一種安全高效的特高壓線路跨越高速鐵路技術

武 瀚，盧自強

(1.國網山西省電力公司，山西 太原 030001；2.國網山西供電工程承裝公司，山西 太原 030001)

0 引言

特高壓輸電具有輸電容量大、輸送距離遠、覆蓋范圍廣、損耗低、占地少的顯著優勢，對資源優化配置、服務經濟發展、大氣污染防治具有重要意義。按照“十三五”規劃，到2020年，我國特高壓線路長度將達到8.9萬km。

與此同時，近年來高速鐵路發展迅速，運營里程已經超過2萬km，不可避免地將遇到特高壓線路跨越高速鐵路的情況，跨越過程中的問題也越來越突出。

面對諸如高速鐵路跨越“天窗期”短，跨越架搭設工作量大，跨越高度受限，施工費用較高，跨越架穩定性較低等問題，如何安全、高效、經濟地跨越高速鐵路，這是特高壓建設面臨的一項重要課題，亟待解決。

1 跨越施工現狀

當前，國內電力線跨越鐵路、公路和電力線路的施工技術，主要分為無跨越架和有跨越架2類。無跨越架施工，主要是利用跨越檔兩端的鐵塔安裝輔助橫梁，在輔助橫梁之間設置封頂桿、封頂網；有跨越架施工，主要包括組立專門的跨越鐵塔、金屬結構跨越架和鋼管、毛竹跨越架，在跨越鐵塔或跨越架之間架設封頂網。

上述2類跨越技術各有以下優缺點。

(1) 無跨越架施工成本低、不受交叉跨越角影響，但跨越高度有限。

(2) 有跨越架施工可分為4種，其中組立專門的跨越鐵塔，具有機械強度高，可按跨距和線路寬度設計鐵塔高度和橫擔寬度的優點，但成本高、施工周期長；金屬結構跨越架組立靈活，架體可重復利用，但受地形影響大；鋼管和毛竹跨越架取材方便、不受地形限制，但搭設高度、跨越距離受限，架體強度和穩定性較差。

由于高速鐵路自身的特點，每天只有2—3 h的“天窗期”施工時間，以往的跨越技術逐漸顯現出不適應性，因此不停運高速鐵路跨越設備的研究迫在眉睫。

2 不停運跨越設備總體設計和結構組成

2.1 總體設計

不停運跨越設備是一種能迅速搭建的跨越高速鐵路的金屬支架體，采用“一相線一組跨越架、三相線三組跨越架”的方式。該跨越架由2組帶旋轉臂的支柱和2組擱柱組成。使用時，將帶旋轉臂的支柱和擱柱分別搭建在線路兩側，在鐵路“天窗期”將跨梁旋轉至鐵路對面，完成跨越設備的對接，形成對高速鐵路的跨越橋形防護裝置。自帶的行走小車鋪設跨越橋面，并將初級導引繩跨過鐵路，再由初級導引繩逐級牽引導引繩、牽引繩直至導地線，完成高速鐵路跨越架線的施工。

如果1個“天窗期”不足以完成整個放線工作，可在高速鐵路運行前將跨梁旋轉到鐵路的一側，在下1個工作日“天窗期”繼續施工。這樣就解決了必須在鐵路“天窗期”進行架線施工的問題，提高了跨越施工的安全性，也提升了施工效率。

2.1.1 跨越對象參數

1 000 kV特高壓電力線路；按8分裂630/80導線考慮；單次展放4根導線。

2.1.2 跨越設備參數

立柱呼高45 m，總高57 m；旋轉跨梁水平正反向旋轉180°；立柱和旋轉跨梁通過旋轉支座進行連接，在旋轉支座下方和立柱中段分別布設拉線，拉線對地夾角不超過60°。跨越橋面長36 m，寬8 m；跨越設備耐受最大風速30 m/s(11級風)。封頂橋面布置有間距為2 m的懸垂型水平橫桿，其中均勻布置、懸掛5根主承力梁；另外，間隔布置11根輔助承力梁。

