东海大桥高压电缆工程设计
孟毓，龚尊
（1.上海交通大学，上海200240；2.上海电力设计院有限公司，上海200025）
摘要：洋山深水港110kV变电站的电源线路是敷设于东海大桥的箱梁内的两回110kV630mm²交联电缆，是目前世界上最长的数设于桥梁的高压电缆，详尽介绍了在东海大桥电缆工程设计时，应对桥梁伸缩、振动，以及如何处理电缆金属护套的接地等技术难题所采取的措施.
关键词：跨海大桥：电缆设计：伸缩；振动：接地 作者简介：孟毓（1974-），男，工程师，硕士研究生，从事架空线、电缆设计管理工作.中图分类号：TM757文献标识码：B文章编号：1001-9529（2007)03-0062-04
Engineering designs for high voltage cable laying along Donghai BridgeMENG Yu GONG Zun?( 1. Shanghai Jiaotong Univ. Shanghai 200240 China;2. Shanghai Electric Power Design Institute Co. Lad. Shanghai 200025 China)
ter Port. As the power source lines of the 110 kV substation in the Small Yangshan Island two cireuits of 110 kV 630 Abstraet:The Dnghai Bedge is a crssea bride coneting the minland f Shnghai and te Yanghan Deep Wa-m* XLPE pwer cales te longest high voltage cae laid alg the bdg in th wd wee lid i the hx gipansion and vibration and grounding should be solved. Measures adopled in the cable laying engineering project are rs f the Dnghai Bridge. To lay the cale alng the bige sefull the techial pblems suh as brie es-remended.
Key words great cmss-sea bridge; cable design; espansion; vibration; grounding
洋山深水港区位于杭州湾东侧，通过芦潮港区大陆连接，大桥全长30km.采用了两回110 至小洋山岛的跨海大桥（东海大桥）与上海南汇kV电缆线路通过东海大桥电缆通道向洋山港区的供电方案，电缆全长38km，其中25km在东海大桥上箱梁内敷设.
国内外的经验证明，在市政桥梁下敷设高压的波拉马开桥上敷设有230kV830mm²充油电 电缆在技术上是成熟的，如委内瑞拉1979年建成缆长8300m；日本1986年建成的Yotsugibachi公路桥桥梁桁架结构上敷设有275kV3x1400mm²钢管充油电缆，共1045m，1984年建成的
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为了便于比较，图5中给出了普通PID控制器的响应曲线.从响应曲线来看，九点控制器比 普通PID控制器有更好的动态响应性能，这是因为九点控制器是采用智能控制策略，不依赖精确的数学模型.
参考文献：
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收稿日期：2006-07-26本文编辑：郑文彬
大鸣门吊桥桥梁桁架结构中敷设的187kV2000户大桥中敷设的500kV2500mm²充油电缆，全 mm²交联电缆全长1600m；1988年建成的濑长8000m：国内在1992年长沙湘江大桥混凝土箱梁内敷设有800m长110kV400mm²交联电缆；2003年在广东新会崖门大桥上敷设了1400m110kV400mm²交联电缆.在2005年国家发 改委发布的《城市电力电缆线路设计技术规定》中已明确“城市电力电缆跨河流宜优先考虑利用城市交通桥梁或交通隧道敷设".大桥敷设电缆的设计、施工要比陆地敷设复杂得多，必须正确缆的影响及电缆金属护套换位接地等技术问题. 处理大桥本身的伸缩、车辆运动形成的振动对电东海大桥高压电缆是目前世界上最长距离的过桥项目，本文结合东海大桥110kV电缆设计经验，分别介绍电缆应对桥梁伸缩、振动的对策及接地措施.
大伸缩量±200mm；主通航孔斜拉索桥全长830拉索桥全长630m，最大伸缩量±480mm. m，最大伸缩量380--440mm；颗珠山大桥斜
（1）设计原则
考虑到大桥上电缆敷设位置的特殊条件和桥梁空间上的制约，在确定大跨度电缆伸缩装置空间尺寸时，应充分考虑桥梁本身的条件，以使伸缩 装置能够符合桥梁的条件：
应对大桥由于道路荷载和温度变化等不同原因的伸缩引起的电缆金属护套累计疲劳进行计算，电缆伸缩装置设计时，用于计算电缆金属护套的累计疲劳的伸缩量是由桥梁设计最大伸缩量估 算得到，同时应满足电缆弯曲半径要求.
电缆金属护套的伸缩量对应不同原因有不同的应变值，并适用Miner累计破坏的方法.Miner规则是指金属护套反复N，次就破坏的应变，加载反复n次时的疲劳程度为n/N，累积总和 ∑（N/n）=1时即表示金属护套被破坏，在设计时考虑留有一定裕度，将∑（N/n）按小于0.5考
1电缆伸缩装置
桥上敷设电缆除了要考虑电缆自身的热伸缩外，还必须面对由于环境温度及汽车等移动 负载变化引起的大桥本身的伸缩，对于大长度的桥梁来说，桥梁本身的伸缩量是相当大的，如果不采取对策，在桥梁产生拉伸时，将对电缆产生过大的张力.电缆将随着大桥的伸缩反复弯折拉伸，最终会造成电缆金属护套断裂、绝缘击 穿而损坏.
