中壓供配電在大型橋梁中的應(yīng)用

倪鼎成

（南京長江第三大橋有限責(zé)任公司）

0 引言

在現(xiàn)代橋梁工程， 中壓供配電技術(shù)逐漸取代了落后的低壓供配電技術(shù)， 這對滿足長距離分散性用電需求、 提高供電質(zhì)量、 提高電纜資源共用程度有重要的價值， 也是公路橋梁工程供配電技術(shù)體系的必然發(fā)展趨勢。與此同時， 中壓供配電技術(shù)復(fù)雜， 相關(guān)工作人員對供配電系統(tǒng)缺乏深入了解， 在系統(tǒng)搭建、 現(xiàn)場施工期間缺乏歷史經(jīng)驗可循， 容易出現(xiàn)各類問題。在這一工程背景下， 應(yīng)加強(qiáng)對中壓供配電系統(tǒng)核心技術(shù)和設(shè)備的相關(guān)研究實踐， 保障系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定， 為橋梁工程建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

1 中壓供配電系統(tǒng)概述

1.1 工作原理

中壓供配電本質(zhì)上屬于一類長距離分散用電系統(tǒng)， 電壓等級設(shè)定為6kⅤ， 采取樹干式結(jié)構(gòu)， 系統(tǒng)由輸電線路、 中壓轉(zhuǎn)換裝置、 中壓電纜、 埋地變壓器等部分組成， 以基礎(chǔ)照明、 景觀照明、 應(yīng)急照明、 檢修照明、 監(jiān)控裝置等作為負(fù)載設(shè)備。在中壓供配電系統(tǒng)運(yùn)行期間， 率先通過輸電線路從外部市電引入電源， 電源經(jīng)過中壓轉(zhuǎn)換裝置， 將供電電壓值由10kⅤ或是35kⅤ轉(zhuǎn)換為6kⅤ， 再將轉(zhuǎn)換完畢的電源通過中壓電纜輸送至橋梁內(nèi)部及周邊布置的埋地式變壓器， 變壓器把電壓進(jìn)行二次配變處理后， 形成0.4kⅤ電源， 最終向照明燈具、 視頻監(jiān)控裝置等負(fù)載設(shè)備穩(wěn)定供電[1］。

1.2 應(yīng)用特點(diǎn)

在橋梁工程， 根據(jù)實際應(yīng)用情況來看， 相比于傳統(tǒng)的低壓供配電系統(tǒng)， 中壓供配電系統(tǒng)具有形成電壓調(diào)整中樞點(diǎn)、 降低內(nèi)部短路電流、 形成獨(dú)立用戶側(cè)配電系統(tǒng)的鮮明特點(diǎn)， 這也是中壓供配電技術(shù)應(yīng)用價值的重要體現(xiàn)。第一， 形成電壓調(diào)整中樞點(diǎn)。考慮到部分橋梁工程遠(yuǎn)離城市區(qū)域， 以農(nóng)村電網(wǎng)作為外接電網(wǎng)， 供電質(zhì)量與可靠性較差， 很難滿足大型橋梁用電負(fù)荷需求。在中壓供配電系統(tǒng)， 加裝單臺或多臺中間變壓器， 對變壓器進(jìn)行隔離處理， 使其成為電壓調(diào)整中樞點(diǎn)， 以變壓器分接頭或是有載調(diào)壓變壓器作為調(diào)節(jié)裝置， 從根源上解決電壓波動問題。第二， 降低內(nèi)部短路電流。早期供配電系統(tǒng)為滿足熱穩(wěn)定要求， 在橋梁現(xiàn)場敷設(shè)截面積在70mm3以上的電纜， 電纜材料用量和工程造價成本居高不下。而在中壓供配電系統(tǒng)， 通過安裝中壓隔離變壓器， 把配電網(wǎng)三相短路電流由10-20kA 降低至3kA 以內(nèi)， 隨著短路電流值降低， 無需通過增加電纜截面積來改善熱穩(wěn)定性， 選用常規(guī)的25mm3線纜作為中壓電纜即可， 有利于節(jié)省工程造價成本[2］。第三， 形成獨(dú)立用戶側(cè)配電系統(tǒng)。橋梁負(fù)載設(shè)備有著全天候供電、 負(fù)荷曲線波動大、 負(fù)荷等級高的特征， 且各類負(fù)載設(shè)備的實際供電需求并不一致， 低壓供配電系統(tǒng)很難滿足供電需求。在中壓供配電系統(tǒng)， 采取多回路樹干配電方式， 搭設(shè)面向各類負(fù)載設(shè)備的專用供電回路， 不會在供電期間形成不必要的空載損耗， 同時， 有利于提高供電可靠性， 單條回路出現(xiàn)故障問題后， 不會對其他供電回路及所接入負(fù)載設(shè)備造成影響。