此外，設計安全系數為2.5。

2.2 設備的結構及組成

不停運跨越設備由架體、動力系統、轉向系統、調幅系統、頂升系統、拉線和平衡系統、拉索系統、橋面鋪設系統組成。

2.2.1 架體

架體包括組合式基礎、立柱、擱柱、桅桿、跨梁、平衡梁及加強型連梁等。立柱結構為方形斷面900 mm×900 mm，跨梁結構為方形斷面600 mm×600 mm。

2.2.2 動力系統

所配各電動部件動力由1.5 kW發電機供電。動力系統工作電壓為380 V，遙控器、信號燈系統電壓為220 V。

2.2.3 轉向系統

轉向系統由電機、減速機、旋轉齒圈、離合器組成。電動機通過變速機構多級減速，帶動跨梁慢速旋轉。離合器用于接通、脫開動力，可用手動的方法精確控制跨梁旋轉移動定位，完成安裝。電機、離合器的通斷可以在塔下用電氣箱控制，也可通過遙控器在鐵路對面控制。

2.2.4 調幅系統

調幅系統由跨梁-桅桿調幅滑車組、調幅繩、轉向滑車、手拉葫蘆組成。跨梁旋至鐵路對面與擱柱安裝時，垂直方向就位較為困難。調幅系統可以收緊葫蘆，按適合擱柱的高度調整2個調幅滑車之間的距離，從而抬高跨梁端部，方便就位。

2.2.5 頂升系統

跨梁就位時，若跨梁略高于擱柱，則可以通過調節頂升系統，使跨梁擱在柱頂上，完成安裝。

2.2.6 拉線和平衡系統

在跨越設備4根立柱上各設2層拉線，確保工作狀況下對架體有足夠的水平約束反力。

為保證跨梁順利轉到鐵路對面與擱柱安裝，在桅桿對面設置裝有混凝土預制塊的平衡梁。平衡梁包括1節錐節(3.3 m)、1節平衡節(3 m)，可保證順利旋轉通過立柱間隙(2個立柱間隙距離8 m)。

2.2.7 拉索系統

平衡梁近端與搖臂座連接，遠端用固定拉索與桅桿頂滑車連接。跨梁近端與搖臂座連接，在其16 m處通過調幅滑車連接，并在其15 m處打上二保拉線。

2.2.8 橋面鋪設系統

2個跨梁相距8 m，在其下方各安裝1個小車行走的軌道。跨越設備的橋面由2 m 1檔的金屬圓管鋪成，圓管的兩端分別與2根軌道上的小車連接。當小車在絞盤的作用下沿軌道行走時，可帶動橋面圓管向鐵路對側前行鋪設。

3 跨越高速鐵路的安全問題

3.1 安全距離的確定

高速鐵路接觸線電壓等級為27.5 kV，跨越架或封頂網離開接觸線1.5 m便可滿足電氣安全距離要求，因此電氣距離不是決定性的因素。

DL 5009.2—2013《電力建設安全工作規程第2部分：電力線路》中的跨越架與高速鐵路的最小安全距離如表1所示。

表1 跨越架與高速鐵路的最小安全距離

3.1.1 跨越架水平距離的確定

按照跨越復線高鐵考慮，中國高速鐵路標準軌距為1.435 m，高鐵線間距(即兩線路中心線的距離)為5 m。根據表1數據，現取跨越架與鐵路附加導線水平安全距離7 m計算：

高速鐵路兩側跨越架架面距≥7+1.435+5+7=20.435 m。考慮到1.3的安全系數，架面距≥20.435×1.3=26.565 5 m。

因此，跨越架架面距應大于30 m。

3.1.2 垂直距離的確定

高速鐵路接觸線距軌頂5.7 m，上部結構尺寸1.7 m，共7.4 m。

按表1(1)計算，垂直距離≥12 m；

按表1(2)計算，垂直距離≥4+5.7+1.7=11.4 m。

由于實際施工時，干擾因素較多，應考慮必要的安全裕度，同時還應考慮施工布置的便利。因此，垂直距離按距電桿頂4 m考慮，再考慮地基的下沉、拉索的伸長及絕緣繩的弧垂等下垂因素，即考慮1.3的安全系數，則有：封頂網至軌頂距=(4+5.7+1.7)×1.3=14.82 m。

