武漢市四環(huán)線沌口長(zhǎng)江公路大橋供配電設(shè)計(jì)方案

文｜中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 黃必輝 王恩師

1 項(xiàng)目概述

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

武漢市四環(huán)線沌口長(zhǎng)江公路大橋段路線總體走向由西北向東南延伸，連接武漢市四環(huán)線西段（吳家山至沌口段）、南段（龔家鋪至中洲段），是武漢市四環(huán)線工程的重要組成部分和跨越長(zhǎng)江的關(guān)鍵控制性工程之一。路線起點(diǎn)(K94+159.8)接四環(huán)線西段，在K94+264.648與漢洪高速公路交叉（主線上跨），過沌南洲，跨長(zhǎng)江，于石咀船廠上游約130m處上跨武金堤，經(jīng)先生灣北側(cè)，上跨青菱河及青菱河路，橫穿上海通用規(guī)劃用地，在K99+483.656設(shè)石咀互通立交與武深高速公路交叉（主線下穿），再跨越青菱湖，經(jīng)應(yīng)家灣南側(cè)，路線穿越蘭家灣，從金家灣北側(cè)通過，在龔家鋪西南設(shè)龔家鋪K102+691.865與青鄭高速公路交叉（主線上跨）至本項(xiàng)目終點(diǎn)（K102+762.976），與四環(huán)線南段路線相接，道路全線為8.599257km。路線特大橋、互通立交、管養(yǎng)工區(qū)的設(shè)置見表1。

表1 互通立交、管養(yǎng)工區(qū)、特大橋分布一覽表

1.2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合與之相連接的高速公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)及工可報(bào)告確定的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，按照交通部頒發(fā)實(shí)施的《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTGB01-2003）中關(guān)于擬建項(xiàng)目技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)原則，并結(jié)合沿線地形地貌等情況，本項(xiàng)目工程主要技術(shù)指標(biāo)如下：

表2 各特征年路段交通量預(yù)測(cè)結(jié)果（路段區(qū)間交通量表） (單位：pcu/d)

表3 本項(xiàng)目各特征年車型比(%)

（1）設(shè)計(jì)速度：100km/h。

（2）路基寬度：41m（土路肩0.75m+硬路肩3.0m+行車道4×3.75m+路緣帶0.75m+中央分隔帶2m+路緣帶0.75m+行車道4×3.75m+硬路肩3.0m+土路肩0.75m）。

（3）標(biāo)準(zhǔn)路基橫坡：2.5%。

（4）平縱指標(biāo)：平曲線最小半徑2500m；最大縱坡1.656%。

（5）設(shè)計(jì)洪水頻率：特大橋?yàn)?/300，大、中橋及小橋涵和路基為1/100。

（6）橋涵設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)：公路-Ⅰ級(jí)。

（7）交通工程：全線交通工程及沿線設(shè)施等級(jí)按A級(jí)。

1.3 交通量分部及組成

根據(jù)項(xiàng)目交通功能分析，本項(xiàng)目是武漢市重要的貨運(yùn)快速通道，分擔(dān)三環(huán)線和過江通道的交通壓力；是連接新城組群之間并在組群內(nèi)部發(fā)展過程中具有復(fù)合交通功能的快速通道；是主城區(qū)和新城組群對(duì)外進(jìn)出和轉(zhuǎn)換的重要通道。本項(xiàng)目交通量預(yù)測(cè)結(jié)果見表2各特征年路段交通量預(yù)測(cè)結(jié)果（路段區(qū)間交通量表）。

交通方式結(jié)構(gòu)方面，本項(xiàng)目的小、中、大型客車交通流約占57%，貨車交通量約占到了43%，與武漢市城區(qū)道路及三環(huán)車流對(duì)比，貨車交通量大幅提升，這是由于四環(huán)線西部、西南部、南部、東南部組群為主要高新科技園區(qū)和經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，出入境貨運(yùn)需求較大。車型比例構(gòu)成見詳見表3。

針對(duì)本項(xiàng)目貨車占比較大的特點(diǎn)，項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)中在不過多增加工程數(shù)量的前提下，適當(dāng)提高路線平、縱指標(biāo)，并保證路線線形的均衡、協(xié)調(diào)及連續(xù)，并根據(jù)《公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)指南》對(duì)全線進(jìn)行運(yùn)行速度計(jì)算及安全性評(píng)價(jià)。進(jìn)一步研究重載貨車對(duì)路面、橋梁結(jié)構(gòu)等的影響，認(rèn)真貫徹“全壽命周期成本控制”的建設(shè)理念，提高公路自身的結(jié)構(gòu)安全。

