文｜中交第二公路勘察設計研究院有限公司 黃必輝 王恩師

1 項目概述

1.1 項目簡介

武漢市四環(huán)線沌口長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江的關鍵控制性工程之一。路線起點(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，跨長江，于石咀船廠上游約130m處上跨武金堤，經先生灣北側，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，經應家灣南側，路線穿越蘭家灣，從金家灣北側通過，在龔家鋪西南設龔家鋪K102+691.865與青鄭高速公路交叉（主線上跨）至本項目終點（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 主要技術標準

結合與之相連接的高速公路建設標準及工可報告確定的建設標準，按照交通部頒發(fā)實施的《公路工程技術標準》（JTGB01-2003）中關于擬建項目技術標準的有關原則，并結合沿線地形地貌等情況，本項目工程主要技術指標如下：

表2 各特征年路段交通量預測結果（路段區(qū)間交通量表） (單位：pcu/d)

表3 本項目各特征年車型比(%)

（1）設計速度：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）標準路基橫坡：2.5%。

（4）平縱指標：平曲線最小半徑2500m；最大縱坡1.656%。

（5）設計洪水頻率：特大橋為1/300，大、中橋及小橋涵和路基為1/100。

（6）橋涵設計荷載標準：公路-Ⅰ級。

（7）交通工程：全線交通工程及沿線設施等級按A級。

1.3 交通量分部及組成

根據項目交通功能分析，本項目是武漢市重要的貨運快速通道，分擔三環(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部發(fā)展過程中具有復合交通功能的快速通道；是主城區(qū)和新城組群對外進出和轉換的重要通道。本項目交通量預測結果見表2各特征年路段交通量預測結果（路段區(qū)間交通量表）。

交通方式結構方面，本項目的小、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)和經濟技術開發(fā)區(qū)，出入境貨運需求較大。車型比例構成見詳見表3。

針對本項目貨車占比較大的特點，項目總體設計中在不過多增加工程數量的前提下，適當提高路線平、縱指標，并保證路線線形的均衡、協(xié)調及連續(xù)，并根據《公路項目安全性評價指南》對全線進行運行速度計算及安全性評價。進一步研究重載貨車對路面、橋梁結構等的影響，認真貫徹“全壽命周期成本控制”的建設理念，提高公路自身的結構安全。

2 供配電方案

2.1 設計原則

本設計的供電系統(tǒng)遵循以下的設計原則：

（l）貫徹國家的技術經濟政策，積極而慎重地采用新理論、新技術、新材料、新設備、新工藝，使所選系統(tǒng)達到安全實用、質量可靠、經濟合理、技術先進的要求；

（2）結合國內、國際已建成高速公路的特點及相關標準，應滿足高速公路對機電系統(tǒng)安全性的要求；

（3）整個系統(tǒng)設計力求安全可靠、經濟，合理，方便安裝、管理，盡可能減少維護工作量；

（4）遠近結合，以近期為主，考慮遠期，做好預留，預埋以及今后擴容的需要。

2.2 本大橋供配電系統(tǒng)特點

本大橋的供配電有以下幾個特點：

1．根據本工程負荷的統(tǒng)計及其分配可以看出特大型跨江橋梁供配電系統(tǒng)屬于長距離分散性用電負荷，同時每天都必須根據用電的功能進行不同時間的開啟和關閉，這就要求供配電系統(tǒng)具備安全性高、可靠性好等特點。

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

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，設備容量會達到數千千伏安左右，可在白天只有幾百千伏安，負荷使用不平衡。

4．供配電系統(tǒng)照明類負荷操作較為頻繁，為節(jié)省運行電費，照明負荷一般白天關閉，夜間開啟，部分項目為進一步節(jié)能，照明還在夜間進行上、下半夜分時段調控，造成照明類電氣設備負荷開關頻繁操作，一方面很不安全，另一方面也縮短了電氣開關使用壽命。

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

2.3 供配電設備配置要求

根據大橋的特性要求供配電機電設備有以下特點：

1．安裝在外場主橋位置的機電設備必須結構緊湊、安裝方便；

2．在外場主橋機電設備須具備技術先進、安全防護等級高、使用壽命長、少維護及防盜等特點；

3．特大型橋梁主體結構工程壽命一般為100年，而機電設備使用年限基本不超過30年，因此應協(xié)調解決好兩者關系，要求機電設備易于更換。

2.4 負荷分級

按照國家標準規(guī)范，結合大橋用電設備負荷的具體情況，根據負荷重要性及其供電中斷后對政治、經濟影響的程度，對大橋各類供電負荷等級分為下列三類：

一類負荷設備：通信、監(jiān)控（包括大橋結構安全監(jiān)控系統(tǒng)）設備用電、航空障礙燈、航標燈、消防用電；

二類負荷：道路照明、結構內部照明、檢修動力（包括檢修電梯）、箱梁除濕設備、管理區(qū)內生活水泵、食堂用水等有關生活設施；

三類負荷：其他用電設備，包括景觀照明，辦公用電等生活設施。

2.5 外部電源情況

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

2.6 大橋的用電分析

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

本項目的道路照明用電量200kW，在引橋處共設設2臺80kVA的變壓器，在主塔處共設置2臺80kVA的變壓器為道路照明供電。

本項目的主橋用電約580kW，在3、4主塔共設置6臺125kVA的變壓器為主橋用電設備供電。其中主橋用電的設備包括初始風機、鋼箱梁照明、檢修、橋塔照明、檢修及檢修車用電、航空、航標燈等。

