中压供配电在大型桥梁中的应用

倪鼎成

（南京长江第三大桥有限责任公司）

0 引言

在现代桥梁工程， 中压供配电技术逐渐取代了落后的低压供配电技术， 这对满足长距离分散性用电需求、 提高供电质量、 提高电缆资源共用程度有重要的价值， 也是公路桥梁工程供配电技术体系的必然发展趋势。与此同时， 中压供配电技术复杂， 相关工作人员对供配电系统缺乏深入了解， 在系统搭建、 现场施工期间缺乏历史经验可循， 容易出现各类问题。在这一工程背景下， 应加强对中压供配电系统核心技术和设备的相关研究实践， 保障系统运行稳定， 为桥梁工程建设奠定基础。

1 中压供配电系统概述

1.1 工作原理

中压供配电本质上属于一类长距离分散用电系统， 电压等级设定为6kⅤ， 采取树干式结构， 系统由输电线路、 中压转换装置、 中压电缆、 埋地变压器等部分组成， 以基础照明、 景观照明、 应急照明、 检修照明、 监控装置等作为负载设备。在中压供配电系统运行期间， 率先通过输电线路从外部市电引入电源， 电源经过中压转换装置， 将供电电压值由10kⅤ或是35kⅤ转换为6kⅤ， 再将转换完毕的电源通过中压电缆输送至桥梁内部及周边布置的埋地式变压器， 变压器把电压进行二次配变处理后， 形成0.4kⅤ电源， 最终向照明灯具、 视频监控装置等负载设备稳定供电[1］。

1.2 应用特点

在桥梁工程， 根据实际应用情况来看， 相比于传统的低压供配电系统， 中压供配电系统具有形成电压调整中枢点、 降低内部短路电流、 形成独立用户侧配电系统的鲜明特点， 这也是中压供配电技术应用价值的重要体现。第一， 形成电压调整中枢点。考虑到部分桥梁工程远离城市区域， 以农村电网作为外接电网， 供电质量与可靠性较差， 很难满足大型桥梁用电负荷需求。在中压供配电系统， 加装单台或多台中间变压器， 对变压器进行隔离处理， 使其成为电压调整中枢点， 以变压器分接头或是有载调压变压器作为调节装置， 从根源上解决电压波动问题。第二， 降低内部短路电流。早期供配电系统为满足热稳定要求， 在桥梁现场敷设截面积在70mm3以上的电缆， 电缆材料用量和工程造价成本居高不下。而在中压供配电系统， 通过安装中压隔离变压器， 把配电网三相短路电流由10-20kA 降低至3kA 以内， 随着短路电流值降低， 无需通过增加电缆截面积来改善热稳定性， 选用常规的25mm3线缆作为中压电缆即可， 有利于节省工程造价成本[2］。第三， 形成独立用户侧配电系统。桥梁负载设备有着全天候供电、 负荷曲线波动大、 负荷等级高的特征， 且各类负载设备的实际供电需求并不一致， 低压供配电系统很难满足供电需求。在中压供配电系统， 采取多回路树干配电方式， 搭设面向各类负载设备的专用供电回路， 不会在供电期间形成不必要的空载损耗， 同时， 有利于提高供电可靠性， 单条回路出现故障问题后， 不会对其他供电回路及所接入负载设备造成影响。

2 中压供配电系统在大型桥梁工程中的实施应用

2.1 埋地变压器整地布置

制定埋地式变压器布局方案时， 工作人员需要前往大型桥梁现场进行实地考察， 了解基本照明、 视频监控等负载设备的分布情况， 将其作为埋地变压器布置点位， 把埋地变压器和用电负荷中心的间距值控制在合理范围内， 如果盲目布置埋地变压器， 会造成增大供电半径、 提高线损量的后果。正常情况下， 在桥梁管理中心区域布置埋地变压器， 以满足收费装置、视频监控装置供电需求作为功能定位， 采取10/0.4kⅤ供电电压。随后， 在桥梁沿线分散布置多台埋地式变压器， 要求埋地变压器供电范围完全涵盖桥梁所有用电负荷中心， 从桥梁中心变电站变压器上接引电源，电源抵达各台埋地变压器后， 将电压等级由6kⅤ转变为0.4kⅤ， 最终向桥梁基本照明、 桥梁动力、 景观照明等负载设备持续稳定供电。

