大型桥梁的照明供配电设计分析

倪鼎成

（南京长江第三大桥有限责任公司，南京 211808）

大型桥梁工程有着供电距离长、用电负荷分散、照明种类多的电气特征，对照明系统供配电质量提出了严格要求，传统供配电系统已无法满足实际供电需求，限制了桥梁照明系统作用，并对桥梁工程总体建设质量及使用效果造成明显影响。在这一工程背景下，需对照明供配电设计体系优化，提升桥梁照明系统整体效能。

1 大型桥梁照明供配电方案

1.1 低压直接供电

低压直接供电系统从变电所低压配电柜内引出电源，电压等级为380 V，直接把引出电源稳定提供给桥梁沿途部署的照明负载设备。这类系统有着结构简单、易于实现、施工难度与设计难度低的优势，但有效供电距离较短，供电期间受到电缆阻抗等因素影响，容易出现线路压降现象，供电质量与可靠性略有不足，不适用于长度较大的大型桥梁工程。同时，早期部分桥梁工程采取低压直接供电方案，以增加电缆截面积作为调节供电回路末端压降的技术手段，使得低压直接供电系统具备长距离供电条件，但这会抬高工程造价成本，且经过电缆改造后的低压直接供电系统，仍旧无法满足5 km 以上距离的桥梁照明供电需求[1]。

1.2 升降压间接供电

升降压间接供电系统以升压/降压变压器作为核心设备，从外部市电或周边农网引入电源，率先通过升压变压器把380 V 三相电流经过升压处理后形成660 V 交流电，经过供电回路把电流输送到照明系统负载端，周边配备降压变压器，对660 V交流电进行降压处理后形成220 V 或380 V 交流电，最终向负载设备持续供电。根据实际应用情况来看，升降压间接供电系统的有效供电距离适中，多用于长度在5～10 km、负载容量在20 kVA～30 kVA区间的大型桥梁工程，存在电缆重复敷设、负载端必须维持三相平衡的局限性。

1.3 高压间接供电

高压间接供电的电源电压等级为10 kV，以变电所高压柜作为电源引出点，接引电源后把高压电流输送到桥梁现场照明负载设备集中分布区域，区域内配备变电箱等设备，把10 kV 高压电流经过降压处理后转换为380 V 三相交流电，再把交流电稳定提供给供电半径内的各台负载设备[2]。根据应用情况来看，高压间接供电系统和低压直接供电系统较为相似，均以380 V 作为供电回路末端电压等级，但高压间接供电系统有着供电能力强、有效传输距离远的优势，以及耐压等级要求严格、系统建设成本高昂、必须维持负载端三相平衡状态的局限性，当前逐渐被全新供配电技术所取代。

1.4 新能源离网供电

在桥梁周边搭设光伏发电系统或风力发电系统，持续把太阳能、风能等可再生能源转换为电能，通过逆变器转换电流后，输送给桥梁供配电系统，最终通过供电回路向末端照明负载设备稳定供电。新能源离网供电系统通过缩短供电距离来减少线损量，不会出现明显的电能损耗问题，全寿命周期内的发电效益足以覆盖新能源供电系统的总体使用成本。同时，此项供电系统有着发电效率稳定性差的局限性，设计人员需要采取输出功率控制措施，并根据桥梁工程现场气象条件，判断是否具备新能源离网供电技术的应用条件。