2 供配電方案

2.1 設(shè)計(jì)原則

本設(shè)計(jì)的供電系統(tǒng)遵循以下的設(shè)計(jì)原則：

（l）貫徹國(guó)家的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策，積極而慎重地采用新理論、新技術(shù)、新材料、新設(shè)備、新工藝，使所選系統(tǒng)達(dá)到安全實(shí)用、質(zhì)量可靠、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)的要求；

（2）結(jié)合國(guó)內(nèi)、國(guó)際已建成高速公路的特點(diǎn)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)滿足高速公路對(duì)機(jī)電系統(tǒng)安全性的要求；

（3）整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)力求安全可靠、經(jīng)濟(jì)，合理，方便安裝、管理，盡可能減少維護(hù)工作量；

（4）遠(yuǎn)近結(jié)合，以近期為主，考慮遠(yuǎn)期，做好預(yù)留，預(yù)埋以及今后擴(kuò)容的需要。

2.2 本大橋供配電系統(tǒng)特點(diǎn)

本大橋的供配電有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1．根據(jù)本工程負(fù)荷的統(tǒng)計(jì)及其分配可以看出特大型跨江橋梁供配電系統(tǒng)屬于長(zhǎng)距離分散性用電負(fù)荷，同時(shí)每天都必須根據(jù)用電的功能進(jìn)行不同時(shí)間的開啟和關(guān)閉，這就要求供配電系統(tǒng)具備安全性高、可靠性好等特點(diǎn)。

2．特大型跨江橋梁及其沿線供配電設(shè)備一般工作環(huán)境溫度高、溫差大、橋梁震動(dòng)性大，機(jī)電設(shè)備安裝空間狹小。

3．特大型跨江橋梁及其配套的主橋用電、道路照明、景觀照明等供配電系統(tǒng)不同于一般民建供配電系統(tǒng)。如夜間由于景觀照明燈具的開啟，設(shè)備容量會(huì)達(dá)到數(shù)千千伏安左右，可在白天只有幾百千伏安，負(fù)荷使用不平衡。

4．供配電系統(tǒng)照明類負(fù)荷操作較為頻繁，為節(jié)省運(yùn)行電費(fèi)，照明負(fù)荷一般白天關(guān)閉，夜間開啟，部分項(xiàng)目為進(jìn)一步節(jié)能，照明還在夜間進(jìn)行上、下半夜分時(shí)段調(diào)控，造成照明類電氣設(shè)備負(fù)荷開關(guān)頻繁操作，一方面很不安全，另一方面也縮短了電氣開關(guān)使用壽命。

5．供配電系統(tǒng)傳輸基本均為電纜電線，一旦發(fā)生故障，屬于非自動(dòng)恢復(fù)性故障，選用的電纜必須是專用的。

2.3 供配電設(shè)備配置要求

根據(jù)大橋的特性要求供配電機(jī)電設(shè)備有以下特點(diǎn)：

1．安裝在外場(chǎng)主橋位置的機(jī)電設(shè)備必須結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便；

2．在外場(chǎng)主橋機(jī)電設(shè)備須具備技術(shù)先進(jìn)、安全防護(hù)等級(jí)高、使用壽命長(zhǎng)、少維護(hù)及防盜等特點(diǎn)；

3．特大型橋梁主體結(jié)構(gòu)工程壽命一般為100年，而機(jī)電設(shè)備使用年限基本不超過30年，因此應(yīng)協(xié)調(diào)解決好兩者關(guān)系，要求機(jī)電設(shè)備易于更換。

2.4 負(fù)荷分級(jí)

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，結(jié)合大橋用電設(shè)備負(fù)荷的具體情況，根據(jù)負(fù)荷重要性及其供電中斷后對(duì)政治、經(jīng)濟(jì)影響的程度，對(duì)大橋各類供電負(fù)荷等級(jí)分為下列三類：

一類負(fù)荷設(shè)備：通信、監(jiān)控（包括大橋結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控系統(tǒng)）設(shè)備用電、航空障礙燈、航標(biāo)燈、消防用電；

