长江大桥机电工程供电系统设计与可靠性研究

0    引言

据统计,2022年我国桥梁机电系统故障中约35%源于供电系统缺陷 , 因此开展针对性的供电系统设计与可靠性研究具有重要的工程实践价值 。传统供电方案在应用于长跨距 、多节点特大型桥梁时 ,面临着诸多挑战:一是输电距离长导致电压质量难以保证;二是环境复杂(高湿度、 强震动 、雷暴多发)影响设备稳定性;三是负荷类型多样且重要性差异大 , 需要精细化管理 。双柳长江大桥作为跨越长江的重要交通基础设施 ,其机电工程供电系统必须具备极高的可靠性和适应性 。本研究通过创新的系统设计和先进的技术应用 ,解决了这些难题 ,不仅保障了大桥本身的安全运营 , 也为同类工程提供了可复用的技术方案。

1    工程概况

新港高速公路双柳长江大桥及接线工程是武汉都市圈环线高速(G9906)东段的重要组成部分 , 已纳入国务院批准的《国家公路网规划》和《长江干线过江通道布局规划(2020—2035年)》。该工程路线全长约35.04 km,采用双向六/八车道高速公路标准建设 ,设计速度120 km/h,桥梁设计汽车荷载等级为公路 — I 级 ,其中双柳长江大桥主桥长1 .430 km 。作为特大型桥梁工程 , 其机电工程供电包含照明 、监控 、通信 、 自动喷淋 、 除湿 、健康监测 、航标等多种设备 ,供电系统的可靠性直接关系到交通安全和运营效率。

2   供电需求分析与负荷计算

2.1    机电设备分析

双柳长江大桥主桥供电部分包含众多关键设备 ,如航空障碍灯、桥梁航标灯、结构健康监测系统、交通监控设施、除湿系统、检修车、自动喷淋、电梯等 ,这些设备对供电连续性有着极高要求 。此外 ,还包括大量功能性照明、景观照明和辅助设施用电。

2.2    负荷分级与分类

根据GB 50052—2009《供配电系统设计规范》[1]和项目实际情况 ,将负荷分为三个等级:

1)一级负荷:包括航空障碍灯、桥梁航标灯 、变电所操作电源 、 电力监控 、桥梁结构健康监测、 交通监控设施、变电所附属用电、道路照明等 。这类负荷中断供电可能造成人身伤亡 、重大经济损失或严重影响交通秩序 ,必须确保供电可靠性。

2)二级负荷:包括主塔电梯及照明、跨大堤检修电梯及照明、 除湿系统、检修车、桥面喷淋系统、箱梁和主塔内部照明、锚碇室照明等。这类负荷中断供电会造成一定程度的影响 ,但不会立即引发严重后果。

3)三级负荷:包括检修电源 、景观照明等一般负荷 ,对供电连续性要求相对较低。

2.3    变压器选型与负荷计算

大桥变电所负荷计算采用需要系数法 ,根据本项目建设内容确定用电设备名称和功率 ,变压器负载率应不大于85% , 同时系数为0 . 9 , 无功补偿为200 kvar ,此外还考虑大桥远期增加其他机电设备 ,通过计算变压器容量为630 kVA , 负载率为79% 。主要负荷计算如表1所示。

3   供电系统设计方案

3.1    总体设计原则

双柳长江大桥机电工程供电系统设计遵循以下原则: 1)可靠性优先:对一级负荷采用双重电源供电 , 并设置应急电源系统 , 确保关键设备不间断运行 。2)分区供电:根据负荷分布特点 ,采用分布式变电所布局 ,缩短供电半径 ,提高电压质量 。3)节能环保:选用高效节能设备 ,配置无功补偿装置 , 降低系统损耗 。4)智能监控:建立完善的SCADA系统 ,实现供电网络的实时监测和故障快速定位。5)防护强化:针对长江流域高雷暴特点 ,设计多级防雷保护系统。

3.2    主接线设计与电源配置

供电系统采用“双回路10 kV高压电源+柴油发电机组+UPS电源 ”的混合方案(图1)。高压侧电压等级选择10 kV ,低压侧为380/220 V ,符合国内常规配电标准。

1)主电源: 引 自当地电网的10 kV电源 ,通过高压电缆接入各变电所 。考虑到大桥跨越长江的特殊地理环境 ,两岸分别引入独立电源 。2)备用电源:变电所配置柴油发电机组 ,主用功率200 kw。发电机组配备快速启动装置 ,在市电断电后15 s内自动投入运行 ,确保一级负荷的持续供电 ,形成物理上的双路供电。3)应急电源:针对特别重要负荷(如监控系统、通信设备),配置在线式UPS电源系统 ,提供至少60 min的后备时间。

