大型橋梁的照明供配電設(shè)計(jì)分析

倪鼎成

（南京長江第三大橋有限責(zé)任公司，南京 211808）

大型橋梁工程有著供電距離長、用電負(fù)荷分散、照明種類多的電氣特征，對(duì)照明系統(tǒng)供配電質(zhì)量提出了嚴(yán)格要求，傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)已無法滿足實(shí)際供電需求，限制了橋梁照明系統(tǒng)作用，并對(duì)橋梁工程總體建設(shè)質(zhì)量及使用效果造成明顯影響。在這一工程背景下，需對(duì)照明供配電設(shè)計(jì)體系優(yōu)化，提升橋梁照明系統(tǒng)整體效能。

1 大型橋梁照明供配電方案

1.1 低壓直接供電

低壓直接供電系統(tǒng)從變電所低壓配電柜內(nèi)引出電源，電壓等級(jí)為380 V，直接把引出電源穩(wěn)定提供給橋梁沿途部署的照明負(fù)載設(shè)備。這類系統(tǒng)有著結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)、施工難度與設(shè)計(jì)難度低的優(yōu)勢(shì)，但有效供電距離較短，供電期間受到電纜阻抗等因素影響，容易出現(xiàn)線路壓降現(xiàn)象，供電質(zhì)量與可靠性略有不足，不適用于長度較大的大型橋梁工程。同時(shí)，早期部分橋梁工程采取低壓直接供電方案，以增加電纜截面積作為調(diào)節(jié)供電回路末端壓降的技術(shù)手段，使得低壓直接供電系統(tǒng)具備長距離供電條件，但這會(huì)抬高工程造價(jià)成本，且經(jīng)過電纜改造后的低壓直接供電系統(tǒng)，仍舊無法滿足5 km 以上距離的橋梁照明供電需求[1]。

1.2 升降壓間接供電

升降壓間接供電系統(tǒng)以升壓/降壓變壓器作為核心設(shè)備，從外部市電或周邊農(nóng)網(wǎng)引入電源，率先通過升壓變壓器把380 V 三相電流經(jīng)過升壓處理后形成660 V 交流電，經(jīng)過供電回路把電流輸送到照明系統(tǒng)負(fù)載端，周邊配備降壓變壓器，對(duì)660 V交流電進(jìn)行降壓處理后形成220 V 或380 V 交流電，最終向負(fù)載設(shè)備持續(xù)供電。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況來看，升降壓間接供電系統(tǒng)的有效供電距離適中，多用于長度在5～10 km、負(fù)載容量在20 kVA～30 kVA區(qū)間的大型橋梁工程，存在電纜重復(fù)敷設(shè)、負(fù)載端必須維持三相平衡的局限性。

1.3 高壓間接供電

高壓間接供電的電源電壓等級(jí)為10 kV，以變電所高壓柜作為電源引出點(diǎn)，接引電源后把高壓電流輸送到橋梁現(xiàn)場(chǎng)照明負(fù)載設(shè)備集中分布區(qū)域，區(qū)域內(nèi)配備變電箱等設(shè)備，把10 kV 高壓電流經(jīng)過降壓處理后轉(zhuǎn)換為380 V 三相交流電，再把交流電穩(wěn)定提供給供電半徑內(nèi)的各臺(tái)負(fù)載設(shè)備[2]。根據(jù)應(yīng)用情況來看，高壓間接供電系統(tǒng)和低壓直接供電系統(tǒng)較為相似，均以380 V 作為供電回路末端電壓等級(jí)，但高壓間接供電系統(tǒng)有著供電能力強(qiáng)、有效傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)勢(shì)，以及耐壓等級(jí)要求嚴(yán)格、系統(tǒng)建設(shè)成本高昂、必須維持負(fù)載端三相平衡狀態(tài)的局限性，當(dāng)前逐漸被全新供配電技術(shù)所取代。

1.4 新能源離網(wǎng)供電

在橋梁周邊搭設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)或風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，持續(xù)把太陽能、風(fēng)能等可再生能源轉(zhuǎn)換為電能，通過逆變器轉(zhuǎn)換電流后，輸送給橋梁供配電系統(tǒng)，最終通過供電回路向末端照明負(fù)載設(shè)備穩(wěn)定供電。新能源離網(wǎng)供電系統(tǒng)通過縮短供電距離來減少線損量，不會(huì)出現(xiàn)明顯的電能損耗問題，全壽命周期內(nèi)的發(fā)電效益足以覆蓋新能源供電系統(tǒng)的總體使用成本。同時(shí)，此項(xiàng)供電系統(tǒng)有著發(fā)電效率穩(wěn)定性差的局限性，設(shè)計(jì)人員需要采取輸出功率控制措施，并根據(jù)橋梁工程現(xiàn)場(chǎng)氣象條件，判斷是否具備新能源離網(wǎng)供電技術(shù)的應(yīng)用條件。