2.2 桥梁摆设埋地变压器

大型桥梁工程有着构造复杂的特征， 埋地变压器常规施工方案很难完全贴合现场情况， 导致现场缺乏埋地变压器安装操作空间， 或是因错误选择埋地变压器布置形式、 布置位置而影响到桥梁正常行车。对此， 工作人员应遵循实际出发原则， 结合工程现场情况， 确定埋地式变压器在主桥箱梁段、 引桥混凝土箱梁段等部位的正确摆设方法。第一， 主桥箱梁段。考虑到所选用埋地变压器的容量与尺寸较大， 在变压器选型环节， 以箱梁空间要求作为选型依据， 优先选用TED—TTT 等型号的埋地变压器， 该款变压器的长度为1.2m， 高度为1.3m， 宽度为0.8m。随后， 以主桥段主塔横梁与箱梁间隔部位作为埋地变压器安装位置， 在主桥横梁周边分散安装多台埋地变压器， 负责向主桥段景观照明、 机械动力、 基本照明等用电负荷持续供电[3］。第二， 引桥混凝土箱梁段。考虑到引桥箱梁处缺乏足够埋地变压器安装空间， 需要在现场施工期间增设前置性工序， 按照施工图纸在现场测量定位， 以梁体间隔部位作为摆放位置， 组织施工人员在变压器摆放位置搭设支撑平台， 后续在平台上固定安装埋地变压器。同时， 在水中引桥摆放点， 额外在梁体内部预留中压电缆引入孔。此外， 埋地变压器现场施工难度较高， 容易出现高处坠落等安全事故， 可选择同步完成埋地变压器安装、 箱梁地面拼装作业， 再把内嵌埋地变压器的箱梁段起吊安装、 拼接成型。

2.3 设置电缆管线

在电缆管线设置环节， 提前做好电缆选材工作，正常情况下， 选用交联聚乙烯电缆作为中压配电线缆， 根据实际供电需求来确定线缆截面积， 在线缆表面额外设置金属屏蔽层来阻隔外部干扰源， 并对线缆的电气性能、 机械性能进行检查。随后， 采取电缆直埋方式， 在桥梁桥墩部位提前预留孔洞作为电力槽道， 在槽道内部放置保护套管， 套管内穿入输电线路， 线路经过电力槽道引入箱梁段， 通过预留方孔引入箱梁内部的中压电力槽道[4］。如果在电力槽道内同时敷设多根输电线路， 必须保持各根电缆管线的安全间隔距离， 填入防火材料与设置隔离层， 避免电缆相互影响。最后， 在桥梁主体结构表面铺设电力管与穿入线缆作为电力支线， 在两侧混凝土护栏等部位固定安装分线盒， 在主桥箱梁风嘴内部安装金属线槽， 通过分线盒向外引出照明设备分支出线管， 通过金属线槽向外引入桥面基本照明和景观照明输电线。此外，重点控制电缆线路施工时序， 在箱梁防腐涂装结束前完成内部主干线桥架安装和电缆敷设作业， 在桥梁主塔土建施工结束前完成主塔电缆桥架安装和电缆敷设作业。

2.4 电力监控

在现代大型桥梁工程， 中压供配电系统具备一定的智能化程度， 具备现场监测信号采集、 数据处理、决策分析等多项使用功能， 可以在无人工干预情况下准确判断供配电系统状态和现场负载设备供电需求，自动下达多项控制指令、 实时控制全桥配电箱出现回路。为实现这一目的， 工作人员必须在桥梁现场加装智能终端装置， 将其作为现场控制器， 形成电力监控系统。正常情况下， 以桥梁现场所布置各台埋地变压器的低压出线部位作为智能终端安装位置， 在配电箱内嵌入智能终端， 以出线配电箱开关信号与事故信号采集分析、 决策输出控制指令作为功能定位， 并保持现场智能终端和系统工作站通讯连接状态， 根据管理需求来切换现场就地控制模式和远程控制模式。以照明系统电力监控为例， 桥梁工程选用大功率光源， 早期以分段手动控制、 定时控制方式为主， 实际控制效果并不理想， 照明系统运行能耗水平居高不下， 在埋地变压器低压侧搭建电力监控系统， 全面感知桥梁照明需求， 通过控制低压出线回路， 向各盏照明灯具分配电源， 起到调节灯具发光强度、 切换灯具启闭状态的控制作用[5］。

