輸電線路跨(鉆)越高速鐵路設計技術(shù)

田雷，張子引，劉顥

(國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京市 100052)

0 引言

全國電力線路網(wǎng)包括特高壓線路、超高壓線路、高壓線路以及配電線路，是以特高壓輸電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架，超高壓輸電網(wǎng)和高壓輸電網(wǎng)以及特高壓直流輸電、高壓直流輸電和配電網(wǎng)構(gòu)成的分層、分區(qū)、結(jié)構(gòu)清晰的現(xiàn)代化大電網(wǎng)。高速鐵路是指列車設計最高行車速度達到250 km/h及以上的鐵路。中國高速鐵路網(wǎng)由“四縱四橫”的骨干網(wǎng)、重要的區(qū)域網(wǎng)和大城市之間的城際高速鐵路構(gòu)成，覆蓋了全國大部分的大中城市。輸電線路跨(鉆)越高速鐵路的可靠性水平，不僅關(guān)系到電網(wǎng)和高速鐵路的安全穩(wěn)定運行，也關(guān)系到人民群眾的生命安全［1-5］。

社會輿論、公眾對高速鐵路的運行安全十分關(guān)注，2010年國家電網(wǎng)公司和鐵道部聯(lián)合發(fā)布了文件《鐵道部國家電網(wǎng)公司關(guān)于相互配合支持鐵路與電力基礎設施建設工作的實施辦法》(鐵計〔2010〕17號)。在輸電線路跨越高速鐵路技術(shù)及建設的安全方面，國家電網(wǎng)公司始終高度重視，通過細致調(diào)研、周密分析和深入研究，提出了《國家電網(wǎng)公司輸電線路跨(鉆)越高速鐵路設計技術(shù)要求》，進一步明確、細化了輸電線路跨(鉆)越高速鐵路的設計技術(shù)。

工程設計中，如何根據(jù)技術(shù)要求及時調(diào)整設計思路，把握設計原則，掌握設計技術(shù)，落實到工程實際，都是亟需解決的問題。本文通過對輸電線路跨(鉆)越高速鐵路設計技術(shù)的分析，以期為規(guī)范輸電線路跨(鉆)越高速鐵路設計做好技術(shù)支撐工作。

1 輸電線路跨(鉆)越高速鐵路現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計，截至2012年1月底，國家電網(wǎng)公司系統(tǒng)110(66)kV及以上輸電線路跨(鉆)越高速鐵路共計4 000余處。按交叉方式統(tǒng)計，架空線路跨越約占97%，電纜線路鉆越約占3%;按電壓等級統(tǒng)計，500(330)kV線路約占13%，220 kV線路約占40%，110(66)kV線路約占42%，其他電壓等級約占5%。隨著輸電線路和高速鐵路建設的大力發(fā)展，高速鐵路網(wǎng)絡和輸電線路網(wǎng)絡必將存在越來越多的交叉、跨越。

架空輸電線路跨越主干鐵路采用以下幾種措施，以降低出現(xiàn)斷線、倒塔事故的概率，減少事故影響范圍。

(1)路徑選擇上盡量減少跨越高速鐵路的次數(shù)。

(2)線路跨越高速鐵路時，在垂直距離、水平距離、交叉角度等相關(guān)要求上，除滿足輸電線路設計相關(guān)規(guī)范外，還應執(zhí)行鐵路部門的相關(guān)要求。

(3)跨越高速鐵路采用獨立耐張段設計。

(4)跨越高速鐵路段，懸垂串采用獨立掛點的雙懸垂串。

(5)跨越高速鐵路段的導線在跨越檔內(nèi)不得接頭。

(6)采取必要的在線監(jiān)測措施［6-8］。

目前，國家電網(wǎng)公司新建輸電線路跨越高速鐵路的措施均符合國家相關(guān)技術(shù)規(guī)程、規(guī)范要求，可基本滿足輸電線路跨越高速鐵路的可靠性，保障高速鐵路安全、穩(wěn)定運行。但由于高速鐵路和輸電線路工程建設的快速發(fā)展，高速鐵路與輸電線路建設時序分先后，致使雙方在輸電線路的建設標準、技術(shù)要求上經(jīng)常出現(xiàn)不一致的情況;以及因投資主體的不同，存在執(zhí)行標準尺度不統(tǒng)一的情況。

為規(guī)范輸電線路跨(鉆)越高速鐵路的設計工作，統(tǒng)一建設標準，實現(xiàn)輸電線路跨(鉆)越高速鐵路區(qū)段的設計標準與高速鐵路技術(shù)標準有效銜接，確保輸電線路和高速鐵路安全可靠運行，對跨越高速鐵路的輸電線路設計技術(shù)進行重新梳理、分析研究，適當提高設計標準是十分必要的。