2 大型橋梁照明供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 變電站選址

確定照明供配電方式后，設(shè)計(jì)人員收集工程資料信息，根據(jù)供電需求、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境來確定變電站最佳選址。為控制線損量，需要采取分區(qū)供電方式，在橋梁兩側(cè)與沿途分散布置多座變電站，單座變電站作為供電中心，把供電半徑控制在300 m或500 m以內(nèi)，在各座變電站內(nèi)接入供電半徑內(nèi)分布的各臺(tái)照明負(fù)載設(shè)備，橋梁兩側(cè)路燈各形成一條供電回路，在計(jì)算公式內(nèi)導(dǎo)入單燈功率、路燈數(shù)量、需用系數(shù)、燈具附件功耗系數(shù)來計(jì)算各條供電回路的負(fù)荷量。此外，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)重點(diǎn)考慮電壓損失、線路保護(hù)靈敏性兩項(xiàng)問題，從而確定最終的供電半徑、變電站數(shù)量和部署方案。第一，電壓損失，確定電纜型號(hào)規(guī)格，在計(jì)算公式內(nèi)導(dǎo)入電壓值、電阻值、感性阻抗值、線路敷設(shè)長度、有功負(fù)荷等多項(xiàng)數(shù)據(jù)，求解供電回路的電壓損失率，對(duì)比計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)行規(guī)范要求，如果實(shí)際電壓損失超出允許范圍，則需要適當(dāng)縮小供電半徑、減小相鄰變電站間隔距離。第二，線路保護(hù)靈敏性，提前掌握供電回路功率值、單燈補(bǔ)償前后功率因數(shù)、線路電流值等信息，開展仿真實(shí)驗(yàn)或在系統(tǒng)搭建完畢后進(jìn)行調(diào)試檢查，判斷供電回路內(nèi)斷路器等繼電保護(hù)裝置在出現(xiàn)接地故障電流后是否在規(guī)定時(shí)間內(nèi)展開保護(hù)動(dòng)作。如果繼電保護(hù)裝置靈敏性不達(dá)標(biāo)，則表明既定變電站布置方案缺乏可行性，設(shè)計(jì)人員需著手調(diào)整變電站布置位置和總體數(shù)量。正常情況下，在橋梁兩側(cè)各布置一個(gè)變電站，在橋面下方的橋梁主塔橫梁等部位布置剩余變電站，以橋梁長度作為變電站數(shù)量計(jì)算依據(jù)。

2.2 配電線路設(shè)計(jì)

在配電線路設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)人員重點(diǎn)掌握負(fù)荷總量計(jì)算、線路鋪設(shè)、智能控制、線路防護(hù)四方面的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。第一，負(fù)荷總量計(jì)算，照明供配電系統(tǒng)的負(fù)載包括基本照明、加強(qiáng)照明、應(yīng)急照明、景觀照明以及廣告牌照明。要求設(shè)計(jì)人員根據(jù)工程資料和已掌握信息，依次計(jì)算各類照明負(fù)載設(shè)備的實(shí)際用電負(fù)荷，再把全部照明負(fù)載的用電負(fù)荷總和作為供配電系統(tǒng)負(fù)荷總量，將其作為線路選型依據(jù)。同時(shí)，考慮到橋梁照明系統(tǒng)在工程投運(yùn)使用期間并非一成不變，有可能出現(xiàn)增加照明燈具臺(tái)數(shù)、更換照明光源等情況，還需要在負(fù)荷總量計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上，額外設(shè)置一定比例的冗余負(fù)荷。第二，線路鋪設(shè)，采取埋地暗敷方式，提前在橋梁主體結(jié)構(gòu)上預(yù)留孔洞與安裝線槽，埋深值控制在0.7 m左右，在孔洞線槽內(nèi)部放置保護(hù)套管，套管內(nèi)穿入輸電線路，線路敷設(shè)完畢后再對(duì)孔洞進(jìn)行嵌填修補(bǔ)處理?？紤]到橋梁照明供電線路負(fù)荷分散、長度大的特征，必須重點(diǎn)關(guān)注電壓損失問題，在供電線路沿途安裝電容補(bǔ)償裝置，或是酌情調(diào)整線路截面積，確保最末端照明設(shè)備的電壓損失不超過5%[3]。第三，智能控制，早期照明供配電系統(tǒng)采取手動(dòng)控制方式，系統(tǒng)在絕大多數(shù)時(shí)段處于恒定運(yùn)行狀態(tài)，與橋梁照明供電需求并不一致，產(chǎn)生不必要的電能浪費(fèi)。因此，需要搭建智慧照明供配電系統(tǒng)，由智能控制方式取代落后的手動(dòng)控制方式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由上下端電源柜、供電電纜、終端監(jiān)控設(shè)備、通信線纜所組成，終端設(shè)備持續(xù)采集現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)信號(hào)，掌握負(fù)載設(shè)備運(yùn)行情況和回路供電情況，根據(jù)照明負(fù)載供電需求來自動(dòng)調(diào)整供電方案，這有利于降低照明供配電系統(tǒng)實(shí)際耗電量。第四，線路防護(hù)，橋梁工程現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，供電線路在使用期間的老化速度遠(yuǎn)超正常水準(zhǔn)，橋梁投運(yùn)使用一定年限后陸續(xù)出現(xiàn)線路絕緣失效等多項(xiàng)問題，形成安全隱患。因此，應(yīng)額外采取線路防護(hù)措施，對(duì)線路進(jìn)行防腐、防火處理，阻隔外部環(huán)境對(duì)線路造成的負(fù)面影響。

