化情况可以发现：按照实线、虚线、点划线轨迹发生拉伸变化时，人字架顶部逐步脱离弧顶并产生距离。如果强制将电缆固定于人字架顶端，随着机构伸缩，顶部电缆的应变将明显大于其他部位，不能均变。可见，必须采用圆弧拉伸技术才可满足常用电缆伸缩补偿理论数学模型，因此模块化随桥电缆伸缩补偿模块采用钢板连续弧变技术。

图7 人字架与圆弧在拉伸中变化

2.2.2 同向差动装置

同向差动装置是构建模块化OFFSET 的核心部件，它直接分配OFFSET 位移到各模块并保证各模块同向等量运行，从而保证整个OFFSET 上电缆的均匀应变。其实现方法有多种，实际应用中多采用容易制造的四边机构方法。

2.2.3 折角机构及其优化

折角机构主要用来补偿桥梁伸缩缝两侧箱梁的上下、左右错位运动量，以及对于大型伸缩缝两侧箱梁可能发生的非同步扭转。目前大多采用方形框架式十字轴折角机构，但在试验中发现，该形式折角机构运动不连续，同时在施工时电缆穿越较困难，最关键的在于针对大型伸缩缝非同步扭转补偿，结构设计基本无法实现。为此提出了一种隐式折角机构，即利用装置上已有或构建两根平行转轴且其中一根可以水平运动，没有了方形框架，具有隐去的特征使结构更简明，运动传递更稳定，电缆安装也更方便。

3 工程化应用研究

3.1 随桥电缆工程概况及要求

洛迦-鱼东220 kV 输电线路工程中，鱼山大桥和舟岱大桥随桥电缆部分涉及OFFSET，需满足以下基本要求。

3.1.1 敷设条件

1）在桥梁防撞墩外侧预留通道内（通道宽度约1.8 m），或桥梁单幅翼板下L型钢平台上（通道宽度约2.6 m）单回或双回路敷设，伸缩缝大小为80 mm、240 mm、320 mm、400 mm、600 mm、640 mm。

2）在桥梁双幅翼板下联合钢平台上（通道宽度约6.5 m，高1.8 m）双回路敷设，伸缩缝大小为1280 mm、1600mm。

3.1.2 电缆参数

220 kV交联聚乙烯绝缘皱纹铝护套2 500 mm2电力电缆，铝护套直径Ds=160 mm。

3.2 模块化OFFSET种类

常见桥梁伸缩缝有吊挂型和梳齿型两类，吊挂型板块/缝宽一般取80 mm，梳齿型则是在吊挂型基础上发展而来的。因此，桥梁伸缩缝选型多以80 的倍数归并，如80 mm、240 mm、320 mm、480 mm、640 mm、720 mm、800 mm、1 280 mm、1 600 mm等。

按伸缩缝大小、应用环境，可将模块化OFFSET 分为垂直布置型和水平布置型。垂直布置型适合电缆通道较窄的区域，力学结构简明，但伸缩补偿构建效率相对较低。水平布置型适用电缆通道水平较宽敞、高度较低的区域，力学结构相对垂直型更复杂，但伸缩补偿构建的效率较高，特别适合大型伸缩缝补偿。

综合考虑桥梁伸缩缝型号、随桥电缆敷设场所、合适的运维高度等因素，垂直布置型规划采用240 mm、480 mm、720 mm型，分别由单模块、双模块、三模块构建；水平布置型规划采用800 mm、1 280 mm、1 600 mm型，分别由双模块、三模块、四模块构建。三模块垂直型-720 mm OFFSET 见图8，四模块水平型-1 600 mm OFFSET见图9。

图8 三模块垂直型-720 mm OFFSET

3.3 设计理念

3.3.1 少维护理念

为实现免维护或少维护，设计中应注意材料的选择。一般支架采用碳钢型材，关键部件采用316L奥氏体不锈钢［10-12］；转动/摩擦轴承采用无油石墨黄铜套/板［13］；螺栓采用达克罗8.6级螺栓（主受力部位）及316L 奥氏体不锈钢螺栓。碳钢型材采用稀土热镀锌+黑烯改性重防腐作料，设计寿命达50年；316L奥氏体不锈钢经重盐雾腐蚀试验验证可耐受高腐蚀环境［14-17］。不锈钢及耐磨材料的选取可增加装置稳定性，极大地降低了装置维护次数。

3.3.2 方便运维理念

高度设计应考虑适合观察；垂直布置型考虑预留单侧巡视空间，水平布置型考虑预留双侧巡视空间；设置总伸缩观测标尺。考虑电磁涡流影响［18-20］。

3.3.3 全寿命周期理念

考虑双倍电缆寿命周期，装置需满足铝护套疲劳日应变不高于0.3%，30 年铝护套应满足式（16）给出的累计疲劳法则，钢板弧耐疲劳不低于60年。

3.4 研制与测试

模块化OFFSET 经过理论模型、1∶10模型验证、真型试验、优化完善4个阶段，达到了实用化程度。对三模块垂直型-720 mm OFFSET、四模块水平型-1 600 mm OFFSET 进行第三方型式试验。

真型试验分为样机试验和成品试验2 个阶段。试验中均按实际敷设电缆。样机试验着重验证装置功能和技术参数是否达到设计要求；成品试验是在样机基础上进行优化改进，选材上按工程考虑，验证技术参数是否满足设计和工程应用要求。

目前尚无关于模块化OFFSET 各项指标的行业或国家测试标准，针对鱼山大桥和舟岱大桥随桥电缆工程开展了试验方法研究，并制定了相应的企业标准，对OFFSET 从八方面进行测试：纵向补偿能力测试、运动传递误差测试、电缆弯曲半径测试、抗风荷能力测试、应变钢板耐疲劳测试、电缆铝护套耐累积疲劳测试、运动部件性能测试、防腐能力测试。

3.5 工程实施

220 kV鱼山大桥和舟岱大桥随桥电缆工程中，安装了66套垂直布置型OFFSET（伸缩补偿240～640 mm），用于桥梁护栏外廊道和翼梁下吊挂廊道；安装了4 套水平布置型OFFSET（伸缩补偿1 280～1 600 mm），用于两座桥梁之间廊道。

在工程实施中，OFFSET 模块既可采用工厂化组装、现场分模块吊装和拼装，也可分部件现场安装，相比之下，工厂化组装效率更高。

现场安装时准确定位非常重要，横向应按设计要求确定，至少一侧保留运行通道；纵向应保证固定端与移动端保持同一直线。固定端、移动端定位采用“极小值定位法”，即OFFSET 缩到最小值时应与桥梁伸缩缝最小值相重合。一般情况下，OFFSET 出厂时在最小值状态对装置进行固定（简称“零值固定”），待电缆敷设完成后，解除固定，合拢固定端与移动端。

OFFSET 上电缆安装在零值固定状态进行，电缆按最小允许弯曲半径敷设，应特别注意首、尾拱连接过渡处电缆的造型，严格按最小允许弯曲半径敷设［21］，防止因电缆曲率不够而在伸缩补偿时产生巨大的推力。