（2）电缆弯曲车径要求
电缆在伸缩装置内会持续产生微小的形变，因此对电缆弯曲半径要求比固定时更为严格，在东海大桥电缆过桥工程中，为保证电缆寿命，在伸缩装置最大伸缩的时候，电缆的弯曲半径R≥30d（d：金属护套平均外径）.
（3）在电缆伸缩装置内采用均等差动式机构
为了消除大桥伸缩对电缆的影响，采用电缆在桥梁头部分进行大的蛇形敷设方式，根据蛇形弯曲半径的变化设置吸收伸缩的大跨度电缆伸缩装置（工作原理示意图见图1），伸缩量主要是根 据桥桁支点间的跨度长、桥梁的种类（斜拉桥、混凝土桥等）有所不同.例如，东海大桥的混凝土桥（非通航孔）全长22587m，选用最大伸缩量150mm；混凝土桥（非主通航孔）全长1320m，最
在同一平面上有多根装设电缆伸缩装置的电缆排列，当电缆伸缩装置设置的弯曲半径相同时，弯曲点处电缆间隙将变窄，所以，东海大桥电缆伸缩装置中，采用同心电缆伸缩装置，内圈的电缆半 径小于外圈电缆半径，这样，在电缆伸缩装置移动过程中，可始终保证电缆之间的间距.
如果仅将电缆伸缩装置内的电缆敷设在导轮、滑动板上，将使电缆难以在伸缩装置内电缆产 生均匀的变形，所以在东海大桥工程中，对移动量小的混凝土桥，在电缆伸缩装置的顶点使用可动结构的夹具来固定.对于移动量大的斜拉桥的电缆伸缩装置应用了滑动机制，设置了均匀动作机构，在此基础上进行电缆的敷设、固定.
（4）在电缆伸缩装置内采用折角机构
长距离吊桥、斜拉桥来说，桥梁在承重及受到风荷载时，桥梁本体会有一微小变形，在伸缩缝处
图1电缆伸缩装置的工作原理图
在桥梁的端部会产生一个折角（如图2）.
g-重力加速度，g=980cm/s²；
W电缆自身质量，kg/cm
一般大桥固有频率在0.1-0.5Hz间，活载率（汽车）为7-20Hz间：
根据计算结果，电缆支撑的间距L应小于2m，综合上海地区电缆运行经验，在东海大桥工程中电缆支架间距取为1.5-1.6m
（3）大桥电缆通道，一般选用支架敷设.采用橡胶方型垫块固定在电缆支座上”可以吸收大部分由于桥梁振动产生的能量，减小对电缆金属护套的影响.除了在电缆支架上使用氯丁橡胶层也有一定的防振效果. 作防振措施外，电缆夹头内采用一定厚度的橡胶
图2桥梁折角图
这个折角对小型的桥梁，即使最严重的情况（斜拉桥、吊桥伸缩缝处）也是非常小的，一般不大于2°.对于电缆本体，承受这样的弯曲是没有问题，但是，由于支持电缆的支架是钢性材料，反 复承受这样的折角造成的应力会对支架本体产生破坏.为此，在斜拉桥处的电缆伸缩装置的设计上考虑了专门的应对折角的装置，在坡度角部位的垂直、水平方向上设置2对可以自由应变的接在垂直、水平方向上在一定范围内转动. 头（万向接头），以使电缆伸缩装置的钢支架可以
（4）为防止桥梁振动对电缆中间接头产生不利影响，设计时将中间接头位置尽可能向振动相对较小的桥墩方向靠拢.
3电缆接地措施
（1）接地极选择
2大桥上电缆防振措施
东海大桥长度长，电缆在桥上必须设置较多电缆接头，大桥上无法像陆地敷设电缆那样在土 壤中打人接地极，考虑了多种方案后，最终选择了利用大桥混凝土结构中的钢筋骨架、金属结构物等金属管道通过桥墩接地的方案.利用大桥钢筋接地有效地减小了接地电阻，节约接地材料并能达到均衡电位作用.