2 大型桥梁照明供配电系统的设计要点

2.1 变电站选址

确定照明供配电方式后，设计人员收集工程资料信息，根据供电需求、现场环境来确定变电站最佳选址。为控制线损量，需要采取分区供电方式，在桥梁两侧与沿途分散布置多座变电站，单座变电站作为供电中心，把供电半径控制在300 m或500 m以内，在各座变电站内接入供电半径内分布的各台照明负载设备，桥梁两侧路灯各形成一条供电回路，在计算公式内导入单灯功率、路灯数量、需用系数、灯具附件功耗系数来计算各条供电回路的负荷量。此外，设计人员还应重点考虑电压损失、线路保护灵敏性两项问题，从而确定最终的供电半径、变电站数量和部署方案。第一，电压损失，确定电缆型号规格，在计算公式内导入电压值、电阻值、感性阻抗值、线路敷设长度、有功负荷等多项数据，求解供电回路的电压损失率，对比计算结果和现行规范要求，如果实际电压损失超出允许范围，则需要适当缩小供电半径、减小相邻变电站间隔距离。第二，线路保护灵敏性，提前掌握供电回路功率值、单灯补偿前后功率因数、线路电流值等信息，开展仿真实验或在系统搭建完毕后进行调试检查，判断供电回路内断路器等继电保护装置在出现接地故障电流后是否在规定时间内展开保护动作。如果继电保护装置灵敏性不达标，则表明既定变电站布置方案缺乏可行性，设计人员需着手调整变电站布置位置和总体数量。正常情况下，在桥梁两侧各布置一个变电站，在桥面下方的桥梁主塔横梁等部位布置剩余变电站，以桥梁长度作为变电站数量计算依据。

2.2 配电线路设计

在配电线路设计环节，设计人员重点掌握负荷总量计算、线路铺设、智能控制、线路防护四方面的设计要点。第一，负荷总量计算，照明供配电系统的负载包括基本照明、加强照明、应急照明、景观照明以及广告牌照明。要求设计人员根据工程资料和已掌握信息，依次计算各类照明负载设备的实际用电负荷，再把全部照明负载的用电负荷总和作为供配电系统负荷总量，将其作为线路选型依据。同时，考虑到桥梁照明系统在工程投运使用期间并非一成不变，有可能出现增加照明灯具台数、更换照明光源等情况，还需要在负荷总量计算结果基础上，额外设置一定比例的冗余负荷。第二，线路铺设，采取埋地暗敷方式，提前在桥梁主体结构上预留孔洞与安装线槽，埋深值控制在0.7 m左右，在孔洞线槽内部放置保护套管，套管内穿入输电线路，线路敷设完毕后再对孔洞进行嵌填修补处理。考虑到桥梁照明供电线路负荷分散、长度大的特征，必须重点关注电压损失问题，在供电线路沿途安装电容补偿装置，或是酌情调整线路截面积，确保最末端照明设备的电压损失不超过5%[3]。第三，智能控制，早期照明供配电系统采取手动控制方式，系统在绝大多数时段处于恒定运行状态，与桥梁照明供电需求并不一致，产生不必要的电能浪费。因此，需要搭建智慧照明供配电系统，由智能控制方式取代落后的手动控制方式，系统结构由上下端电源柜、供电电缆、终端监控设备、通信线缆所组成，终端设备持续采集现场监测信号，掌握负载设备运行情况和回路供电情况，根据照明负载供电需求来自动调整供电方案，这有利于降低照明供配电系统实际耗电量。第四，线路防护，桥梁工程现场环境复杂，供电线路在使用期间的老化速度远超正常水准，桥梁投运使用一定年限后陆续出现线路绝缘失效等多项问题，形成安全隐患。因此，应额外采取线路防护措施，对线路进行防腐、防火处理，阻隔外部环境对线路造成的负面影响。

2.3 接地系统设计

桥梁照明供配电系统运行环境较为复杂，多数照明负载设备、部分线路及变压器等设备安装在室外区域，在系统运行期间，容易出现接地故障问题和遭受雷电流打击，形成安全隐患。因此，设计人员需要对照明供配电系统进行接地处理，严格遵循《大型桥梁防雷设计规范》（QX/T 330—2016）等现行规范，优先采取TT接地方式，把桥梁沿途各盏照明灯具均接入接地装置，选用镀锌角钢作为接地极，把接地系统的接地电阻值控制在10 Ω以内，并把其他金属导电体接入接地网，提供接地保护。同时，根据桥梁构造特点与供配电接地需求，分别编制面向桥梁下部结构、上部结构与主塔结构的供配电接地方案。第一，下部结构接地，在桥梁各处桥墩部位安装接地装置，以桩基结构筋作为接地极，把桩基竖向主筋焊接连接，并设置多根引下线，连接桩基与承台结构的接地极。第二，上部结构接地，以钢梁结构为例，在钢梁底部设置接地角钢，检修走道部位设置接地母排，通过金属连接线来连接接地母排、接地角钢，再把供配电系统内所有电气设备接入接地网，保持电气贯通状态。第三，主塔接地，以非预应力结构钢筋作为接地引上线，主塔结构设置水平均压环，塔柱处安装避雷针，把避雷针、金属构件和引上线进行连接处理[4]。

