跨海大桥内敷设高压电缆伸缩补偿装置研究

刁平华 殷林杰 高鹏辉

摘 要：跨海大桥在风浪、洋流、荷载和温差等因素影响下，相邻的箱梁之间会发生位移变化，当位移变化量超过极限时，会对内部敷设的高压电缆产生机械损伤。因此需要在内部安装高压电缆伸缩补偿装置来消除或补偿因相邻箱梁之间位移变化对高压电缆的影响。经研究，通过一组特定的平行四边形连杆机构能够精确的模拟电缆伸缩运动，实现电缆的伸缩补偿，在相邻箱梁之间会发生位移变化时，起到对电缆的防护作用。

关键词：连杆机构;运动轨迹;伸缩补偿;防护作用。

引言

传统跨海输送高压电力的方式是通过敷设海底电缆或者是架设高压线塔。随着跨海大桥不断兴建，借助大桥平台，把高压电缆敷设在大桥的专用通道内，既降低敷设电缆的费用，又便于线路检修。

由于风浪、洋流、荷载和温差等因素影响下，跨海大桥相邻的箱梁之间会频繁发生相对位移变化。再者传统蛇形敷设电缆的伸缩量很小，且其作用只是为了消除电缆通电时产生的电推力和箱梁热胀冷缩的应力。在没有电缆伸缩补偿装置时，相邻箱梁之间发生大位移变化时，会对内部敷设的电缆产生很大的应力，造成机械损坏，从而影响交通和输电线路的安全。

1设计思路

在外力的作用下，相邻箱梁产生相对位移变化时，缝隙连接处的电缆受到的直接作用力（拉力或压力）远大于其极限破坏荷载时，如果不加以防护，电缆容易损坏。

如果在相邻的箱梁的接缝处安装伸缩补偿防护机构，将电缆置于其中，当相邻的两段箱梁产生有害相对位移变化时，机械伸缩机构带动并防护电缆按设计的曲线进行运动，实现对电缆的防护。

2设计原理

图1 是一段电缆极限收缩状态和极限拉伸状态的对比曲线图。

图中的A、B、C、D、E（a、b、c、d、e）点为电缆极限收缩（拉伸）状态下的切点，且不同状态下对应的四个圆弧的弧长相等，所以电缆极限拉伸状态和极限收缩状态下的电缆总长是保持不变的。

图中L为该段电缆的极限伸缩量。

通过作图分析不难看出，假如电缆的一端保持不动，另一端做直线运动。则a-A=0;b-B=L/4;c-C=L/2;d-D=3L/4;e-E=L;

设计一机械伸缩机构，当其运动时，机构中的A，a点保持不动，而机构中的B、C、D、E点分别同时运动至b、c、d、e点。该运动轨迹速率在水平方向上分别为1/4倍速、1/2倍速、3/4倍速和1倍速运动。

在机构中的A、B、C、D、E点分别设置有电缆固定夹，电缆始终跟随机械伸缩机构运动，在伸缩运动过程中，电缆始终处于多点同时受力状态，且单点受力小。

3设计步骤

3.1确定曲线电缆的极限收缩状态曲线图。

先绘制出曲线电缆的理想状态下的极限收缩状态曲线图和极限拉伸状态曲线图，并使A、a点重合。如图2 所示。

绘制时要使电缆的最小曲率半径大于22.5倍的电缆外径，并且满足箱梁内部安装空间要求。

3.2绘制连杆机构原理图

如图2 所示，作Bb线段的中垂线与过Aa点的水平线交于1点，连接1-B点并作其延长线与过C点的水平线相较于2点。作2点对C点的对称点3点，过3点作线段1-2的平行线3-4，并连接1-4线段。过3点作线段3-4的对称线3-5。其中点1、2、3、4、5都是铰点，从而构成了一组特定的连杆机构。

当连杆机构的一端保持不动，另一端作水平运动时，连杆机构刚好能够将其上的A、B、C、D、E上的点同时分别拉到a、b、c、d、e位置，与电缆的伸缩运动轨迹相重合。

机构的连杆原理如图3所示。

机构由一个四边铰接的平行四边形KJMN和与之铰接的连杆NP组成，机构的几个关键点上布置若干电缆固定夹，当机构运动时，带动电缆运动。

为保障输电可靠稳定，过桥高压电缆一般采用双路敷设。当两路电缆都上下垂直敷设时，伸缩装置如图4所示。

当相邻箱梁发生相对位移时，一侧箱梁内的支架通过万向连杆带动直线往复机构直线运动;直线往复机构又带动伸缩机构进行伸缩变化。

当相邻箱梁的距离减小时，伸缩机构的连杆向外侧旋转，电缆做横向收缩运动;当距离增大时，伸缩机构的连杆向内侧旋转，电缆做横向拉伸运动。

4结论

研究的跨海大橋内敷设高压电缆伸缩补偿装置运用特定的平行四边形连杆机构，在相邻箱梁之间产生相对位移变化时，带动电缆上的关键点实现设定运动轨迹的均力倍速运动，实现电缆防护功能。

同时该装置结构简单紧凑、造价可控、免维护，适用于维护困难或长期无人值守的工作环境，十分具有市场推广价值。

5参考文献

[1]王双，超高压电缆沿大桥敷设伸缩补偿装置office的设计[J].电线电缆，2015（2）：18-33

[2]方晓明，曹志强.高压电缆敷设于长距离大桥应对大桥伸缩 问题的探讨[J].华东电力，2013，41（3）：618-622