2.5 设置安全防护装置

在桥梁中压供配电系统运行期间， 受到现场环境、 设备线路老化、 外接电源等因素影响， 偶尔出现短路、 断路等电气故障， 故障波及到供电回路与所接入电气设备， 由此引发一系列问题出现。因此， 在制定中压供配电方案时， 工作人员应额外加装多套继电保护装置， 向中压供配电系统提供包括过电流保护、过电压保护、 欠电压保护在内的安全防护， 从而预防电气故障发生、 控制故障影响范围。以中压供配电过电流保护为例， 大型桥梁有着用电负荷分散特性， 在各台电力设备通电启动步骤， 首个周期内会形成冲击电流峰值， 在尖峰电流叠加效应下加剧保护装置整定难度系数， 致使保护动作灵敏度下降， 严重时会出现通电瞬间装置误动、 供电回路末端形成保护盲区的问题。工作人员需要在照明配电线路内加装限流熔断器， 在线路末端安装微机保护装置， 按照躲避尖峰电流情况来设置装置整定值， 以供电回路1.2 倍标准电流值作为数字式保护装置整定值， 以供电回路1.6 倍标准电流值作为熔断器整定值。检测到供电回路出现过电流问题后， 立即展开保护动作来限制电流值。同时， 为解决通电初期保护动作误动问题， 还应额外采取初期动作闭锁措施， 在末端负载设备通电后的2-3min 内， 继电保护装置处于闭锁状态， 不会展开动作， 超出闭锁时间后再恢复至正常运行状态。

2.6 桥梁综合接地

为保障中压供配电系统平稳运行， 在大型桥梁建设期间， 需要对供配电系统进行综合接地处理， 接地内容涵盖桥墩、 桥台等构造部位， 根据工程情况制定专项接地技术方案。以桥墩接地为例， 提起把桥墩桩基础和承台基础的接地钢筋相互连接， 选用结构筋作为接地钢筋， 采取双臂电桥方法测试接地钢筋的贯通性是否达标。准备工作完成后， 对桩基桩头进行凿除处理后环接承台底层结构钢筋， 在墩身两侧圆端定点设置多根钢筋， 钢筋底部和承台底层环形钢筋相互连接形成电流通路， 形成接地钢筋网， 测量接地电阻是否达标。最后， 在桥墩部位设置接地端子， 选用专用接地端子， 以桥墩垂直线侧接地钢筋和地面间距0.2m 处作为墩底接地端子安装位置， 在桥墩顶部安装剩余接地端子， 把各处接地端子和周边接地钢筋相互连接， 重复测量接地电阻值， 即可完成桥墩接地作业。

2.7 系统调试检查

在大型桥梁中压供配电系统的方案制定与现场施工阶段， 受多方面因素影响， 系统运行质量充满不确定性， 使用性能并未达到工程建设要求， 后续在中压供配电系统长时间运行期间， 容易出现供电中断等运行故障。对此， 在系统搭建完毕后， 工作人员应重点开展调试检查作业， 观察中压供配电系统在不同假定工况下的运行过程， 根据检查报告来发现缺陷隐患，采取相应改进措施。以6kⅤ变频器调试检查项目为例， 根据同类项目案例来看， 调试检查期间发现变频器普遍存在设备误动、 继电保护装置动作跳闸等问题， 深入了解问题形成原因与着手处理。第一， 设备误动。以上位机作为控制中枢， 持续向变频器输出4-20mA 信号， 远程操控变频器展开相应动作， 在人为断开变频器频率给定控制线情况下， 变频器不会展开动作， 上位机显示信号为-10Hz。工作人员需要提前把全部上位机的输入量程和输入量程调节至4-20mA， 如果量程低于下限值， 自动采取小数切除方式， 显示信号为0。第二， 继电保护装置动作跳闸。变频器内电气参数的整定值设定不当， 在负载设备错误操作时， 变频器未动作情况下， 直接触发出线柜内继电保护装置， 致使变频器停止工作。工作人员对上位机联动控制逻辑机制进行优化调整， 增设故障跳闸联动停止程序。后续在供配电系统运行期间， 如果在控制柜内采集故障信号低于停止值， 立即触发停止逻辑， 预防继电保护装置动作跳闸。

3 结束语

综上所述， 为满足大型桥梁供配电需求， 彻底摆脱传统供配电技术局限性； 在桥梁工程建设期间， 应提高对中压供配电技术的重视， 明确技术价值， 树立正确技术应用思路， 全面掌握中压供配电技术在埋地变压器布置、 供电线路布置、 电力监控、 安全防护等诸多方面的实践应用方法， 结合工程情况制定切实可行的桥梁中压供配电技术方案。