2 輸電線路跨(鉆)越高速鐵路方式

2.1 利弊分析

輸電線路跨(鉆)越高速鐵路主要分架空跨越和電纜鉆越2種方式。

(1)從輸電線路發(fā)生故障對高速鐵路影響方面分析。輸電線路采取架空方式跨越高速鐵路，輸電線路自身運行可靠性較高，但受極端氣象如強風、重覆冰、舞動等影響較大，跨越段如出現(xiàn)倒塔、斷線等嚴重事故將直接影響高速鐵路運營安全。此外，施工和外力破壞導致的輸電線路倒塔、掉線也不容忽視。輸電線路采取電纜方式鉆越高速鐵路，輸電線路位于高速鐵路下方，電纜線路發(fā)生故障時，對高速鐵路安全運營無直接影響。

(2)從輸電線路故障修復難度和時間方面分析。輸電線路采取架空方式跨越高速鐵路，其架設方式與其他段輸電線路相同，備品、備件基本相同，故障修復相對容易、修復時間較短。輸電線路采取電纜方式鉆越高速鐵路，電纜段是整條輸電線路中的薄弱環(huán)節(jié)，過載能力較弱，電纜故障往往是電纜頭損壞等不可恢復性的故障，需要專業(yè)隊伍和對應的備品、備件重新更換、安裝，搶修困難，停電時間較長。對于運行維護距離較長的地區(qū)，備品、備件運輸較為不便，專業(yè)維修隊伍搶修難度更大，對電網(wǎng)自身的運行影響較大。

(3)從施工難度方面分析。輸電線路采取架空方式跨越高速鐵路，為不影響高速鐵路的正常運營，施工時間(往往在夜間)和施工方案、措施(需要搭設專用跨越塔架)都受到嚴格限制，施工難度較高。輸電線路采取電纜方式鉆越高速鐵路，基本在高速鐵路的高架段下鉆越，施工期間高速鐵路不需采取特殊的防護措施，施工難度較低。

(4)從運行維護工作量方面分析。輸電線路采取架空方式跨越高速鐵路，運行維護工作量較常規(guī)線路略有增加，人力安排可統(tǒng)一協(xié)調(diào)，整體工作量較電纜方式小。輸電線路采取電纜方式鉆越高速鐵路，對于不同的架設(敷設)方式，人力安排不同，運行維護的工作量較大。

(5)從相關(guān)協(xié)議手續(xù)辦理方面分析。輸電線路采取架空方式跨越高速鐵路，投資主體為電力部門時，交叉跨越的要求嚴格，涉及鐵路部門內(nèi)部單位也較多，溝通和手續(xù)辦理相對復雜。輸電線路采取電纜方式鉆越高速鐵路，因其敷設方式對高速鐵路正常運營影響較小，但對沿鐵路兩側(cè)敷設的通信線可能會有影響，對于鐵路的路基也可能有影響，總體上鐵路部門的相關(guān)要求容易滿足，相關(guān)協(xié)議手續(xù)辦理相對容易。

2.2 投資分析

在技術(shù)上，特高壓輸電線路目前還無法實現(xiàn)電纜鉆越。330 kV及以上電纜輸電線路的電纜及附件等材料目前主要依賴進口，國內(nèi)生產(chǎn)技術(shù)還不成熟;且330 kV及以上電纜線路多為隧道敷設，工程造價很高，一般為架空線路投資的10倍以上。目前，330 kV及以上輸電線路穿越高速鐵路均采用架空跨越方式。

220 kV及以下電纜線路的電纜及附件等材料以國產(chǎn)為主，導電截面在 2 500 mm2以下，220、110(66)kV輸電線路穿越高速鐵路既可采用架空方式，也可采用電纜方式。按照雙回路架空跨越、獨立耐張段4基塔，雙回路電纜鉆越、鉆越長度200～300 m測算，根據(jù)具體實施方案不同，220 kV電纜鉆越高速鐵路投資為架空跨越投資的3～6.5倍，110(66)kV電纜鉆越高速鐵路投資為架空跨越投資的2～4倍，具體數(shù)據(jù)如表1所示。目前，110 kV電纜線路一般采用排管敷設，220 kV電纜線路排管和隧道敷設方式并存。隨著電網(wǎng)輸送容量不斷增大，220 kV電纜隧道敷設方式呈逐步增加趨勢。