2.4 无功补偿设计

为始终维持高水准供电回路功率因数，避免供配电系统运行期间出现电压波动、线损量超标等问题。设计人员需要在系统内加装无功补偿装置，根据系统运行状况动态提供无功补偿，这有利于改善照明供电情况、减少实际耗电量。在无功补偿设计环节，重点掌握补偿方式、补偿容量计算两方面的设计要点。第一，补偿方式。照明供配电系统有着负荷分散特征，如果采取常规的集中补偿方式，势必会抬高工程造价成本和造成资源浪费。设计人员优先采取分散补偿方式，在电能损耗主要发生路段内分散布置若干数量的补偿点。同时，也可采取动态补偿方式，补偿装置持续采集现场监测信号、分析照明供配电系统能耗情况，根据分析结果来动态调整补偿方案。第二，补偿容量计算。设计人员提前明确供配电系统功率因数标准，根据既定设计方案来推演照明供配电系统运行情况，根据功率因数的实际值和预期要求来计算所需补偿容量。在多数大型桥梁工程，要求供配电功率因数不得低于0.9，在计算公式内导入有功负荷，补偿前后用电自然功率因数角正切值，求解补偿容量，将其作为无功补偿装置的选型设计依据。同时，为满足桥梁照明供配电系统改扩建需求，在补偿容量计算结果基础上，额外设置一定比例的冗余容量。

2.5 接地故障保护设计

在桥梁照明供配电系统运行期间，偶尔出现过电流、零序电流等接地故障，对供电质量、供电稳定性与照明负载设备使用寿命造成深远影响，这也是早期照明供配电系统的短板。对此，设计人员应着手建立接地故障保护机制，深入了解各项故障问题的客观发生规律，针对性制定故障保护方案。第一，过电流保护。在供电回路内加装断路器，重点控制断路器灵敏度，确保断路器可以在规定时间内迅速展开动作、切断电流。例如，采取TT接地形式时，要求故障电流电压降、保护器动作电流二者的乘积值不超过50。而在采取TN-S接地形式时，要求故障期间回路阻抗值、保护器动作电流二者的乘积值不超过相线对地标称电压值[5]。第二，零序电流保护。以断路器作为保护装置，提前根据已掌握信息来计算相线阻抗值、PE线阻抗值和接触阻抗值，把三者总和作为接地故障回路阻抗值，将其作为断路器选型依据，确保断路器可以准确识别普通电流、零序电流，从而判断是否出现三相负荷失衡故障，便于迅速展开保护动作。

2.6 备用电源设计

在早期桥梁工程，供配电系统从当地市电网或是农网引入一路或两路电源，照明供电可靠性受到外部电源明显影响，如果所接入电网出现供电中断故障，则会导致桥梁供配电系统与照明灯具陷入瘫痪，形成交通安全隐患。因此，为实现不间断供电目标，最大限度提高照明供电可靠性，设计人员需要在供配电系统内额外设置备用电源与配套投切装置。确定各处主电源供电异常后，应立即启动投切装置，由备用电源持续向照明负载设备供电。正常情况下，选用柴油发电机组作为照明供配电系统备用电源，选用由电磁型继电器构成的备用电源自动投入装置。在供配电系统运行期间，跟踪检测外接电源情况，发现异常状况后，断开电压回路与工作回路，延时一段时间后投入备用回路，由备用电源替代主电源持续供电。

3 结论

综上所述，为切实满足大型桥梁照明系统供电需求，向照明系统营造更加稳定且高效的运行环境，实现绿色供电目标。设计人员必须提高对大型桥梁照明供配电设计活动的重视，以工程情况和照明供电需求作为设计依据，选择恰当供电方式，掌握在变电站选址、配电线路设计、接地保护、无功补偿等方面的设计要点，为桥梁工程建设质量提供设计保障。