武汉市四环线沌口长江公路大桥供配电设计方案

文｜中交第二公路勘察设计研究院有限公司 黄必辉 王恩师

1 项目概述

1.1 项目简介

武汉市四环线沌口长江公路大桥段路线总体走向由西北向东南延伸，连接武汉市四环线西段（吴家山至沌口段）、南段（龚家铺至中洲段），是武汉市四环线工程的重要组成部分和跨越长江的关键控制性工程之一。路线起点(K94+159.8)接四环线西段，在K94+264.648与汉洪高速公路交叉（主线上跨），过沌南洲，跨长江，于石咀船厂上游约130m处上跨武金堤，经先生湾北侧，上跨青菱河及青菱河路，横穿上海通用规划用地，在K99+483.656设石咀互通立交与武深高速公路交叉（主线下穿），再跨越青菱湖，经应家湾南侧，路线穿越兰家湾，从金家湾北侧通过，在龚家铺西南设龚家铺K102+691.865与青郑高速公路交叉（主线上跨）至本项目终点（K102+762.976），与四环线南段路线相接，道路全线为8.599257km。路线特大桥、互通立交、管养工区的设置见表1。

表1 互通立交、管养工区、特大桥分布一览表

1.2 主要技术标准

结合与之相连接的高速公路建设标准及工可报告确定的建设标准，按照交通部颁发实施的《公路工程技术标准》（JTGB01-2003）中关于拟建项目技术标准的有关原则，并结合沿线地形地貌等情况，本项目工程主要技术指标如下：

表2 各特征年路段交通量预测结果（路段区间交通量表） (单位：pcu/d)

表3 本项目各特征年车型比(%)

（1）设计速度：100km/h。

（2）路基宽度：41m（土路肩0.75m+硬路肩3.0m+行车道4×3.75m+路缘带0.75m+中央分隔带2m+路缘带0.75m+行车道4×3.75m+硬路肩3.0m+土路肩0.75m）。

（3）标准路基横坡：2.5%。

（4）平纵指标：平曲线最小半径2500m；最大纵坡1.656%。

（5）设计洪水频率：特大桥为1/300，大、中桥及小桥涵和路基为1/100。

（6）桥涵设计荷载标准：公路-Ⅰ级。

（7）交通工程：全线交通工程及沿线设施等级按A级。

1.3 交通量分部及组成

根据项目交通功能分析，本项目是武汉市重要的货运快速通道，分担三环线和过江通道的交通压力；是连接新城组群之间并在组群内部发展过程中具有复合交通功能的快速通道；是主城区和新城组群对外进出和转换的重要通道。本项目交通量预测结果见表2各特征年路段交通量预测结果（路段区间交通量表）。

交通方式结构方面，本项目的小、中、大型客车交通流约占57%，货车交通量约占到了43%，与武汉市城区道路及三环车流对比，货车交通量大幅提升，这是由于四环线西部、西南部、南部、东南部组群为主要高新科技园区和经济技术开发区，出入境货运需求较大。车型比例构成见详见表3。

针对本项目货车占比较大的特点，项目总体设计中在不过多增加工程数量的前提下，适当提高路线平、纵指标，并保证路线线形的均衡、协调及连续，并根据《公路项目安全性评价指南》对全线进行运行速度计算及安全性评价。进一步研究重载货车对路面、桥梁结构等的影响，认真贯彻“全寿命周期成本控制”的建设理念，提高公路自身的结构安全。

2 供配电方案

2.1 设计原则

本设计的供电系统遵循以下的设计原则：

（l）贯彻国家的技术经济政策，积极而慎重地采用新理论、新技术、新材料、新设备、新工艺，使所选系统达到安全实用、质量可靠、经济合理、技术先进的要求；

（2）结合国内、国际已建成高速公路的特点及相关标准，应满足高速公路对机电系统安全性的要求；

（3）整个系统设计力求安全可靠、经济，合理，方便安装、管理，尽可能减少维护工作量；

（4）远近结合，以近期为主，考虑远期，做好预留，预埋以及今后扩容的需要。

2.2 本大桥供配电系统特点

本大桥的供配电有以下几个特点：

1．根据本工程负荷的统计及其分配可以看出特大型跨江桥梁供配电系统属于长距离分散性用电负荷，同时每天都必须根据用电的功能进行不同时间的开启和关闭，这就要求供配电系统具备安全性高、可靠性好等特点。

2．特大型跨江桥梁及其沿线供配电设备一般工作环境温度高、温差大、桥梁震动性大，机电设备安装空间狭小。

3．特大型跨江桥梁及其配套的主桥用电、道路照明、景观照明等供配电系统不同于一般民建供配电系统。如夜间由于景观照明灯具的开启，设备容量会达到数千千伏安左右，可在白天只有几百千伏安，负荷使用不平衡。