表1 輸電線路架空跨越、電纜鉆越高速鐵路的投資比較Tab.1 Investment comparison of transmission lines between overhead spanning and underground cable crossing high speed railways high speed railways

2.3 輸電線路跨(鉆)越高速鐵路總體原則

從電網(wǎng)線路穿越高速鐵路的安全性、可實施性、經(jīng)濟性等方面綜合考慮，電網(wǎng)線路穿越高速鐵路總體原則建議如下:

(1)330 kV及以上輸電線路穿越高速鐵路應采用架空跨越方式。

(2)110(66)、220 kV輸電線路應從系統(tǒng)條件、氣象地形、施工運維、投資能力等方面進行綜合分析后，選擇合適的跨(鉆)越方式。在強風區(qū)、易舞區(qū)、覆冰嚴重地區(qū)，在采用架空跨越對周邊環(huán)境影響較大地區(qū)(如城市密集區(qū))，電纜方式是較好的選擇;在地形復雜地區(qū)(如山谷、河流等)及電纜運行維護困難、故障修復時間較長地區(qū)，當成熟技術(shù)無法達到輸送容量要求時(如要求導電截面在2 500 mm2以上時)，架空方式是較好的選擇。

3 輸電線路跨越高速鐵路設計技術(shù)要求

3.1 結(jié)構(gòu)簡單、連接構(gòu)件少

在高速鐵路上方的輸電線路不宜采用復雜的結(jié)構(gòu)形式(如復雜的鋼構(gòu)架等)，在高速鐵路上方減少間隔棒等連接構(gòu)件，均是為降低或避免輸電線路的金具、構(gòu)件等掉落到高速鐵路上的情況發(fā)生。具體的要求是:

(1)跨越高速鐵路獨立耐張段的導、地線不應有接頭。GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規(guī)范》中只要求在跨越檔內(nèi)不得接頭［1］。在跨越高速鐵路的要求上，不應接頭的范圍由跨越檔擴至整個跨越的獨立耐張段。一般情況下，跨越高速鐵路的獨立耐張段不超過1 km。單段導、地線制造長度在2 km以上，可以滿足要求。

(2)防振錘、子導線間隔棒宜采用預絞式。采用預絞式金具后，可減少與導、地線連接金具的零件數(shù)量，并在防松、防振等方面發(fā)揮預絞式金具自身的特點。

3.2 安全性高

(1)在總體要求上，新建輸電線路跨越高速鐵路區(qū)段的設計，應滿足電力和鐵路行業(yè)的技術(shù)標準。建筑結(jié)構(gòu)安全等級按一級設計，跨越高速鐵路輸電線路桿塔受壓桿件軸心受壓穩(wěn)定、絕緣子受拉破壞的可靠性指標不應小于4.2，桿塔軸心受壓、受拉承載力及金具、導地線受拉承載力的可靠性指標不應小于3.7。

(2)在跨越點位置的要求上，跨越桿塔應滿足與機動車道路等安全距離的相關(guān)要求。當無法滿足時，應采取必要的防撞等防外力破壞措施。此要求在常規(guī)輸電線路設計中也是要考慮的，在跨越高速鐵路中強調(diào)，是要求設計中對高速鐵路和機動車道路的安全距離都要同等重視，同樣滿足要求。

(3)在跨越方式的要求上，架空輸電線路跨越高速鐵路應采用獨立耐張段。采用獨立耐張段是保證跨越段安全、可靠的主要措施，一是提高了線路運行安全、可靠度，二是當出現(xiàn)事故時，能更快進行搶修。跨越高速鐵路的輸電線路自成一個耐張段后，有效降低了與普通段線路荷載的相互影響，并在適當提高設計標準后只增加有限的投資;因直線跨越塔質(zhì)量比轉(zhuǎn)角跨越塔小，金具構(gòu)件少，舞動區(qū)內(nèi)的防舞能力強于轉(zhuǎn)角塔，故在跨越位置條件允許時，優(yōu)先采用“耐-直-直-耐”的獨立耐張段跨越方式。

