大型橋梁的照明供配電設計分析

倪鼎成

（南京長江第三大橋有限責任公司，南京 211808）

大型橋梁工程有著供電距離長、用電負荷分散、照明種類多的電氣特征，對照明系統供配電質量提出了嚴格要求，傳統供配電系統已無法滿足實際供電需求，限制了橋梁照明系統作用，并對橋梁工程總體建設質量及使用效果造成明顯影響。在這一工程背景下，需對照明供配電設計體系優化，提升橋梁照明系統整體效能。

1 大型橋梁照明供配電方案

1.1 低壓直接供電

低壓直接供電系統從變電所低壓配電柜內引出電源，電壓等級為380 V，直接把引出電源穩定提供給橋梁沿途部署的照明負載設備。這類系統有著結構簡單、易于實現、施工難度與設計難度低的優勢，但有效供電距離較短，供電期間受到電纜阻抗等因素影響，容易出現線路壓降現象，供電質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，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節供電回路末端壓降的技術手段，使得低壓直接供電系統具備長距離供電條件，但這會抬高工程造價成本，且經過電纜改造后的低壓直接供電系統，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以升壓/降壓變壓器作為核心設備，從外部市電或周邊農網引入電源，率先通過升壓變壓器把380 V 三相電流經過升壓處理后形成660 V 交流電，經過供電回路把電流輸送到照明系統負載端，周邊配備降壓變壓器，對660 V交流電進行降壓處理后形成220 V 或380 V 交流電，最終向負載設備持續供電。根據實際應用情況來看，升降壓間接供電系統的有效供電距離適中，多用于長度在5～10 km、負載容量在20 kVA～30 kVA區間的大型橋梁工程，存在電纜重復敷設、負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為10 kV，以變電所高壓柜作為電源引出點，接引電源后把高壓電流輸送到橋梁現場照明負載設備集中分布區域，區域內配備變電箱等設備，把10 kV 高壓電流經過降壓處理后轉換為380 V 三相交流電，再把交流電穩定提供給供電半徑內的各臺負載設備[2]。根據應用情況來看，高壓間接供電系統和低壓直接供電系統較為相似，均以380 V 作為供電回路末端電壓等級，但高壓間接供電系統有著供電能力強、有效傳輸距離遠的優勢，以及耐壓等級要求嚴格、系統建設成本高昂、必須維持負載端三相平衡狀態的局限性，當前逐漸被全新供配電技術所取代。

1.4 新能源離網供電

在橋梁周邊搭設光伏發電系統或風力發電系統，持續把太陽能、風能等可再生能源轉換為電能，通過逆變器轉換電流后，輸送給橋梁供配電系統，最終通過供電回路向末端照明負載設備穩定供電。新能源離網供電系統通過縮短供電距離來減少線損量，不會出現明顯的電能損耗問題，全壽命周期內的發電效益足以覆蓋新能源供電系統的總體使用成本。同時，此項供電系統有著發電效率穩定性差的局限性，設計人員需要采取輸出功率控制措施，并根據橋梁工程現場氣象條件，判斷是否具備新能源離網供電技術的應用條件。

2 大型橋梁照明供配電系統的設計要點

2.1 變電站選址

確定照明供配電方式后，設計人員收集工程資料信息，根據供電需求、現場環境來確定變電站最佳選址。為控制線損量，需要采取分區供電方式，在橋梁兩側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，在各座變電站內接入供電半徑內分布的各臺照明負載設備，橋梁兩側路燈各形成一條供電回路，在計算公式內導入單燈功率、路燈數量、需用系數、燈具附件功耗系數來計算各條供電回路的負荷量。此外，設計人員還應重點考慮電壓損失、線路保護靈敏性兩項問題，從而確定最終的供電半徑、變電站數量和部署方案。第一，電壓損失，確定電纜型號規格，在計算公式內導入電壓值、電阻值、感性阻抗值、線路敷設長度、有功負荷等多項數據，求解供電回路的電壓損失率，對比計算結果和現行規范要求，如果實際電壓損失超出允許范圍，則需要適當縮小供電半徑、減小相鄰變電站間隔距離。第二，線路保護靈敏性，提前掌握供電回路功率值、單燈補償前后功率因數、線路電流值等信息，開展仿真實驗或在系統搭建完畢后進行調試檢查，判斷供電回路內斷路器等繼電保護裝置在出現接地故障電流后是否在規定時間內展開保護動作。如果繼電保護裝置靈敏性不達標，則表明既定變電站布置方案缺乏可行性，設計人員需著手調整變電站布置位置和總體數量。正常情況下，在橋梁兩側各布置一個變電站，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量計算依據。