因此，封頂網至軌頂距應不小于15 m。

3.2 跨越架架體氣動力分析

氣動力分為水平氣動力和垂直氣動力，水平氣動力可由圖1中最頂部的曲線查取。根據相關資料，跨越架至鐵路軌道中心線的距離D應大于8 m。列車行駛速度為350 km/h，跨越架與鐵路軌道中心的距離D為8 m時，水平方向折算氣動力qh=0.22 kN/m2；垂直方向折算氣動力qv=2qh(7D+30)/100=0.378 kN/m2。

由于跨越架的架體為網格形式，因此需要乘以相應的折減系數，即：

qh=0.22×0.195=0.043 kN/m2；

qv=0.378×0.064=0.024 kN/m2。

圖1 駛過的列車對建筑物或構件的氣動力曲線關系

列車通過引起風速可按式(1)計算：

其中：ρ為空氣密度，取1.25 kg/m3；v為折算風速；q為折算氣動力，kN/m2。

由式 (1)可得：vh=8.3 m/s，vv=6.2 m/s。

即:高速列車駛過時所產生的水平風壓相當于5級風力(5級風速為8.0—10.7 m/s)，而垂直風壓相當于4級風力(4級風速為5.5—7.9 m/s)。

本跨越設備按照抗11級風標準設計制造，足以滿足現場使用抗風要求。

3.3 跨梁轉動速度控制

跨越設備在搭設完成后，跨越橋面由4根落地立柱支撐，且每根立柱均有4角拉線拉緊，屬于穩定支撐結構；其相對不確定因素出現在旋轉過程中，整個機構需要考慮靜態平衡和動態平衡。靜態平衡主要由重量引起，跨梁的自重由平衡梁平衡；動態不平衡主要由旋轉加速度造成，因此跨梁旋轉力求平穩，旋轉速度不能過快，總旋轉角度90°，約7 min完成1個工作行程比較合適。

轉動線速度可按式(2)計算：

其中：v為轉動線速度；L為旋轉臂長；T為旋轉周期。

v=2×3.142×36/(4×7)=8.08 m/min。

因此，跨梁轉動線速度控制在小于8 m/min為宜。

3.4 立柱下沉

不停運跨越設備以4根立柱立于地面，防范被跨物承受展放導線時可能產生的墜落風險。也就是說，要保證跨越設備的安全搭建和使用，首先要保證4根立柱沒有下沉隱患。

根據應力分析結果，可計算各柱對地面的最大壓力值，如表2所示。為防止立柱下沉，在跨越設備的4根立柱下方各配制1塊地基，每個地基由4小塊地基板組合而成。組合地基直接安裝在操平的地面上，立柱與地基用螺栓連接，以滿足立柱地基穩定問題。

表2 跨越設備地基應力計算 kN

3.5 跨越架架頂寬度

選用8 m的架寬，可滿足架線時對風偏的要求，同時保證架體結構整體受力平衡。

4 結束語

該跨越設備在錫盟-山東1 000 kV交流特高壓輸電線路、蒙西-天津南1 000 kV交流特高壓輸電線路、榆橫-濰坊1 000 kV交流特高壓輸電線路工程中應用成功。

根據鐵路部門給定的“天窗期”，提前在被跨高速鐵路兩側、安全作業范圍內組立跨越設備。待接到允許跨越的通知后，將跨梁旋轉、與擱柱連接，利用跨梁上的軌道和小車完成跨越橋面的鋪設工作，旋轉、封網共計用時38 min，驗證了該設備在不停運跨越高速鐵路方面的安全性和可行性。同時，與傳統跨越架相比，該設備能極大地減少因搭設跨越架而占用的土地面積，每項跨越工程可節約資金67 000元，具有良好的經濟效益。

參考文獻：

1 劉振亞.全球能源互聯網[M].北京：中國電力出版社，2015.

2 國家能源局.DL 5009.2—2013《電力建設安全工作規程第2部分:電力線路》[S].北京：中國電力出版社，2014.