二類負(fù)荷：道路照明、結(jié)構(gòu)內(nèi)部照明、檢修動(dòng)力（包括檢修電梯）、箱梁除濕設(shè)備、管理區(qū)內(nèi)生活水泵、食堂用水等有關(guān)生活設(shè)施；

三類負(fù)荷：其他用電設(shè)備，包括景觀照明，辦公用電等生活設(shè)施。

2.5 外部電源情況

根據(jù)外部電源調(diào)查情況，本項(xiàng)目在徐家堡設(shè)置一座總配電所為大橋各個(gè)分散的變壓器供電。本項(xiàng)目徐家堡總配電點(diǎn)所的兩路電源：一路電源由軍山變電站軍54間隔出洪海線，經(jīng)肖家灣3#桿分支T接桿線，以電纜方式至總配電所，對(duì)其供電。另一路電源由全川變電站軍7#母線全62間隔出全川線，經(jīng)111#桿延伸桿線路T接桿線，以電纜方式至總配電所，對(duì)其供電。

2.6 大橋的用電分析

本項(xiàng)目景觀照明的用電量約536kW，在3、4主塔共設(shè)4臺(tái)160kVA的變壓器為景觀照明供電；

本項(xiàng)目的道路照明用電量200kW，在引橋處共設(shè)設(shè)2臺(tái)80kVA的變壓器，在主塔處共設(shè)置2臺(tái)80kVA的變壓器為道路照明供電。

本項(xiàng)目的主橋用電約580kW，在3、4主塔共設(shè)置6臺(tái)125kVA的變壓器為主橋用電設(shè)備供電。其中主橋用電的設(shè)備包括初始風(fēng)機(jī)、鋼箱梁照明、檢修、橋塔照明、檢修及檢修車用電、航空、航標(biāo)燈等。

監(jiān)控系統(tǒng)的用電約270kW，共分散設(shè)置5臺(tái)80kVA的監(jiān)控變壓器供電。

2.7 中壓供電方案比選

大橋沿線的用電設(shè)備分布距離長(zhǎng)，采用中壓傳輸系統(tǒng)供電、低壓380／220 V饋電至用電設(shè)備。設(shè)計(jì)中對(duì)中壓傳輸系統(tǒng)方案進(jìn)行了比選：

方案一：中壓傳輸系統(tǒng)采用10kV電壓等級(jí)。由于本供電系統(tǒng)的供電電源為10kV，故中壓傳輸系統(tǒng)所需的10kV供電電源可由變配電站10kV母排上直接引出，采用10kV電纜輸送電能至各個(gè)埋地式變壓器。

方案二：中壓傳輸系統(tǒng)采用6kV電壓等級(jí)。由于本供電系統(tǒng)的供電電源為10kV，若采用6kV電壓等級(jí)，則需在徐家堡的10kV變配電站內(nèi)設(shè)置兩臺(tái)10／6.3kV變壓器，及一套6kV配電裝置，中壓傳輸系統(tǒng)所需的6kV供電電源，由變配電站6kV母排上引出，采用6kV電纜輸送電能至各埋地式變壓器。

兩種供電方案的比較：

方案一（10kV中壓）的優(yōu)勢(shì)：

（1）采用10kV電源供電，這樣采用10kV中壓傳輸系統(tǒng)就比6kV傳輸系統(tǒng)少一個(gè)電壓等級(jí)，少一套6kV變配電裝置，配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)更加簡(jiǎn)潔，變配電設(shè)備大為減少。

（2）采用10kV電壓傳輸電能比6kV電能傳輸，在輸送相同容量的電能情況下，線路損耗將大幅減小，而且線路越長(zhǎng)，效果越顯著。

（3）10kV／0.4kV的埋地式變壓器在國(guó)內(nèi)許多工程中得到應(yīng)用，效果良好。

方案二（6kV中壓）的優(yōu)勢(shì)：

（1）中壓電能傳輸系統(tǒng)采用6千伏電壓等級(jí)，其中性點(diǎn)采用直接接地方式，該系統(tǒng)采用10/6 kV的中間變壓器，降低了6 kV系統(tǒng)的短路電流。盡管中性點(diǎn)采用直接接地方式，單相接地短路電流仍能控制在2kA以下。因此，中性點(diǎn)直接接地的中壓電能傳輸系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)基本上與配電網(wǎng)絡(luò)中的低電阻接地方式相同，即安全可靠性高、繼電保護(hù)實(shí)施簡(jiǎn)單可靠和降低設(shè)備投資等優(yōu)點(diǎn)。

