超高压电缆沿大桥敷设伸缩补偿装置offset的设计

王　双

（机械工业第二设计研究院（中国联合工程公司），浙江杭州310052）

超高压电缆沿大桥敷设伸缩补偿装置offset的设计

王双

（机械工业第二设计研究院（中国联合工程公司），浙江杭州310052）

电缆伸缩补偿装置简称offset装置，是电力输送工程中沿跨海跨江大桥敷设超高压电缆工程中不可缺少的装置。主要作用是消除因桥面移位、弯曲、错位等对电缆产生的过大张力，防止电缆被破坏性拉断或折断，确保输电线路的安全运行。通过对现有进口offset装置的深入研究，详述offset装置的工作原理；系统介绍大型offset装置的设计步骤及制作方法，为该产品的国产化打下坚实的理论基础。

电缆伸缩；offset；工作原理；设计方法

0 引 言

随着跨海跨江大桥工程的出现，特高压电缆沿桥敷设的送电工程应运而生。就电缆敷设自身而言，利用桥梁原有的减重空间敷设电缆，输电工程中不再投建专用的水上电缆安装基础，也不需大桥设计过程中新增较大的投资，从而大大降低了输送电工程的总造价。据此，国外水上输送电工程多选用沿桥敷设电缆的方法。2003年上海洋山跨海大桥建设工程中，110 kV输电电缆采用沿桥敷设的方法，系国内首次。其后建设的220 kV沪崇江海大桥也采用了沿桥敷设电缆的方法。经数十年的连续运行，安全可靠，效果良好。这两项成功的工程范例，为国内水上送电工程应用沿桥敷设电缆的方法，在安装、使用、维护方面积累了丰富的第一手资料。

沿桥敷设电缆工程的最大技术难点在于，必须有效地解决桥面对接处因温度、负载、风力等因素变化引起的缝隙变化。这些周期性变化，会导致敷设在两桥端间的电缆频繁伸长和压缩。对于跨海桥梁而言，多数主航道上的大跨度斜拉桥、吊桥桥面端部产生的伸缩量会超过1 m以上。要补偿如此大的伸缩量，常规意义上的电缆伸缩弯曲远不能满足这么大的变形需要。只有利用电缆offset装置，才能很好地解决这一工程难题。

鉴于桥面类型、长度、构成材质的不同，实际过程中每跨桥面端头的伸缩量也大不相同。offset装置自然有大小之分：补偿能力小的称小offset；补偿能力大的称大offset。通常400以下的称作小offset，大于400以上的称作大offset。大小offset的设计理念差别很大，前者较后者要复杂得多。这里仅介绍大offset的设计原理及方法。

1 offset装置的工作原理

1.1基本构成

以折角机构为界，offset装置的左半部分称作滑动端，安装在一个桥面的固定端。右半部称作固定端，安装在相邻桥面的活动端。电缆是用专用电缆夹头分别固定在滑动端、固定端、折角机构的电缆框架内。框架带动电缆移动，参见图1。

图1　500 mm offset装置1—电缆固定框架1 2—弧形电缆 3—电缆滑动框架 4—折角机构 5—电缆固定框架2 6—电缆拖架7—电缆支架 S—连杆机构 9—差分机构 10—基础滑座

1.2工作原理

工作过程中，当活动桥面收缩时，固定在其上的电缆框架随桥面缩进的同时，拉动折角机构右移。由于折角机构受拉、受压是刚性的，它会拖动安装在彼邻固定桥面上的滑动电缆框架。通过均分连杆机构，滑动电缆框架拉动固定在弧形电缆上的电缆拖架移动。当活动桥面收缩时，弧形电缆弯曲半径增大，弧弦拉长，伸长量等于动桥面的收缩量。当活动桥面伸长时，弧形电缆弯曲半径减小，弧弦变短，缩进量等于动桥面的伸长量。当任意桥面弯曲时，折角机构上下转动，弯折力消失，不会向两端电缆框架传递。当两桥端错位时，折角机构水平转动，弯折力也不会向两端电缆框架传递。整个过程中，桥面变形力通过电缆框架、连杆等，均匀分散地作用在电缆弧的数个特定点上。电缆的弧线段，几乎不承受拉力和挤压力。电缆全弧线仅作受限、均匀、在控的弯曲变形。