(4)設計氣象條件的選取原則與常規(guī)線路一致。在建筑結(jié)構(gòu)安全等級按一級設計，且桿塔結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1后，設計基本風速不必再提高，但仍應在綜合考慮跨越獨立耐張段的微地形、微氣象條件后合理選取。當高速列車以時速350 km/h駛過網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下方時，對應網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不同高度所受水平風壓的近似相當風速如表2所示。設計中應考慮列車通過時的空氣動力相當風速與設計風速的疊加。疊加時需注意列車在不同時速通過時相應氣象條件的組合，列車的最高時速不會與設計最大風速(至少23.5 m/s，相當于9級風以上)同時出現(xiàn)，設計中要根據(jù)不同氣象環(huán)境下鐵路運行的要求考慮風壓的折減。另外，列車對導、地線的風壓作用并非均勻作用在整個跨越檔，風壓在路軌正上方最大，距路軌水平距離越遠則風壓越小，設計中要根據(jù)跨越檔距的大小乘以相應的折減系數(shù)。總體來看，列車通過時的空氣動力對輸電線路設計的影響有限，但設計中應加強相關(guān)工況的驗算。覆冰驗算僅考慮驗算桿塔強度，且按照跨越獨立耐張段的實際的水平檔距、垂直檔距、桿塔高度等進行驗算。

(5)在導、地線設計中，考慮到跨越高速鐵路的重要性，導、地線應在輸電線路的使用壽命期內(nèi)盡量少更換，故宜采用防腐性能好的導、地線(含光纖復合架空地線(optical fiber composite overhead ground wire，OPGW)，并根據(jù)工程實際條件選取合適的導線類型。

表2 對應網(wǎng)架結(jié)構(gòu)距軌頂垂直距離的水平近似風速值Tab.2 Approximate horizontal wind speeds corresponding to the vertical distances between tower structure and rail top

(6)在桿塔設計中，最主要的一點就是桿塔結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)不低于1.1。工程設計中可采用2種方法來實現(xiàn):一種是按照桿塔結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)不低于1.1的荷載新規(guī)劃計算桿塔，采用與常規(guī)線路段不同的桿塔結(jié)構(gòu)設計;另一種是利用與常規(guī)線路段相同的桿塔，在跨越高速鐵路的獨立耐張段內(nèi)，減小桿塔的水平檔距以降低桿塔水平荷載、減小桿塔的垂直檔距以降低桿塔垂直荷載、放松導線張力以降低桿塔縱向荷載，使桿塔實際使用荷載較設計荷載降低近10%，從而達到桿塔結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1的要求。在國家電網(wǎng)公司桿塔通用設計得到廣泛應用的情況下，為降低設計工作量、加快工程建設進度，采用第2種方法較多。這里需要注意2點:①并非水平檔距減小近10%后，桿塔的水平荷載就降低近10%。因桿塔水平荷載包括線條風荷載和塔身風荷載，水平檔距減小近10%后，只是降低了線條風荷載，塔身風荷載并不降低，故水平荷載并未達到重要性系數(shù)的要求。應根據(jù)桿塔塔身風荷載在設計水平荷載所占的比例，經(jīng)計算后減小所需的水平檔距。一般情況下，電壓等級越高，塔身風荷載所占比例越高，減小水平檔距的比例也越高。實際工程中，減小水平檔距15% ～20%就可滿足要求。②并非僅改變桿塔類型就能滿足所有要求。例如跨越桿塔的實際水平檔距350 m，常規(guī)線路如采用Ⅰ型塔即可滿足設計要求，若采用Ⅱ型塔，則設計水平檔距為410 m的水平荷載才能滿足重要性系數(shù)1.1的要求。設計中不能僅將Ⅰ型塔換為Ⅱ型塔就認為可行了，改變塔型后僅是水平荷載滿足要求，還要校驗Ⅱ型塔能否承受1.1倍的垂直荷載和縱向荷載。一般情況下，垂直荷載較易滿足，縱向荷載需放松線條張力后才能滿足要求。在桿塔設計中還應把握的是，跨越高速鐵路獨立耐張段的鐵塔不應采用拉線塔。

(7)在基礎設計中，要注意此基礎作用力是基于桿塔結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1的基礎作用力，根據(jù)實際情況還需進行基礎的水平位移驗算、不均勻沉降及抗滑移計算、基礎裂縫驗算，特殊地質(zhì)條件下的基礎防護措施應較常規(guī)線路適當提高標準，以確保桿塔基礎的穩(wěn)定。

(8)在防舞設計中，防舞裝置的安裝位置盡量避開高速鐵路軌面區(qū)域正上方，并確保防舞裝置與導線的可靠連接。運行經(jīng)驗表明，舞動區(qū)的高速鐵路一般不采用直接的“耐-耐”方式，這是因為:①出現(xiàn)舞動時，耐張塔所受影響較大，易造成疲勞破壞。②耐張塔絕緣子串、金具較多，運行維護工作量大，直線塔采用復合絕緣子后，維護量較小。故獨立耐張段宜采用“耐-直-直-耐”方式，跨越高速鐵路的桿塔宜采用直線塔，桿塔螺栓應采用雙帽防松措施。在3級舞動區(qū)，500 kV及以上電壓等級耐張塔宜選用鋼管塔。