2.3 接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)

橋梁照明供配電系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜，多數(shù)照明負(fù)載設(shè)備、部分線路及變壓器等設(shè)備安裝在室外區(qū)域，在系統(tǒng)運(yùn)行期間，容易出現(xiàn)接地故障問題和遭受雷電流打擊，形成安全隱患。因此，設(shè)計(jì)人員需要對(duì)照明供配電系統(tǒng)進(jìn)行接地處理，嚴(yán)格遵循《大型橋梁防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（QX/T 330—2016）等現(xiàn)行規(guī)范，優(yōu)先采取TT接地方式，把橋梁沿途各盞照明燈具均接入接地裝置，選用鍍鋅角鋼作為接地極，把接地系統(tǒng)的接地電阻值控制在10 Ω以內(nèi)，并把其他金屬導(dǎo)電體接入接地網(wǎng)，提供接地保護(hù)。同時(shí)，根據(jù)橋梁構(gòu)造特點(diǎn)與供配電接地需求，分別編制面向橋梁下部結(jié)構(gòu)、上部結(jié)構(gòu)與主塔結(jié)構(gòu)的供配電接地方案。第一，下部結(jié)構(gòu)接地，在橋梁各處橋墩部位安裝接地裝置，以樁基結(jié)構(gòu)筋作為接地極，把樁基豎向主筋焊接連接，并設(shè)置多根引下線，連接樁基與承臺(tái)結(jié)構(gòu)的接地極。第二，上部結(jié)構(gòu)接地，以鋼梁結(jié)構(gòu)為例，在鋼梁底部設(shè)置接地角鋼，檢修走道部位設(shè)置接地母排，通過金屬連接線來連接接地母排、接地角鋼，再把供配電系統(tǒng)內(nèi)所有電氣設(shè)備接入接地網(wǎng)，保持電氣貫通狀態(tài)。第三，主塔接地，以非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)鋼筋作為接地引上線，主塔結(jié)構(gòu)設(shè)置水平均壓環(huán)，塔柱處安裝避雷針，把避雷針、金屬構(gòu)件和引上線進(jìn)行連接處理[4]。

2.4 無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)

為始終維持高水準(zhǔn)供電回路功率因數(shù)，避免供配電系統(tǒng)運(yùn)行期間出現(xiàn)電壓波動(dòng)、線損量超標(biāo)等問題。設(shè)計(jì)人員需要在系統(tǒng)內(nèi)加裝無功補(bǔ)償裝置，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀況動(dòng)態(tài)提供無功補(bǔ)償，這有利于改善照明供電情況、減少實(shí)際耗電量。在無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，重點(diǎn)掌握補(bǔ)償方式、補(bǔ)償容量計(jì)算兩方面的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。第一，補(bǔ)償方式。照明供配電系統(tǒng)有著負(fù)荷分散特征，如果采取常規(guī)的集中補(bǔ)償方式，勢(shì)必會(huì)抬高工程造價(jià)成本和造成資源浪費(fèi)。設(shè)計(jì)人員優(yōu)先采取分散補(bǔ)償方式，在電能損耗主要發(fā)生路段內(nèi)分散布置若干數(shù)量的補(bǔ)償點(diǎn)。同時(shí)，也可采取動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方式，補(bǔ)償裝置持續(xù)采集現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)信號(hào)、分析照明供配電系統(tǒng)能耗情況，根據(jù)分析結(jié)果來動(dòng)態(tài)調(diào)整補(bǔ)償方案。第二，補(bǔ)償容量計(jì)算。設(shè)計(jì)人員提前明確供配電系統(tǒng)功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)既定設(shè)計(jì)方案來推演照明供配電系統(tǒng)運(yùn)行情況，根據(jù)功率因數(shù)的實(shí)際值和預(yù)期要求來計(jì)算所需補(bǔ)償容量。在多數(shù)大型橋梁工程，要求供配電功率因數(shù)不得低于0.9，在計(jì)算公式內(nèi)導(dǎo)入有功負(fù)荷，補(bǔ)償前后用電自然功率因數(shù)角正切值，求解補(bǔ)償容量，將其作為無功補(bǔ)償裝置的選型設(shè)計(jì)依據(jù)。同時(shí)，為滿足橋梁照明供配電系統(tǒng)改擴(kuò)建需求，在補(bǔ)償容量計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上，額外設(shè)置一定比例的冗余容量。