（2）中壓電能傳輸系統(tǒng)與供電部門電網(wǎng)隔離，是獨(dú)立的用戶側(cè)系統(tǒng)。采用10/6 kV的中間變壓器，一方面是獲取6 kV電壓的需要，另一方面卻是建立獨(dú)立電能傳輸系統(tǒng)，以獲得高的安全可靠性。

（3）低壓方案10kV配電線路為放射式結(jié)構(gòu)，電網(wǎng)不易擴(kuò)展，同時(shí)也不宜在10kV變壓器端直接頻繁操作控制，因此，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)僵硬，自動(dòng)化性能一般。而中壓系統(tǒng)通過對(duì)配電電壓、設(shè)備的選擇，埋地變防水、防污染等密封性能突出，能避免江水、江風(fēng)對(duì)設(shè)備的腐蝕并可以在中壓側(cè)直接操作控制，方法簡(jiǎn)單，安全可靠，再通過對(duì)供配電回路的檢測(cè)與控制，能實(shí)現(xiàn)對(duì)全線用電設(shè)備的檢測(cè)與控制，大大提高了營(yíng)運(yùn)管理的自動(dòng)化水平。另外，中壓系統(tǒng)投入運(yùn)行后，擴(kuò)展容易，二次投資費(fèi)用低。因此，中壓方案在系統(tǒng)性能方面有更大的優(yōu)勢(shì)。

中壓電能傳輸系統(tǒng)安全性高、可靠性高、傳輸距離遠(yuǎn)，是大型橋梁等特殊領(lǐng)域理想的配電系統(tǒng)。本項(xiàng)目采用方案一：10kV中壓供電。

2.8 中壓供電方案

在徐家堡管養(yǎng)監(jiān)控中心設(shè)置一座總配電所，在兩座主塔處及橋頭引橋的處設(shè)置10/0.4kV埋地變壓器。在武昌的路基段設(shè)置一座小型埋地變?yōu)榈缆返谋O(jiān)控設(shè)施供電。

從徐家堡的主配電所變電所引出3路10kV線路，一條為景觀照明回路，白天停止運(yùn)行，晚間需要運(yùn)行時(shí)再投入；一條為主橋、監(jiān)控用電，晝夜運(yùn)行，并把道路照明的低壓回路作為本回路的備用電源，保證供電的可靠性；一條為道路照明回路，白天停，晚上開啟。

考慮到監(jiān)控用電的可靠性，在設(shè)置道路照明與監(jiān)控設(shè)施的變壓器的位置設(shè)置監(jiān)控與照明的低壓聯(lián)絡(luò)柜以確保監(jiān)控設(shè)備的供電可靠性的需求。

2.9 電力監(jiān)控設(shè)計(jì)

在徐家堡總配電所的電氣設(shè)備通過星形方式與站內(nèi)通信管理機(jī)構(gòu)成485現(xiàn)場(chǎng)總線監(jiān)控子網(wǎng)；

外場(chǎng)設(shè)備按照在設(shè)備相對(duì)集中的南北塔分為二個(gè)子網(wǎng)，每個(gè)子網(wǎng)連接到主干通信網(wǎng)絡(luò)上，主干網(wǎng)采用100M以太網(wǎng)。

每個(gè)子網(wǎng)通過光纖或屏蔽雙絞線的485總線的方式與主干通信網(wǎng)連接，監(jiān)控計(jì)算機(jī)與通信主干網(wǎng)構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)的上層部分。遠(yuǎn)距離室外通信采用光纜，室內(nèi)短距離通信采用屏蔽雙絞線。

對(duì)所有的高壓回路、低壓回路及變壓器的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在徐家堡監(jiān)控中心可實(shí)現(xiàn)對(duì)回路的遙控、遙測(cè)、遙調(diào)、遙信的“四遙”功能。

2.10 節(jié)能措施

供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)從供電可靠性和節(jié)能減排的角度出發(fā)，沌口橋供配電系統(tǒng)采用10kV中壓供電傳輸可大幅減少大容量低電壓供電的線路損耗。另本項(xiàng)目全線20套變壓器均選用低損耗非晶合金節(jié)能型變壓器，將設(shè)備本身的電能損耗也降到最小。供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中注意將配電中心靠近負(fù)荷中心，縮短低壓供電線路的長(zhǎng)度，合理設(shè)計(jì)電纜線徑，達(dá)到降低電能在線路損耗和節(jié)約銅耗的目的。