在桥梁上发生振动的大小和颊率随桥梁的构造、形状、荷载的种类等变化面有所不同，预测这 些振动很困难，桥梁振动大致上可分为两种：一种是桥梁整体慢慢地振动，根据桥桁的刚性和长度决定的固有振动，这类振动频率很低，对电缆的影的振动，为减这类振动对电缆的影响，考虑采用以 响很小：另一种是由车辆在桥梁上的行驶面产生下对策：
根据试验，用0.9mm的铁丝绑扎的钢筋接头，对引泄雷电流没有影响，雷电流通过时，可能在钢筋接头的绑扎处形成点焊，工频实测表明，利用一般绑扎连接的钢筋也能达到较好的接地效 果.但大电流长时间通过钢筋会因温度升高，导致降低水泥与钢筋的结合力，因此，需要校核桥梁钢筋截面是否满足热稳定要求.由于每个桥墩一般通过桩基等深人江（海）底，桥墩混凝土受水或潮湿土壤浸渍，水分，渗透深度一般可达0.1- 1.0m，在混凝土保护层内的钢筋，可以起到散流作用.实测东海大桥工程中，接地电阻在0.200左右，大大小于设计要求的10，对接触电压及危险电压的计算值也均小于允许值.
（1）铝护套电缆的耐振性能（S-N特性）大大优于铅护套电缆，铝的容许形变值约为铅的2倍”，选用铝护套可以大大提高电缆本身的抗振 能力，敷设在大桥的电缆推荐采用铝护套电缆；不锈钢金属护套同样具有较好的耐疲劳特性，但是目前国内尚没有厂家生产.
（2）在电缆自重与重力加速度的影响下，电缆可能会产生依赖于电缆支架间距的某一频率的 振动，为了防止由于桥梁振动引起的电缆和桥之间的谐振，保证铝护套上的应变小于最大的允许的铝的振动应变，电缆支撑的间距L需要避开谐振频率范围，为此，
东海大桥全长25km，电缆必须分段敷设，为减少电缆接头数量，考虑到现场交通运输能力，大桥上电缆盘最长段取为930m，其余电缆也均超
（2）
≤[=(E g/W）2/(2）]2[4)式中f--桥的振动频率，Hx；
E--电缆抗弯阻力，kgcm²；
过800m.在最大负荷情况下，电缆金属护套的感应电压可达92V，但还未超过规程规定的“采取能防止人员任意接触金属护套或屏蔽层的安全 措施时，在正常满负载条件下，不得大于100V"的要求.国外研究实践表明，适当提高允许金属护套电压值有利于减少绝缘接头的配置，有利金属护套感应电压不超过100V的限制，且已有 于缩短工期、提高电缆运行可靠性（日本已取消金属护套感应电压超过200V的实例）.
在东海大桥段电缆的金属护套分4段，2端直接接地（共5处），每段内中间2处金属护套采用交叉互联，其保护器按星形连接、中心点接地的 方式”（电缆本体未换位）.
金属护套在这种交叉互联方式下，已有效地限制了电缆本身地感应电压，同时对电缆线路附近的电缆感应电压也较小，不需要再装设专门的回流线，并能有效限制短路时产生的金属护套过 电压（国外对电缆单相短路地暂态计算表明，在大桥上敷设的电缆由于受钢筋网与电缆间互阻抗的影响，过电压值可降低20%左右）.
（3）接地连接方式选择
考虑到车辆、大风等荷载以及地处海上环境中盐雾较重的自然条件，对敷设在大桥上的电缆支架及电缆附件接地线连接方式等都采取了相应的措施.如接地线与接地极（或支架）当采用螺栓连接方式时，长期振动后，连接面不能保证紧 密，受到盐雾影响后，接触面的接触电阻增大，一旦发生短路，在较大的短路电流通过时，会将接地螺栓烧毁，导致严重后果.为此，采用了接地扁铁与接地极焊接的方式.接地线截面按接地规程要求进行验算.
经过热稳定计算，接地扁铁选择为40mm×6mm截面（焊缝大于100mm），接地扁铁与大桥箱梁内的接地预理件采用放热焊接方式相连以保证焊接处足够的强度与较小的接触电阻，焊接 完毕后均采用喷锌作防腐处理.另外根据大桥的结构，300m左右的电缆支架为一个分区，在这个分区内至少有2处接地极，这样即使一处接地极脱落，另外一处接地极仍能保证该段电缆支架接地有效；电缆中间接头接地线与接地极亦采用了
放热焊接的方式.
4结束语
参考文献：
收稿日期：2006-08-22
为保证电缆在大桥上的安全运行，在大桥上敷设的电缆设计时应考虑采取一些特殊的措施，除本文提到的几项措施外，电缆采取了蛇形敷设，在大桥箱梁内一定间隔设置防火隔断等. 在实践中，有些措施已发挥了作用：东海大桥工程施工结束后，由于一些特殊原因，大桥建设单位需要人为移动桥梁即改变伸缩缝的大小，改变量约150mm.在桥梁移动的过程中，根据施生了变化，也证明伸缩装置确实起到了吸收伸缩 工单位的实地观测，电缆伸缩装置状态如预想发量的效果.
国外大桥上敷设的高压电缆最长已安全运行20年以上，国内交通桥梁上敷设的高压电缆也将km长江大桥上也将敷设220kV电缆.充分考虑 越来越多，正在设计中的长兴岛至崇明岛的10大桥实际条件，采取相应的措施后，高压电缆完全可以地在大桥上安全运行.
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