2 中壓供配電系統(tǒng)在大型橋梁工程中的實施應(yīng)用

2.1 埋地變壓器整地布置

制定埋地式變壓器布局方案時， 工作人員需要前往大型橋梁現(xiàn)場進(jìn)行實地考察， 了解基本照明、 視頻監(jiān)控等負(fù)載設(shè)備的分布情況， 將其作為埋地變壓器布置點(diǎn)位， 把埋地變壓器和用電負(fù)荷中心的間距值控制在合理范圍內(nèi)， 如果盲目布置埋地變壓器， 會造成增大供電半徑、 提高線損量的后果。正常情況下， 在橋梁管理中心區(qū)域布置埋地變壓器， 以滿足收費(fèi)裝置、視頻監(jiān)控裝置供電需求作為功能定位， 采取10/0.4kⅤ供電電壓。隨后， 在橋梁沿線分散布置多臺埋地式變壓器， 要求埋地變壓器供電范圍完全涵蓋橋梁所有用電負(fù)荷中心， 從橋梁中心變電站變壓器上接引電源，電源抵達(dá)各臺埋地變壓器后， 將電壓等級由6kⅤ轉(zhuǎn)變?yōu)?.4kⅤ， 最終向橋梁基本照明、 橋梁動力、 景觀照明等負(fù)載設(shè)備持續(xù)穩(wěn)定供電。

2.2 橋梁擺設(shè)埋地變壓器

大型橋梁工程有著構(gòu)造復(fù)雜的特征， 埋地變壓器常規(guī)施工方案很難完全貼合現(xiàn)場情況， 導(dǎo)致現(xiàn)場缺乏埋地變壓器安裝操作空間， 或是因錯誤選擇埋地變壓器布置形式、 布置位置而影響到橋梁正常行車。對此， 工作人員應(yīng)遵循實際出發(fā)原則， 結(jié)合工程現(xiàn)場情況， 確定埋地式變壓器在主橋箱梁段、 引橋混凝土箱梁段等部位的正確擺設(shè)方法。第一， 主橋箱梁段?？紤]到所選用埋地變壓器的容量與尺寸較大， 在變壓器選型環(huán)節(jié)， 以箱梁空間要求作為選型依據(jù)， 優(yōu)先選用TED—TTT 等型號的埋地變壓器， 該款變壓器的長度為1.2m， 高度為1.3m， 寬度為0.8m。隨后， 以主橋段主塔橫梁與箱梁間隔部位作為埋地變壓器安裝位置， 在主橋橫梁周邊分散安裝多臺埋地變壓器， 負(fù)責(zé)向主橋段景觀照明、 機(jī)械動力、 基本照明等用電負(fù)荷持續(xù)供電[3］。第二， 引橋混凝土箱梁段?？紤]到引橋箱梁處缺乏足夠埋地變壓器安裝空間， 需要在現(xiàn)場施工期間增設(shè)前置性工序， 按照施工圖紙在現(xiàn)場測量定位， 以梁體間隔部位作為擺放位置， 組織施工人員在變壓器擺放位置搭設(shè)支撐平臺， 后續(xù)在平臺上固定安裝埋地變壓器。同時， 在水中引橋擺放點(diǎn)， 額外在梁體內(nèi)部預(yù)留中壓電纜引入孔。此外， 埋地變壓器現(xiàn)場施工難度較高， 容易出現(xiàn)高處墜落等安全事故， 可選擇同步完成埋地變壓器安裝、 箱梁地面拼裝作業(yè)， 再把內(nèi)嵌埋地變壓器的箱梁段起吊安裝、 拼接成型。

2.3 設(shè)置電纜管線

在電纜管線設(shè)置環(huán)節(jié)， 提前做好電纜選材工作，正常情況下， 選用交聯(lián)聚乙烯電纜作為中壓配電線纜， 根據(jù)實際供電需求來確定線纜截面積， 在線纜表面額外設(shè)置金屬屏蔽層來阻隔外部干擾源， 并對線纜的電氣性能、 機(jī)械性能進(jìn)行檢查。隨后， 采取電纜直埋方式， 在橋梁橋墩部位提前預(yù)留孔洞作為電力槽道， 在槽道內(nèi)部放置保護(hù)套管， 套管內(nèi)穿入輸電線路， 線路經(jīng)過電力槽道引入箱梁段， 通過預(yù)留方孔引入箱梁內(nèi)部的中壓電力槽道[4］。如果在電力槽道內(nèi)同時敷設(shè)多根輸電線路， 必須保持各根電纜管線的安全間隔距離， 填入防火材料與設(shè)置隔離層， 避免電纜相互影響。最后， 在橋梁主體結(jié)構(gòu)表面鋪設(shè)電力管與穿入線纜作為電力支線， 在兩側(cè)混凝土護(hù)欄等部位固定安裝分線盒， 在主橋箱梁風(fēng)嘴內(nèi)部安裝金屬線槽， 通過分線盒向外引出照明設(shè)備分支出線管， 通過金屬線槽向外引入橋面基本照明和景觀照明輸電線。此外，重點(diǎn)控制電纜線路施工時序， 在箱梁防腐涂裝結(jié)束前完成內(nèi)部主干線橋架安裝和電纜敷設(shè)作業(yè)， 在橋梁主塔土建施工結(jié)束前完成主塔電纜橋架安裝和電纜敷設(shè)作業(yè)。