2 offset的设计（以offset 500为例）

2.1设置电缆最小成形弧

设定的电缆弧线，由四段半径为R的圆弧相连或相切组成，以顶点为中心左右对称。在其上选定5点，分别为起点1，拐点2，顶点3，拐点4，终点5，见图2。

图2　最小弧线

图2中，R为电缆许用的最小弯曲半径。仅和电缆的直径D有关，通常取R≥22.5 D。

该例中D=160，计算得最小R=22.5×160= 3 600，弧线顶高H=R=3 600，弧线水平长L= 4R sin60=12 471，弧线总长S=2πR×240/360= 15 0S0。

2.2作出电缆最大成形弧

在图2中，当5号点固定，1号点移动ΔL时，每段弧的曲率半径会等量增大到相同的R+ΔR，其它三点则移动到图3所示的位置。

图3　最大弧线

当起点1水平移动距离ΔL时，其它对应点水平移动量和第一点有如下关系：第一点ΔL；第二点3/4ΔL；第三点1/2ΔL；第四点1/4ΔL；第五点0。

对于offset500，ΔL=1 000。

结构设计时，把这五个点通过一种特定机构连接为一体，当第一点移动时，这个机构能够保证其它几点均按上述关系水平关联移动。若把第一点和移动桥面连为一体，当动桥端伸缩时，电缆弧线就会按设定的轨迹移动，释放或吸收桥端移动而产生的电缆伸缩量。整个过程中电缆不直接承受拉力和压力，每段电缆只作均匀的等幅弯曲变形。

2.3瞬态弧线的曲率半径及每段对应弧圆心角的计算

设：初始弧曲率半径r，圆心角α，弧线水平长l。其中l=4r sinα。

瞬间曲率半径R，圆心角β，弧线水平长L。其中L=4R sinβ。

L-l=ΔL

根据各段曲率相同、弧长相同的规定，有如下方程组：

联解得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初始弧线的设定

ΔLmax/2对应的弧线为初始弧线。

2.5差速机构的设计

（1）二倍速机构

两个滑轮分别装在一个连杆上，形成一个动滑轮组。图2或图3上的1号点固连在滑轮组的钢丝绳上，3号点连接在连杆端，钢丝绳的两端拉紧后固定在桥面上，见图4。

图4　二倍速机构

当1号点移动时，连杆上的3号点作同向移动，但其速度仅为1号点的一半。

（2）三倍速连杆

在图3中，把下弧线上的点4和点2连线向左移动1/2ΔL，分别以上弧线上的点2和点4和下弧线上的点2点4为圆心，适当半径画圆，得两交点，形成中间连杆。画圆半径的大小应使中间连杆尽量靠近下弧线上的点2点4连线。

三连杆的两端连杆A和C等长，连杆机构的两个端点，分别连接电缆弧的两个特定拐点2和4，中间连杆B和二倍速的连杆相连接，见图4、图5。

图5　三倍速连杆

中间连杆和3号点拨叉固连在一起。当中间连杆移动1/2ΔL时，2号点移动3/4ΔL，4号点移动1/ 4ΔL。即2号点移动的距离是4号点的3倍。

（3）两种差速机构连为一体组成电缆拖动机构

第1点固定在电缆滑动框架上，拐点2、拐点4及顶点3为电缆拖架放置点，拉动3号点的杆件是一个拨叉，差速机构和滑动电缆框相连，见图6。

图6　电缆拖动机构

当滑动电缆框移动ΔL时，2号点上的电缆拖架移动3/4ΔL，3号点上的电缆拖架移动1/2ΔL，4号点上的电缆拖架移动1/4ΔL。

电缆拖架分别拖动4段电缆，按照设定的电缆变形轨迹移动，从而吸收或释放因桥端间隙变化而引起的电缆伸缩量。

3 主要构件的设计

Offset装置主要由固定部分、滑动部分、折角吸收装置及安装底座等组成，见图1。各部件设计过程中，除考虑构件应具有足够的强度、刚度外，所选用的材料还须具备良好的耐腐蚀性及抗疲劳性。为了便于现场安装，所有钢构件多选用标准型材，螺栓连接结构。所有构件在制造工厂制作完成后，均须组装、拆分及编号。现场安装只进行组装和调试工作。

3.1固定部分

固定部分由两个电缆固定框架组成，见图1中的电缆固定框架1和电缆固定框架2。其中一个安装在桥端固定的桥面上，另一个则安装在相邻桥的滑动端桥面上。电缆用专用电缆夹头固定在框架中。电缆固定框架主要承受电缆弯曲变形所需的拉力和压力。力的大小等同于电缆弯曲时的屈服力，这个力因电缆直径大小的不同而不同。