4．供配电系统照明类负荷操作较为频繁，为节省运行电费，照明负荷一般白天关闭，夜间开启，部分项目为进一步节能，照明还在夜间进行上、下半夜分时段调控，造成照明类电气设备负荷开关频繁操作，一方面很不安全，另一方面也缩短了电气开关使用寿命。

5．供配电系统传输基本均为电缆电线，一旦发生故障，属于非自动恢复性故障，选用的电缆必须是专用的。

2.3 供配电设备配置要求

根据大桥的特性要求供配电机电设备有以下特点：

1．安装在外场主桥位置的机电设备必须结构紧凑、安装方便；

2．在外场主桥机电设备须具备技术先进、安全防护等级高、使用寿命长、少维护及防盗等特点；

3．特大型桥梁主体结构工程寿命一般为100年，而机电设备使用年限基本不超过30年，因此应协调解决好两者关系，要求机电设备易于更换。

2.4 负荷分级

按照国家标准规范，结合大桥用电设备负荷的具体情况，根据负荷重要性及其供电中断后对政治、经济影响的程度，对大桥各类供电负荷等级分为下列三类：

一类负荷设备：通信、监控（包括大桥结构安全监控系统）设备用电、航空障碍灯、航标灯、消防用电；

二类负荷：道路照明、结构内部照明、检修动力（包括检修电梯）、箱梁除湿设备、管理区内生活水泵、食堂用水等有关生活设施；

三类负荷：其他用电设备，包括景观照明，办公用电等生活设施。

2.5 外部电源情况

根据外部电源调查情况，本项目在徐家堡设置一座总配电所为大桥各个分散的变压器供电。本项目徐家堡总配电点所的两路电源：一路电源由军山变电站军54间隔出洪海线，经肖家湾3#杆分支T接杆线，以电缆方式至总配电所，对其供电。另一路电源由全川变电站军7#母线全62间隔出全川线，经111#杆延伸杆线路T接杆线，以电缆方式至总配电所，对其供电。

2.6 大桥的用电分析

本项目景观照明的用电量约536kW，在3、4主塔共设4台160kVA的变压器为景观照明供电；

本项目的道路照明用电量200kW，在引桥处共设设2台80kVA的变压器，在主塔处共设置2台80kVA的变压器为道路照明供电。

本项目的主桥用电约580kW，在3、4主塔共设置6台125kVA的变压器为主桥用电设备供电。其中主桥用电的设备包括初始风机、钢箱梁照明、检修、桥塔照明、检修及检修车用电、航空、航标灯等。

监控系统的用电约270kW，共分散设置5台80kVA的监控变压器供电。

2.7 中压供电方案比选

大桥沿线的用电设备分布距离长，采用中压传输系统供电、低压380／220 V馈电至用电设备。设计中对中压传输系统方案进行了比选：

方案一：中压传输系统采用10kV电压等级。由于本供电系统的供电电源为10kV，故中压传输系统所需的10kV供电电源可由变配电站10kV母排上直接引出，采用10kV电缆输送电能至各个埋地式变压器。

方案二：中压传输系统采用6kV电压等级。由于本供电系统的供电电源为10kV，若采用6kV电压等级，则需在徐家堡的10kV变配电站内设置两台10／6.3kV变压器，及一套6kV配电装置，中压传输系统所需的6kV供电电源，由变配电站6kV母排上引出，采用6kV电缆输送电能至各埋地式变压器。

两种供电方案的比较：

方案一（10kV中压）的优势：

（1）采用10kV电源供电，这样采用10kV中压传输系统就比6kV传输系统少一个电压等级，少一套6kV变配电装置，配电系统网络更加简洁，变配电设备大为减少。

（2）采用10kV电压传输电能比6kV电能传输，在输送相同容量的电能情况下，线路损耗将大幅减小，而且线路越长，效果越显著。

（3）10kV／0.4kV的埋地式变压器在国内许多工程中得到应用，效果良好。

方案二（6kV中压）的优势：

（1）中压电能传输系统采用6千伏电压等级，其中性点采用直接接地方式，该系统采用10/6 kV的中间变压器，降低了6 kV系统的短路电流。尽管中性点采用直接接地方式，单相接地短路电流仍能控制在2kA以下。因此，中性点直接接地的中压电能传输系统的优点基本上与配电网络中的低电阻接地方式相同，即安全可靠性高、继电保护实施简单可靠和降低设备投资等优点。

（2）中压电能传输系统与供电部门电网隔离，是独立的用户侧系统。采用10/6 kV的中间变压器，一方面是获取6 kV电压的需要，另一方面却是建立独立电能传输系统，以获得高的安全可靠性。

（3）低压方案10kV配电线路为放射式结构，电网不易扩展，同时也不宜在10kV变压器端直接频繁操作控制，因此，系统结构僵硬，自动化性能一般。而中压系统通过对配电电压、设备的选择，埋地变防水、防污染等密封性能突出，能避免江水、江风对设备的腐蚀并可以在中压侧直接操作控制，方法简单，安全可靠，再通过对供配电回路的检测与控制，能实现对全线用电设备的检测与控制，大大提高了营运管理的自动化水平。另外，中压系统投入运行后，扩展容易，二次投资费用低。因此，中压方案在系统性能方面有更大的优势。