2.5 接地故障保護(hù)設(shè)計(jì)

在橋梁照明供配電系統(tǒng)運(yùn)行期間，偶爾出現(xiàn)過電流、零序電流等接地故障，對(duì)供電質(zhì)量、供電穩(wěn)定性與照明負(fù)載設(shè)備使用壽命造成深遠(yuǎn)影響，這也是早期照明供配電系統(tǒng)的短板。對(duì)此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)著手建立接地故障保護(hù)機(jī)制，深入了解各項(xiàng)故障問題的客觀發(fā)生規(guī)律，針對(duì)性制定故障保護(hù)方案。第一，過電流保護(hù)。在供電回路內(nèi)加裝斷路器，重點(diǎn)控制斷路器靈敏度，確保斷路器可以在規(guī)定時(shí)間內(nèi)迅速展開動(dòng)作、切斷電流。例如，采取TT接地形式時(shí)，要求故障電流電壓降、保護(hù)器動(dòng)作電流二者的乘積值不超過50。而在采取TN-S接地形式時(shí)，要求故障期間回路阻抗值、保護(hù)器動(dòng)作電流二者的乘積值不超過相線對(duì)地標(biāo)稱電壓值[5]。第二，零序電流保護(hù)。以斷路器作為保護(hù)裝置，提前根據(jù)已掌握信息來計(jì)算相線阻抗值、PE線阻抗值和接觸阻抗值，把三者總和作為接地故障回路阻抗值，將其作為斷路器選型依據(jù)，確保斷路器可以準(zhǔn)確識(shí)別普通電流、零序電流，從而判斷是否出現(xiàn)三相負(fù)荷失衡故障，便于迅速展開保護(hù)動(dòng)作。

2.6 備用電源設(shè)計(jì)

在早期橋梁工程，供配電系統(tǒng)從當(dāng)?shù)厥须娋W(wǎng)或是農(nóng)網(wǎng)引入一路或兩路電源，照明供電可靠性受到外部電源明顯影響，如果所接入電網(wǎng)出現(xiàn)供電中斷故障，則會(huì)導(dǎo)致橋梁供配電系統(tǒng)與照明燈具陷入癱瘓，形成交通安全隱患。因此，為實(shí)現(xiàn)不間斷供電目標(biāo)，最大限度提高照明供電可靠性，設(shè)計(jì)人員需要在供配電系統(tǒng)內(nèi)額外設(shè)置備用電源與配套投切裝置。確定各處主電源供電異常后，應(yīng)立即啟動(dòng)投切裝置，由備用電源持續(xù)向照明負(fù)載設(shè)備供電。正常情況下，選用柴油發(fā)電機(jī)組作為照明供配電系統(tǒng)備用電源，選用由電磁型繼電器構(gòu)成的備用電源自動(dòng)投入裝置。在供配電系統(tǒng)運(yùn)行期間，跟蹤檢測(cè)外接電源情況，發(fā)現(xiàn)異常狀況后，斷開電壓回路與工作回路，延時(shí)一段時(shí)間后投入備用回路，由備用電源替代主電源持續(xù)供電。

3 結(jié)論

綜上所述，為切實(shí)滿足大型橋梁照明系統(tǒng)供電需求，向照明系統(tǒng)營造更加穩(wěn)定且高效的運(yùn)行環(huán)境，實(shí)現(xiàn)綠色供電目標(biāo)。設(shè)計(jì)人員必須提高對(duì)大型橋梁照明供配電設(shè)計(jì)活動(dòng)的重視，以工程情況和照明供電需求作為設(shè)計(jì)依據(jù)，選擇恰當(dāng)供電方式，掌握在變電站選址、配電線路設(shè)計(jì)、接地保護(hù)、無功補(bǔ)償?shù)确矫娴脑O(shè)計(jì)要點(diǎn)，為橋梁工程建設(shè)質(zhì)量提供設(shè)計(jì)保障。