2.4 電力監(jiān)控

在現(xiàn)代大型橋梁工程， 中壓供配電系統(tǒng)具備一定的智能化程度， 具備現(xiàn)場監(jiān)測信號采集、 數(shù)據(jù)處理、決策分析等多項使用功能， 可以在無人工干預(yù)情況下準(zhǔn)確判斷供配電系統(tǒng)狀態(tài)和現(xiàn)場負(fù)載設(shè)備供電需求，自動下達(dá)多項控制指令、 實時控制全橋配電箱出現(xiàn)回路。為實現(xiàn)這一目的， 工作人員必須在橋梁現(xiàn)場加裝智能終端裝置， 將其作為現(xiàn)場控制器， 形成電力監(jiān)控系統(tǒng)。正常情況下， 以橋梁現(xiàn)場所布置各臺埋地變壓器的低壓出線部位作為智能終端安裝位置， 在配電箱內(nèi)嵌入智能終端， 以出線配電箱開關(guān)信號與事故信號采集分析、 決策輸出控制指令作為功能定位， 并保持現(xiàn)場智能終端和系統(tǒng)工作站通訊連接狀態(tài)， 根據(jù)管理需求來切換現(xiàn)場就地控制模式和遠(yuǎn)程控制模式。以照明系統(tǒng)電力監(jiān)控為例， 橋梁工程選用大功率光源， 早期以分段手動控制、 定時控制方式為主， 實際控制效果并不理想， 照明系統(tǒng)運(yùn)行能耗水平居高不下， 在埋地變壓器低壓側(cè)搭建電力監(jiān)控系統(tǒng)， 全面感知橋梁照明需求， 通過控制低壓出線回路， 向各盞照明燈具分配電源， 起到調(diào)節(jié)燈具發(fā)光強(qiáng)度、 切換燈具啟閉狀態(tài)的控制作用[5］。

2.5 設(shè)置安全防護(hù)裝置

在橋梁中壓供配電系統(tǒng)運(yùn)行期間， 受到現(xiàn)場環(huán)境、 設(shè)備線路老化、 外接電源等因素影響， 偶爾出現(xiàn)短路、 斷路等電氣故障， 故障波及到供電回路與所接入電氣設(shè)備， 由此引發(fā)一系列問題出現(xiàn)。因此， 在制定中壓供配電方案時， 工作人員應(yīng)額外加裝多套繼電保護(hù)裝置， 向中壓供配電系統(tǒng)提供包括過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)、 欠電壓保護(hù)在內(nèi)的安全防護(hù)， 從而預(yù)防電氣故障發(fā)生、 控制故障影響范圍。以中壓供配電過電流保護(hù)為例， 大型橋梁有著用電負(fù)荷分散特性， 在各臺電力設(shè)備通電啟動步驟， 首個周期內(nèi)會形成沖擊電流峰值， 在尖峰電流疊加效應(yīng)下加劇保護(hù)裝置整定難度系數(shù)， 致使保護(hù)動作靈敏度下降， 嚴(yán)重時會出現(xiàn)通電瞬間裝置誤動、 供電回路末端形成保護(hù)盲區(qū)的問題。工作人員需要在照明配電線路內(nèi)加裝限流熔斷器， 在線路末端安裝微機(jī)保護(hù)裝置， 按照躲避尖峰電流情況來設(shè)置裝置整定值， 以供電回路1.2 倍標(biāo)準(zhǔn)電流值作為數(shù)字式保護(hù)裝置整定值， 以供電回路1.6 倍標(biāo)準(zhǔn)電流值作為熔斷器整定值。檢測到供電回路出現(xiàn)過電流問題后， 立即展開保護(hù)動作來限制電流值。同時， 為解決通電初期保護(hù)動作誤動問題， 還應(yīng)額外采取初期動作閉鎖措施， 在末端負(fù)載設(shè)備通電后的2-3min 內(nèi)， 繼電保護(hù)裝置處于閉鎖狀態(tài)， 不會展開動作， 超出閉鎖時間后再恢復(fù)至正常運(yùn)行狀態(tài)。