3.3 其他技術(shù)要求

(1)總體規(guī)劃方面。在線路路徑選擇時，盡量減少與高速鐵路的交叉，或以高速鐵路為界實施分界供電。對確需與高速鐵路交叉的輸電線路應結(jié)合遠期規(guī)劃建設，跨越點回路數(shù)宜按遠期規(guī)劃要求一次建成;電纜線路應至少預留再次敷設一回電纜的通道(排管敷設)或空間(溝道、隧道敷設)。

(2)路經(jīng)協(xié)議方面。輸電線路跨(鉆)越點位置的確定影響到線路路經(jīng)的走向和工程投資的大小，所以鐵路部門的協(xié)議是工程設計中應具備的。因國家電網(wǎng)公司系統(tǒng)各地區(qū)間處理協(xié)議存在差異，對于跨越方式和鉆越方式的協(xié)議辦理也不同，各地區(qū)可根據(jù)實際情況和以往經(jīng)驗辦理。最終均以輸電線路跨(鉆)越高速鐵路的位置、方式和相關(guān)要求不出現(xiàn)顛覆性變化為原則。

(3)與鐵路部門技術(shù)上的要求保持一致。輸電線路不宜在高速鐵路出站信號機以內(nèi)跨越，輸電線路與高速鐵路的垂直距離、水平距離、交叉角度的基本要求如表3所示。僅在輸電線路與高速鐵路雙方同期建設或擬建高速鐵路有明確線位時，方考慮鐵路施工機械施工作業(yè)的安全距離要求。±800 kV輸電線路跨越擬建鐵路橋梁地段，考慮鐵路施工機械施工作業(yè)的安全距離要求時，導線距軌頂?shù)淖钚〈怪本嚯x不應小于24 m。

4 輸電線路鉆越高速鐵路設計技術(shù)分析

4.1 技術(shù)成熟

電纜的電氣和土建設計應采用成熟合理、運行經(jīng)驗豐富的技術(shù)。具體要求為:

表3 輸電線路與高速鐵路的垂直距離、水平距離、交叉角度的基本要求Tab.3 Basic requirements of vertical distance，horizontal distance and crossing angle between transmission lines and high-speed railway

(1)應采用成熟的電纜型式及相關(guān)附件。

(2)電纜的敷設方式應因地制宜，采取可行、經(jīng)濟、成熟的敷設方式。

4.2 運檢方便

電纜設計要充分考慮鉆越高速鐵路的位置、地質(zhì)條件等情況，盡量減少運行、維護的工作量，最大程度地降低與高速鐵路之間的相互影響。具體要求為:

(1)電纜線路鉆越高速鐵路時不應設置中間接頭，遇有敷設超長電纜確需中間接頭時應將其設在路基范圍以外，且滿足電纜(或隧道、排管)與路基的安全距離要求。減少電纜中間接頭的數(shù)量，可有效提高電纜運行的安全，減少線路運維工作量。

(2)電纜線路鉆越高速鐵路非橋梁段，在路基范圍內(nèi)埋設電纜時，必須保證路基穩(wěn)定及鐵路排水等設備的正常使用。

(3)應根據(jù)實際情況采取必要的防盜等防外力破壞措施。

5 結(jié)語

因高速鐵路和輸電線路工程建設的快速發(fā)展，投資主體的不同，存在執(zhí)行標準尺度不統(tǒng)一的情況。高速鐵路事故的發(fā)生都會產(chǎn)生較為嚴重的人身傷亡、形成巨大的社會反響。對跨越高速鐵路的輸電線路設計技術(shù)進行重新梳理、分析研究，適當提高設計標準是十分必要的。輸電線路與高速鐵路的交叉方式應從利弊分析和投資分析的角度，綜合分析，合理確定輸電線路跨(鉆)越高速鐵路的方式。

［1］GB 50545—2010 110 kV～750 kV架空輸電線路設計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2010.

［2］GB 50068—2001建筑結(jié)構(gòu)可靠度設計統(tǒng)一標準［S］.北京:中國計劃出版社，2001.

［3］TB 10008—2006鐵路電力設計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2006.

［4］TB 10621—2009高速鐵路設計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［5］張弓，孫偉軍，吳堯成，等.架空送電線路跨越高速鐵路施工技術(shù)［J］. 電力建設，2011，32(9):94-97.

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