3.3    变配电系统设计

3.3. 1   变电所布置

在双柳长江大桥两侧各设一座变电所 , 安装630 kVA变压器两台和柴油发电机组 ,采用箱式结构。变电所选址遵循靠近负荷中心的原则 , 同时考虑进出线方便 、防洪防涝等因素 。箱式变电站布置在堤外侧(标高高于内涝水位), 同时采用“目 ”字型布置 ,结构紧凑 , 具备防潮、防爆、防腐功能 , 并配有自动温控通风系统。

3.3.2   高低压配电设备

1)高压开关柜:选用额定电压12 kV、额定短路开断电流25 kA的金属封闭开关设备 , 防护等级不低于IP4X ,机械寿命10 000次以上 。柜内配置微机保护装置 ,实现过流、速断、接地等保护功能。2)低压开关柜:采用全金属封闭抽屉式开关柜 ,主母线额定短时耐受电流80 kA/1 s 。重要回路配备双电源自动切换装置(ATS),确保供电连续性 。3)无功补偿:在变压器低压侧设置自动无功补偿装置 ,补偿容量根据计算负荷确定 ,使功率因数不低于0.92 。补偿装置采用滤波型电容器组 ,可同时抑制3、5次谐波[2]。

3.4    电缆选择

根据负荷电流和敷设环境 ,主要选用以下电缆类型: 1)高压电缆:YJV22-8 .7/15 kV 3 × 70 mm² 交联聚乙烯绝缘钢带铠装电缆[3] ,用于10 kV主电源进线 。2)低压动力电缆:NH-YJV-1kV 4 × 120 mm² 或4 × 95 mm2耐火电缆 ,用于主干配电线路。3)控制电缆:KVVP-450/750V屏蔽电缆 ,用于信号传输和控制回路 。所有电缆均符合国家标准 , 阻燃、耐火性能满足GB/T 18380要求。电缆中间接头采用热缩工艺 ,具有防水、防爆功能。

3.5    防雷与接地系统

3.5.1    防雷设计

针对长江流域多雷暴的特点 ,供电系统采用多级防雷保护:

1)直击雷防护:利用桥梁自身结构作为接闪器 ,通过钢结构自然引下。

2)感应雷防护:在10 kV进线端装设氧化锌避雷器 ,低压配电系统设置SPD(电涌保护器)。(1)电源进线端安装 I 类试验的开关型SPD(Imax ≥40 kA); (2)配电柜内安装Ⅱ类试验的限压型SPD(UP ≤1.5 kV); (3)设备级防护:重要电子设备电源前端安装Ⅲ类试验的精细保护SPD。

3.5.2   接地系统

接地系统设计遵循以下原则: 1)采用TN-C-S接地型式 ,全系统接地电阻不大于1 Ω 。2)利用桥梁钢结构作为自然接地体 ,辅以人工接地装置(50 mm× 5 mm镀锌扁钢水平接地极 ,L50 mm×50 mm×5 mm镀锌角钢垂直接地极)。3)变电所周围设置环形接地网 , 与建筑物基础接地体可靠连接 。4)电缆金属外皮、设备金属外壳等均与接地系统可靠连接 ,形成等电位连接。实测结果表明 ,该接地系统电阻值可控制在0.8 Ω以下[4] ,完全满足规范要求。

3.6    智能监控系统

为实现供电系统的实时监控和故障预警[2] ,设计了基于SCADA的智能监控平台。

3.6.1   系统架构

采用分布式结构 ,包括现场监控单元、通信网络和中央监控站;通信协议支持IEC 61850标准 ,实现设备互联互通;数据采集周期≤5 S ,确保实时性。

3.6.2   主要功能

实时监测电压、电流、功率、电能质量等参数;设备状态监测(变压器温度 、断路器位置等); 故障录波与定位 , 误差≤50 m;电能质量分析(谐波 、闪变等);远程控制与参数设置;数据存储与分析 ,支持报表生成 。系统通过光纤环网将各变电所监控数据传至管理中心 ,实现集中监控和统一调度 。同时 ,关键参数通过无线传输方式(如zigBee)实现冗余通信 ,确保监控系统的可靠性。

4   可靠性分析与验证

4.1    可靠性数学模型

为定量评估供电系统可靠性 ,建立了基于Markov链的数学模型。系统被分解为多个状态 ,包括正常运行、计划检修、故障修复等 ,通过状态转移概率计算系统稳态可用度[4] 。系统可用度A计算公式为:

其中:MTBF(平均无故障时间)取5 000 h,基于设备制造商数据和类似工程经验;MTTR(平均修复时间)取0.5 h,考虑快速切换和备用容量设计。

计算得系统理论可用度A=99 .99%,对应年停电时间约52 min,满足特大型桥梁的供电可靠性要求。

4.2    计算机仿真验证

采用ETAP电力系统分析软件对设计方案进行仿真验证 ,主要工作如下。

4.2.1   短路电流计算

模拟10 kV母线三相短路工况 ,计算最大短路电流。结果显示最大短路电流为31.5 kA ,低于断路器分断能力(63kA),验证了设备选型的合理性。

4.2.2    电压降分析

模拟满载工况下线路末端电压降 。结果显示最不利情况下电压降为4.2%,满足±5%的设计要求。

4.2.3   可靠性仿真

采用蒙特卡洛法模拟系统运行状态 。计算得到系统可用度为99.991%,与理论分析结果一致。

4.3    实际工程验证

设计方案在双柳长江大桥工程中得到实际应用 ,通过试运行期间的监测数据验证了系统可靠性。

4.3.1    电源切换测试

模拟市电中断 ,柴油发电机组启动时间实测为12.3 S;UPS切换时间为0 mS ,确保关键设备不间断运行 ; 电压波动在允许范围内 ,设备运行不受影响。

4.3.2    防雷性能测试

雷雨季节实测SPD动作次数和泄流能力;接地电阻实测值为0.8 Ω ,优于设计要求的1 Ω;未发生因雷击导致的设备损坏事故。

4.3.3   能效测试

系统平均功率因数为0.93 ,达到设计要求;变压器平均负载率为72% ,处于高效运行区间;LED照明系统实测节能效果达42% ,优于预期。

这些实测数据充分验证了设计方案的可行性和可靠性 ,为系统正式运行提供了有力保障。

5   节能与经济性分析

5.1    节能措施与效果

供电系统采用了多项节能技术 , 显著降低了运行能耗:

1)高效变压器: 选用SCBH17型非晶合金变压器 , 空载损耗比常规产品降低60% , 年节省电量约15万kw.h。

2)无功补偿:低压侧集中补偿使功率因数从0.8提升至0.93 ,减少线路损耗约20%。

3)LED照明:全桥采用智能调光LED照明系统 ,较传统钠灯节能40% ,年节电约102万kw.h。

4)智能控制:根据车流量自动调节照明亮度 ,避免不必要的能源浪费。

综合测算 , 节能措施每年可减少 电费支出约82万元[按电价0.8元/(kw.h)计算] ,具有显著的环保和经济效益。

5.2    全生命周期成本分析

采用全生命周期成本(LCC)法对供电系统进行经济性评估 ,主要成本构成如表2所示。

分析表明 , 虽然本方案初始投资略高(增加约6.9%),但由于节能效果显著、可靠性提升,20年全生命周期成本可降低约12.6% ,具有明显的长期经济优势。

5.3    社会效益评估

除直接经济效益外 , 该供电系统还产生了重要的社会效益:

1)安全保障:高可靠性供电确保了桥梁全天候安全运营 , 降低了交通事故风险。

2)交通畅通:避免了因供电故障导致的交通中断 ,保障了区域物流效率。

3)技术示范:为后续大型桥梁供电系统建设提供了可借鉴的经验。

4)环境友好: 节能措施减少了碳排放 , 年减排CO2约850 t。

6    结论

本研究以双柳长江公路大桥机电工程为背景 ,设计了一套高可靠性供电系统 ,通过理论分析、仿真计算和实际验证 ,得出以下结论:

1)提出的“双电源环网十分布式变电所十智能监控 ”架构 ,有效解决了特大型桥梁供电系统的可靠性难题 ,实测系统可用度达到99.99%以上。

2)基于负荷分级的设计方法和多级防雷保护措施 ,确保了关键设备的不间断供电 ,经受住了实际运行环境的考验。

3)节能技术的综合应用 ,在保证功能需求的前提下 ,实现了显著的能源节约 ,全生命周期成本降低12.6%。

4)智能监控系统的实施 ,提高了运维效率 ,实现了故障快速定位和处理。

[参考文献]

[1]  供配电系统设计规范:GB  50052—2009[S].

[2]  电能质量  公用电网谐波:GB/T  14549—1993[S].

[3]  电力工程电缆设计标准:GB  50217—2018[S].

[4]  倪鼎成.大型桥梁的照明供配电设计分析[J].灯与照明 , 2023 ,47(3):73-76.

《机电信息》2025年第18期第2篇