框架的立柱及横担一般用槽钢制作，对角斜拉用角钢，以增加局部强度及整体刚性。材质选用不锈钢或优质碳素钢防腐处理。框架与桥面的连接应牢固可靠。

框架截面应能容纳所需的电缆数。框架断面尺寸，应根据电缆直径大小来决定，两根电缆之间的距离应不小于国标中相关的规定。框架的长度应能满足电缆排列的变化。

3.2滑动部分

滑动部分由滑动电缆框架、电缆拖动机构、电缆拖架、电缆支架等组成，见图1。

（1）滑动电缆框架。由框架、导轮及轨道等组成。框架类同于固定电缆的固定框架。导轮为不锈钢，导轨为不锈钢钢管。导轮装在电缆框架的下侧面，沿上下两条钢管轨道滚动。导轨用支架固定在基座上。

（2）电缆拖动机构。由顶点拨叉、拐点连杆、差速滑轮等组成，如图6所示。拨叉和连杆固连。连杆的两端点和两拐点的电缆拖架铰接，顶点的电缆拖架随拨叉平动。差速滑轮固定在拉杆上。动绳固定在基座上。整个机构设置在滑动框架的下部槽钢内，见图4和图7。

图7　滑动电缆框架断面图

（3）电缆拖架和电缆支架用来固定或支承电缆。拖架框移动时可绕框架中心转动，拖架是带动电缆移动的施力点。支架仅起支撑作用。所有架子中心铰接，铰接杆一端为长槽，起导向限位作用。

3.3折角机构

主体为两端垂直铰接的框架结构，可上下左右摆动，见图1。当动桥端伸缩时，折角机构能够把伸缩力从动桥端传递到固定桥端的滑动电缆框上，从而拉压弧形电缆部分完成补偿作用。当在负载和风力的作用下，两桥端会产生上下左右的偏转，折角机构的铰接作用，使得弯折力消失。折角机构的两个框架用槽钢制作，销轴为不锈钢空心轴。

有一点值得说明：这个偏转角度相对较小，通常不大于2°。对于电缆这种塑性材料来讲，尽管频次很高，弯折的影响是微不足道的，只需在折角机构两端固定电缆时，电缆在中间呈微弧状即可。但是，对于桥两端的电缆框架来说，如果桥两端框架做成一个整体的话，钢材在高频次的反复弯折中会很快疲劳断裂。因此说，折角机构不是真正意义上的电缆折角补偿机构，而是钢结构电缆框架自身的弯折消除机构。对于大offset装置来说非常重要。这一点诸多文章中均未明确表达，误以为这个机构的作用是在补偿电缆的偏折影响。

3.4安装底座

安装底座作为设备的安装基础台架，通常选用槽钢、方钢、工字钢等刚度较大的型钢制作。要求整体刚性好，上平面方便找水平。电缆滑动框架的导轨及弧形电缆拖架、电缆支架的滑板分别固定在底座的上平面上。导轨为不锈钢管，滑板为有自润滑能力的不锈钢平板。

4 offset的安装

（1）零部件应在制作场地预组装及调试，并编号、拆分。包装应以部件为单元，便于现场安装。

（2）现场安装滑动部分时，应先安装弧形电缆拖架和电缆滑动框的底座。待底座精确调平后，再依次安装滑动框架轨道、拖架滑板、电缆拖架、电缆支架、拖动机构等。

（3）弧形电缆的初始弧应置于最短弧和最大弧的中间位置。

（4）所有和桥面固定的构件，结合点应牢固可靠。

（5）固定电缆的夹头夹紧力应足够大，确保电缆和电缆框架不会产生相对滑动。

5 结束语

Offset装置设计的核心理念是，要求装在其上的弧形电缆，在伸长和收缩过程中，整个弧长应均匀等量弯曲。只有全弧长参于均匀弯曲，才能使得电缆变形最小，最终达到保护电缆，延长服役寿命的目的。

本文在设计过程中，重点强调电缆弧线四等分、等长、等弧设计，首次应用复合差分机构，弥补了在用Offset装置在这方面之不足，有效地解决了电缆弧线全长参变、匀变、不传递张力等三大难题。可作为各种规格Offset装置的通用设计方法。

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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 双（1957-），男，高级工程师.

作者地址：浙江杭州市滨江区滨安路1060号A楼1S层［310052］.