2.2 配電線路設計

在配電線路設計環節，設計人員重點掌握負荷總量計算、線路鋪設、智能控制、線路防護四方面的設計要點。第一，負荷總量計算，照明供配電系統的負載包括基本照明、加強照明、應急照明、景觀照明以及廣告牌照明。要求設計人員根據工程資料和已掌握信息，依次計算各類照明負載設備的實際用電負荷，再把全部照明負載的用電負荷總和作為供配電系統負荷總量，將其作為線路選型依據。同時，考慮到橋梁照明系統在工程投運使用期間并非一成不變，有可能出現增加照明燈具臺數、更換照明光源等情況，還需要在負荷總量計算結果基礎上，額外設置一定比例的冗余負荷。第二，線路鋪設，采取埋地暗敷方式，提前在橋梁主體結構上預留孔洞與安裝線槽，埋深值控制在0.7 m左右，在孔洞線槽內部放置保護套管，套管內穿入輸電線路，線路敷設完畢后再對孔洞進行嵌填修補處理。考慮到橋梁照明供電線路負荷分散、長度大的特征，必須重點關注電壓損失問題，在供電線路沿途安裝電容補償裝置，或是酌情調整線路截面積，確保最末端照明設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采取手動控制方式，系統在絕大多數時段處于恒定運行狀態，與橋梁照明供電需求并不一致，產生不必要的電能浪費。因此，需要搭建智慧照明供配電系統，由智能控制方式取代落后的手動控制方式，系統結構由上下端電源柜、供電電纜、終端監控設備、通信線纜所組成，終端設備持續采集現場監測信號，掌握負載設備運行情況和回路供電情況，根據照明負載供電需求來自動調整供電方案，這有利于降低照明供配電系統實際耗電量。第四，線路防護，橋梁工程現場環境復雜，供電線路在使用期間的老化速度遠超正常水準，橋梁投運使用一定年限后陸續出現線路絕緣失效等多項問題，形成安全隱患。因此，應額外采取線路防護措施，對線路進行防腐、防火處理，阻隔外部環境對線路造成的負面影響。

2.3 接地系統設計

橋梁照明供配電系統運行環境較為復雜，多數照明負載設備、部分線路及變壓器等設備安裝在室外區域，在系統運行期間，容易出現接地故障問題和遭受雷電流打擊，形成安全隱患。因此，設計人員需要對照明供配電系統進行接地處理，嚴格遵循《大型橋梁防雷設計規范》（QX/T 330—2016）等現行規范，優先采取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，把接地系統的接地電阻值控制在10 Ω以內，并把其他金屬導電體接入接地網，提供接地保護。同時，根據橋梁構造特點與供配電接地需求，分別編制面向橋梁下部結構、上部結構與主塔結構的供配電接地方案。第一，下部結構接地，在橋梁各處橋墩部位安裝接地裝置，以樁基結構筋作為接地極，把樁基豎向主筋焊接連接，并設置多根引下線，連接樁基與承臺結構的接地極。第二，上部結構接地，以鋼梁結構為例，在鋼梁底部設置接地角鋼，檢修走道部位設置接地母排，通過金屬連接線來連接接地母排、接地角鋼，再把供配電系統內所有電氣設備接入接地網，保持電氣貫通狀態。第三，主塔接地，以非預應力結構鋼筋作為接地引上線，主塔結構設置水平均壓環，塔柱處安裝避雷針，把避雷針、金屬構件和引上線進行連接處理[4]。