2.6 橋梁綜合接地

為保障中壓供配電系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行， 在大型橋梁建設(shè)期間， 需要對供配電系統(tǒng)進(jìn)行綜合接地處理， 接地內(nèi)容涵蓋橋墩、 橋臺等構(gòu)造部位， 根據(jù)工程情況制定專項接地技術(shù)方案。以橋墩接地為例， 提起把橋墩樁基礎(chǔ)和承臺基礎(chǔ)的接地鋼筋相互連接， 選用結(jié)構(gòu)筋作為接地鋼筋， 采取雙臂電橋方法測試接地鋼筋的貫通性是否達(dá)標(biāo)。準(zhǔn)備工作完成后， 對樁基樁頭進(jìn)行鑿除處理后環(huán)接承臺底層結(jié)構(gòu)鋼筋， 在墩身兩側(cè)圓端定點(diǎn)設(shè)置多根鋼筋， 鋼筋底部和承臺底層環(huán)形鋼筋相互連接形成電流通路， 形成接地鋼筋網(wǎng)， 測量接地電阻是否達(dá)標(biāo)。最后， 在橋墩部位設(shè)置接地端子， 選用專用接地端子， 以橋墩垂直線側(cè)接地鋼筋和地面間距0.2m 處作為墩底接地端子安裝位置， 在橋墩頂部安裝剩余接地端子， 把各處接地端子和周邊接地鋼筋相互連接， 重復(fù)測量接地電阻值， 即可完成橋墩接地作業(yè)。

2.7 系統(tǒng)調(diào)試檢查

在大型橋梁中壓供配電系統(tǒng)的方案制定與現(xiàn)場施工階段， 受多方面因素影響， 系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量充滿不確定性， 使用性能并未達(dá)到工程建設(shè)要求， 后續(xù)在中壓供配電系統(tǒng)長時間運(yùn)行期間， 容易出現(xiàn)供電中斷等運(yùn)行故障。對此， 在系統(tǒng)搭建完畢后， 工作人員應(yīng)重點(diǎn)開展調(diào)試檢查作業(yè)， 觀察中壓供配電系統(tǒng)在不同假定工況下的運(yùn)行過程， 根據(jù)檢查報告來發(fā)現(xiàn)缺陷隱患，采取相應(yīng)改進(jìn)措施。以6kⅤ變頻器調(diào)試檢查項目為例， 根據(jù)同類項目案例來看， 調(diào)試檢查期間發(fā)現(xiàn)變頻器普遍存在設(shè)備誤動、 繼電保護(hù)裝置動作跳閘等問題， 深入了解問題形成原因與著手處理。第一， 設(shè)備誤動。以上位機(jī)作為控制中樞， 持續(xù)向變頻器輸出4-20mA 信號， 遠(yuǎn)程操控變頻器展開相應(yīng)動作， 在人為斷開變頻器頻率給定控制線情況下， 變頻器不會展開動作， 上位機(jī)顯示信號為-10Hz。工作人員需要提前把全部上位機(jī)的輸入量程和輸入量程調(diào)節(jié)至4-20mA， 如果量程低于下限值， 自動采取小數(shù)切除方式， 顯示信號為0。第二， 繼電保護(hù)裝置動作跳閘。變頻器內(nèi)電氣參數(shù)的整定值設(shè)定不當(dāng)， 在負(fù)載設(shè)備錯誤操作時， 變頻器未動作情況下， 直接觸發(fā)出線柜內(nèi)繼電保護(hù)裝置， 致使變頻器停止工作。工作人員對上位機(jī)聯(lián)動控制邏輯機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整， 增設(shè)故障跳閘聯(lián)動停止程序。后續(xù)在供配電系統(tǒng)運(yùn)行期間， 如果在控制柜內(nèi)采集故障信號低于停止值， 立即觸發(fā)停止邏輯， 預(yù)防繼電保護(hù)裝置動作跳閘。

3 結(jié)束語

綜上所述， 為滿足大型橋梁供配電需求， 徹底擺脫傳統(tǒng)供配電技術(shù)局限性； 在橋梁工程建設(shè)期間， 應(yīng)提高對中壓供配電技術(shù)的重視， 明確技術(shù)價值， 樹立正確技術(shù)應(yīng)用思路， 全面掌握中壓供配電技術(shù)在埋地變壓器布置、 供電線路布置、 電力監(jiān)控、 安全防護(hù)等諸多方面的實踐應(yīng)用方法， 結(jié)合工程情況制定切實可行的橋梁中壓供配電技術(shù)方案。