10kV隔離系統(tǒng)出線回路是按照功能來分配的，其中主橋用電及監(jiān)控用電是晝夜運(yùn)行；景觀及道路照明白天不運(yùn)行，夜間運(yùn)行，其中景觀負(fù)荷長(zhǎng)期斷開，需要時(shí)通過電力監(jiān)控開啟，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減少電能損耗。照明的燈具選用節(jié)能性較好的LED燈具。

2.11 防雷接地

防雷是防止來自空中直擊雷和側(cè)向雷以及滾雷對(duì)大橋的主橋和引橋建成的損壞，同時(shí)，還要防止雷電傳入到室內(nèi)所產(chǎn)生的過電壓造成起火，損壞構(gòu)筑物和燒毀用電設(shè)備、擊死、擊傷人員的情況。

在本工程的主體構(gòu)筑物上將裝有路燈、、橋型輪廓燈、航道燈、交通信息電子顯示器、監(jiān)控及其他用電設(shè)備，設(shè)有電力照明配電設(shè)備，因此本設(shè)計(jì)不僅要考慮對(duì)主體構(gòu)筑物上這些用電設(shè)備防止直擊雷和雷電波侵入的措施，同時(shí)也需要考慮主體構(gòu)筑物上部和內(nèi)部的低壓電氣設(shè)備和弱電設(shè)備的接地要求。

（1）直擊雷的防護(hù)

利用塔體接地體作為接閃器來引導(dǎo)雷電流。整個(gè)防雷系統(tǒng)由接閃、分流、均壓、屏蔽和接地五項(xiàng)要素組成。由于大橋構(gòu)筑物主塔采用鋼筋混凝土、橋身采用鋼結(jié)構(gòu)，且主塔、斜拉索和橋身箱梁的體積較大，自身引雷能力強(qiáng)，同時(shí)也具有較強(qiáng)的耐雷擊能力，直擊雷防護(hù)應(yīng)利用主體結(jié)構(gòu)鋼筋與防雷要素構(gòu)成協(xié)調(diào)統(tǒng)一的防雷結(jié)構(gòu)，以發(fā)揮最優(yōu)防雷功能。

（2）電氣防雷

雷電是一種大氣過電壓現(xiàn)象，當(dāng)雷電通過供配電裝置對(duì)大地放電時(shí)，帶來對(duì)供配電裝置以及人身安全的威脅，當(dāng)雷擊沖擊波由三相同時(shí)侵入供配電裝置時(shí)，由于輻射影響使得供配電裝置處于高于本身額定電壓許多倍的電壓等級(jí)下，同時(shí)由于電氣設(shè)備在操作過程中產(chǎn)生過電壓也能使某些絕緣薄弱的部分帶來威脅。為防止上述威脅，當(dāng)外電進(jìn)入供配電系統(tǒng)前和在母線上裝置防雷設(shè)備，在所有電氣設(shè)備電源進(jìn)線上亦裝過電壓保護(hù)設(shè)備，并有相應(yīng)的良好的接地系統(tǒng)。

3 供配電設(shè)施運(yùn)營(yíng)期間的效果

沌口長(zhǎng)江大橋于2017年12月28日建成通車，投入運(yùn)營(yíng)一年多來供電設(shè)施運(yùn)營(yíng)良好，無停電事故發(fā)生，為武漢市四環(huán)線沌口長(zhǎng)江大橋的正常運(yùn)營(yíng)提供了可靠的電力保障。獲得運(yùn)營(yíng)單位的好評(píng)。

4 結(jié)束語

沌口長(zhǎng)江公路大橋，是長(zhǎng)江上“最寬”的橋梁，屬于品質(zhì)工程。大橋的供配電設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)大橋的用電負(fù)荷分級(jí)，結(jié)合大橋的設(shè)備特點(diǎn)制定合理的供電方案，選擇適合橋梁特點(diǎn)的用電設(shè)備，以達(dá)到供電的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)營(yíng)。希望通過該工程供配電設(shè)計(jì)，能給同行業(yè)的設(shè)計(jì)人員起到拋磚引玉的作用。