2.4 無功補償設計

為始終維持高水準供電回路功率因數，避免供配電系統運行期間出現電壓波動、線損量超標等問題。設計人員需要在系統內加裝無功補償裝置，根據系統運行狀況動態提供無功補償，這有利于改善照明供電情況、減少實際耗電量。在無功補償設計環節，重點掌握補償方式、補償容量計算兩方面的設計要點。第一，補償方式。照明供配電系統有著負荷分散特征，如果采取常規的集中補償方式，勢必會抬高工程造價成本和造成資源浪費。設計人員優先采取分散補償方式，在電能損耗主要發生路段內分散布置若干數量的補償點。同時，也可采取動態補償方式，補償裝置持續采集現場監測信號、分析照明供配電系統能耗情況，根據分析結果來動態調整補償方案。第二，補償容量計算。設計人員提前明確供配電系統功率因數標準，根據既定設計方案來推演照明供配電系統運行情況，根據功率因數的實際值和預期要求來計算所需補償容量。在多數大型橋梁工程，要求供配電功率因數不得低于0.9，在計算公式內導入有功負荷，補償前后用電自然功率因數角正切值，求解補償容量，將其作為無功補償裝置的選型設計依據。同時，為滿足橋梁照明供配電系統改擴建需求，在補償容量計算結果基礎上，額外設置一定比例的冗余容量。

2.5 接地故障保護設計

在橋梁照明供配電系統運行期間，偶爾出現過電流、零序電流等接地故障，對供電質量、供電穩定性與照明負載設備使用壽命造成深遠影響，這也是早期照明供配電系統的短板。對此，設計人員應著手建立接地故障保護機制，深入了解各項故障問題的客觀發生規律，針對性制定故障保護方案。第一，過電流保護。在供電回路內加裝斷路器，重點控制斷路器靈敏度，確保斷路器可以在規定時間內迅速展開動作、切斷電流。例如，采取TT接地形式時，要求故障電流電壓降、保護器動作電流二者的乘積值不超過50。而在采取TN-S接地形式時，要求故障期間回路阻抗值、保護器動作電流二者的乘積值不超過相線對地標稱電壓值[5]。第二，零序電流保護。以斷路器作為保護裝置，提前根據已掌握信息來計算相線阻抗值、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，確保斷路器可以準確識別普通電流、零序電流，從而判斷是否出現三相負荷失衡故障，便于迅速展開保護動作。

2.6 備用電源設計

在早期橋梁工程，供配電系統從當地市電網或是農網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，如果所接入電網出現供電中斷故障，則會導致橋梁供配電系統與照明燈具陷入癱瘓，形成交通安全隱患。因此，為實現不間斷供電目標，最大限度提高照明供電可靠性，設計人員需要在供配電系統內額外設置備用電源與配套投切裝置。確定各處主電源供電異常后，應立即啟動投切裝置，由備用電源持續向照明負載設備供電。正常情況下，選用柴油發電機組作為照明供配電系統備用電源，選用由電磁型繼電器構成的備用電源自動投入裝置。在供配電系統運行期間，跟蹤檢測外接電源情況，發現異常狀況后，斷開電壓回路與工作回路，延時一段時間后投入備用回路，由備用電源替代主電源持續供電。

3 結論

綜上所述，為切實滿足大型橋梁照明系統供電需求，向照明系統營造更加穩定且高效的運行環境，實現綠色供電目標。設計人員必須提高對大型橋梁照明供配電設計活動的重視，以工程情況和照明供電需求作為設計依據，選擇恰當供電方式，掌握在變電站選址、配電線路設計、接地保護、無功補償等方面的設計要點，為橋梁工程建設質量提供設計保障。