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

2.7 中壓供電方案比選

大橋沿線的用電設備分布距離長，采用中壓傳輸系統(tǒng)供電、低壓380／220 V饋電至用電設備。設計中對中壓傳輸系統(tǒng)方案進行了比選：

方案一：中壓傳輸系統(tǒng)采用10kV電壓等級。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埋地式變壓器。

方案二：中壓傳輸系統(tǒng)采用6kV電壓等級。由于本供電系統(tǒng)的供電電源為10kV，若采用6kV電壓等級，則需在徐家堡的10kV變配電站內設置兩臺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：

（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)少一個電壓等級，少一套6kV變配電裝置，配電系統(tǒng)網絡更加簡潔，變配電設備大為減少。

（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，效果越顯著。

（3）10kV／0.4kV的埋地式變壓器在國內許多工程中得到應用，效果良好。

方案二（6kV中壓）的優(yōu)勢：

（1）中壓電能傳輸系統(tǒng)采用6千伏電壓等級，其中性點采用直接接地方式，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，中性點直接接地的中壓電能傳輸系統(tǒng)的優(yōu)點基本上與配電網絡中的低電阻接地方式相同，即安全可靠性高、繼電保護實施簡單可靠和降低設備投資等優(yōu)點。

（2）中壓電能傳輸系統(tǒng)與供電部門電網隔離，是獨立的用戶側系統(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構，電網不易擴展，同時也不宜在10kV變壓器端直接頻繁操作控制，因此，系統(tǒng)結構僵硬，自動化性能一般。而中壓系統(tǒng)通過對配電電壓、設備的選擇，埋地變防水、防污染等密封性能突出，能避免江水、江風對設備的腐蝕并可以在中壓側直接操作控制，方法簡單，安全可靠，再通過對供配電回路的檢測與控制，能實現(xiàn)對全線用電設備的檢測與控制，大大提高了營運管理的自動化水平。另外，中壓系統(tǒng)投入運行后，擴展容易，二次投資費用低。因此，中壓方案在系統(tǒng)性能方面有更大的優(yōu)勢。

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

2.8 中壓供電方案

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

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，白天停止運行，晚間需要運行時再投入；一條為主橋、監(jiān)控用電，晝夜運行，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，在設置道路照明與監(jiān)控設施的變壓器的位置設置監(jiān)控與照明的低壓聯(lián)絡柜以確保監(jiān)控設備的供電可靠性的需求。

2.9 電力監(jiān)控設計

在徐家堡總配電所的電氣設備通過星形方式與站內通信管理機構成485現(xiàn)場總線監(jiān)控子網；

外場設備按照在設備相對集中的南北塔分為二個子網，每個子網連接到主干通信網絡上，主干網采用100M以太網。

每個子網通過光纖或屏蔽雙絞線的485總線的方式與主干通信網連接，監(jiān)控計算機與通信主干網構成監(jiān)控系統(tǒng)的上層部分。遠距離室外通信采用光纜，室內短距離通信采用屏蔽雙絞線。

對所有的高壓回路、低壓回路及變壓器的溫度進行實時監(jiān)控，在徐家堡監(jiān)控中心可實現(xiàn)對回路的遙控、遙測、遙調、遙信的“四遙”功能。

2.10 節(jié)能措施

供配電系統(tǒng)的設計中，設計從供電可靠性和節(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，將設備本身的電能損耗也降到最小。供配電系統(tǒng)設計中注意將配電中心靠近負荷中心，縮短低壓供電線路的長度，合理設計電纜線徑，達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)控用電是晝夜運行；景觀及道路照明白天不運行，夜間運行，其中景觀負荷長期斷開，需要時通過電力監(jiān)控開啟，以實現(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向雷以及滾雷對大橋的主橋和引橋建成的損壞，同時，還要防止雷電傳入到室內所產生的過電壓造成起火，損壞構筑物和燒毀用電設備、擊死、擊傷人員的情況。

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

（1）直擊雷的防護

利用塔體接地體作為接閃器來引導雷電流。整個防雷系統(tǒng)由接閃、分流、均壓、屏蔽和接地五項要素組成。由于大橋構筑物主塔采用鋼筋混凝土、橋身采用鋼結構，且主塔、斜拉索和橋身箱梁的體積較大，自身引雷能力強，同時也具有較強的耐雷擊能力，直擊雷防護應利用主體結構鋼筋與防雷要素構成協(xié)調統(tǒng)一的防雷結構，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，當雷電通過供配電裝置對大地放電時，帶來對供配電裝置以及人身安全的威脅，當雷擊沖擊波由三相同時侵入供配電裝置時，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下，同時由于電氣設備在操作過程中產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，當外電進入供配電系統(tǒng)前和在母線上裝置防雷設備，在所有電氣設備電源進線上亦裝過電壓保護設備，并有相應的良好的接地系統(tǒng)。

3 供配電設施運營期間的效果

沌口長江大橋于2017年12月28日建成通車，投入運營一年多來供電設施運營良好，無停電事故發(fā)生，為武漢市四環(huán)線沌口長江大橋的正常運營提供了可靠的電力保障。獲得運營單位的好評。

4 結束語

沌口長江公路大橋，是長江上“最寬”的橋梁，屬于品質工程。大橋的供配電設計應根據大橋的用電負荷分級，結合大橋的設備特點制定合理的供電方案，選擇適合橋梁特點的用電設備，以達到供電的安全、可靠、經濟的運營。希望通過該工程供配電設計，能給同行業(yè)的設計人員起到拋磚引玉的作用。