中压电能传输系统安全性高、可靠性高、传输距离远，是大型桥梁等特殊领域理想的配电系统。本项目采用方案一：10kV中压供电。

2.8 中压供电方案

在徐家堡管养监控中心设置一座总配电所，在两座主塔处及桥头引桥的处设置10/0.4kV埋地变压器。在武昌的路基段设置一座小型埋地变为道路的监控设施供电。

从徐家堡的主配电所变电所引出3路10kV线路，一条为景观照明回路，白天停止运行，晚间需要运行时再投入；一条为主桥、监控用电，昼夜运行，并把道路照明的低压回路作为本回路的备用电源，保证供电的可靠性；一条为道路照明回路，白天停，晚上开启。

考虑到监控用电的可靠性，在设置道路照明与监控设施的变压器的位置设置监控与照明的低压联络柜以确保监控设备的供电可靠性的需求。

2.9 电力监控设计

在徐家堡总配电所的电气设备通过星形方式与站内通信管理机构成485现场总线监控子网；

外场设备按照在设备相对集中的南北塔分为二个子网，每个子网连接到主干通信网络上，主干网采用100M以太网。

每个子网通过光纤或屏蔽双绞线的485总线的方式与主干通信网连接，监控计算机与通信主干网构成监控系统的上层部分。远距离室外通信采用光缆，室内短距离通信采用屏蔽双绞线。

对所有的高压回路、低压回路及变压器的温度进行实时监控，在徐家堡监控中心可实现对回路的遥控、遥测、遥调、遥信的“四遥”功能。

2.10 节能措施

供配电系统的设计中，设计从供电可靠性和节能减排的角度出发，沌口桥供配电系统采用10kV中压供电传输可大幅减少大容量低电压供电的线路损耗。另本项目全线20套变压器均选用低损耗非晶合金节能型变压器，将设备本身的电能损耗也降到最小。供配电系统设计中注意将配电中心靠近负荷中心，缩短低压供电线路的长度，合理设计电缆线径，达到降低电能在线路损耗和节约铜耗的目的。

10kV隔离系统出线回路是按照功能来分配的，其中主桥用电及监控用电是昼夜运行；景观及道路照明白天不运行，夜间运行，其中景观负荷长期断开，需要时通过电力监控开启，以实现节能减少电能损耗。照明的灯具选用节能性较好的LED灯具。

2.11 防雷接地

防雷是防止来自空中直击雷和侧向雷以及滚雷对大桥的主桥和引桥建成的损坏，同时，还要防止雷电传入到室内所产生的过电压造成起火，损坏构筑物和烧毁用电设备、击死、击伤人员的情况。

在本工程的主体构筑物上将装有路灯、、桥型轮廓灯、航道灯、交通信息电子显示器、监控及其他用电设备，设有电力照明配电设备，因此本设计不仅要考虑对主体构筑物上这些用电设备防止直击雷和雷电波侵入的措施，同时也需要考虑主体构筑物上部和内部的低压电气设备和弱电设备的接地要求。

（1）直击雷的防护

利用塔体接地体作为接闪器来引导雷电流。整个防雷系统由接闪、分流、均压、屏蔽和接地五项要素组成。由于大桥构筑物主塔采用钢筋混凝土、桥身采用钢结构，且主塔、斜拉索和桥身箱梁的体积较大，自身引雷能力强，同时也具有较强的耐雷击能力，直击雷防护应利用主体结构钢筋与防雷要素构成协调统一的防雷结构，以发挥最优防雷功能。

（2）电气防雷

雷电是一种大气过电压现象，当雷电通过供配电装置对大地放电时，带来对供配电装置以及人身安全的威胁，当雷击冲击波由三相同时侵入供配电装置时，由于辐射影响使得供配电装置处于高于本身额定电压许多倍的电压等级下，同时由于电气设备在操作过程中产生过电压也能使某些绝缘薄弱的部分带来威胁。为防止上述威胁，当外电进入供配电系统前和在母线上装置防雷设备，在所有电气设备电源进线上亦装过电压保护设备，并有相应的良好的接地系统。

3 供配电设施运营期间的效果

沌口长江大桥于2017年12月28日建成通车，投入运营一年多来供电设施运营良好，无停电事故发生，为武汉市四环线沌口长江大桥的正常运营提供了可靠的电力保障。获得运营单位的好评。

4 结束语

沌口长江公路大桥，是长江上“最宽”的桥梁，属于品质工程。大桥的供配电设计应根据大桥的用电负荷分级，结合大桥的设备特点制定合理的供电方案，选择适合桥梁特点的用电设备，以达到供电的安全、可靠、经济的运营。希望通过该工程供配电设计，能给同行业的设计人员起到抛砖引玉的作用。