淺析大橋高速供電系統改造升級模式

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【關鍵詞】高速公路；供電；改造

引言

作為機電系統的“主動脈”，高速公路供電系統是監控、通信、收費業務能夠穩定運行的保障，保證了所有設備的供電和正常運轉。因此，針對老舊供電系統的改造升級，應該兼顧“設計可靠性、技術安全性、技術先進性、經濟合理性”四大原則，綜合考慮地理位置及沿線電網分布特點，統籌全面地進行規劃和設計。

1虎門大橋高速及其供電系統現狀

虎門大橋高速全長11.16km，全線大中橋梁共長6011.5m，有單向隧道3座，互通立交兩處。作為高速公路，設計標準為雙向六車道，車速120km/h，最大日通車能力為120000輛。項目連接了珠江東岸和珠江西岸，作為廣東省東、西翼的重要交通樞紐，它貫穿了深圳、珠海、香港、澳門，是粵港澳大灣區的交通咽喉。虎門大橋自建成以來，東莞、深圳及粵東地區到珠海、中山粵西地區無須像以前一樣繞道，行車里程縮短120km，它的存在對大灣區的騰飛和全省經濟的全面發展有十分重要的戰略意義。自1997年通車以來，虎門大橋高速已經經過了20余年的運行，從供電設備的角度來看，已經大幅超過了產品的設計壽命。另一方面，隨著供電產品的更新換代與逐步升級，原有供電系統的設計理念和設備功能等已經不能滿足項目的實際使用需要，所以對虎門大橋高速的供電系統進行整體的改造升級勢在必行。

2供電系統改造升級模式研究

2.1痛點分析及問題解決

改造升級工程的首要任務是對高速公路供電系統的現狀進行深度摸查，整體分析，發現痛點并合理規劃，統籌解決。痛點一：現狀供電系統的可靠性過低。本項目為高速公路，各類設施非常復雜，不但有特大橋，還有隧道及各類沿線外場設施，但全線用電點僅從同一單回路10kV引入，而非目前主流的“逢點設站，各點獨立”供電模式。本項目單線10kV供電方式中各用電點為串聯結構，供電可靠性非常低，一旦上級或者上游市電部分出現故障或者開關元件動作，則下級或下游所有用電點均無法實現正常供電，在實際運營中，經常出現虎門大橋公用電纜分接箱處開關元件動作導致全線停電的情況，造成業務停擺，大規模堵車。解決思路一：全線從供電源頭處引入第二路10kV回路，即從10kV虎門大橋公用電纜分接箱這一重要節點處引入另一路10kV回路以增加全線供電可靠性。與此同時，在各供電點再分別單獨引入10kV回路，各點單獨進線，不再相互串聯。此方案可完全解決虎門大橋供電系統“牽一發而動全身，上級斷電，下級全斷電”的現狀，但該方案投資很大，停電施工時間很長，經濟性較差。此外，周邊10kV線路大概率可能引自同一上級配電站，很容易出現“假雙回路”情況，即兩路10kV同時停電的故障。解決思路二：全線沿用目前的供電結構保持不變，將項目經費用在增強目前老舊設備的可靠性上，通過完善上下級設備之間的供電、故障配合，提高供電系統的整體供電可靠性。此方案可基本上解決虎門大橋供電系統故障多，故障點不易排查的問題，且方案經濟性較好，施工停電的時間很短。另一方面，相比其他如全線中壓供電[1]改造等，該方案也可完美兼容日后10kV雙回路方案的實施可行性，即便遠期引入第二條10kV回路，也可以避免重復投資。綜上所述，在供電模式改造升級的宏觀層面，最優解為對各供電節點進行可靠性提升[2]，即解決思路二，同時預留遠期雙電源10kV線路接入的可能性和條件[3]。痛點二：現狀虎門大橋供電系統的開關設備配合效果不佳。目前，項目高壓10kV供電模式是由上級斷路器柜，下級電纜分支箱加互成環網的負荷開關柜組成，下端出現的故障易上傳，引起上端10kV虎門大橋分界斷路器柜保護動作，造成全線停電。目前新建項目對較大用電點普遍使用10kV斷路器柜以提高用電可靠性，這主要是因為從故障保護角度，負荷開關與斷路器有很大的區別。開斷關合負荷電流是負荷開關的主要功能，制造成本不高，滅弧功能相對較弱是其主要特點，所以負荷開關常與高壓熔斷器一同使用來替代成本較高的斷路器以切斷短路電流，且大多數負荷開關是手動操作，無法電動操作。而斷路器不但能處理負荷電流，還具備切斷故障后短路電流的能力，配備保護裝置及自動裝置連接，具備手動和電動的合、分閘功能。所以本項目的負荷開關柜系統在下端產生故障電流后，無法在本級處理，只能直接通過負荷開關柜上傳故障，造成上端動作，引起全線故障。解決思路：將本項目的負荷開關柜從上游節點至下游節點逐步調整、更換為斷路器柜，利用斷路器柜的故障電流濾除能力，將本級故障本級解決和固定，避免故障上傳到上一級設備，增強整個供電系統的可靠性。痛點三：供電線路運營狀況不良，本項目的東岸隧道支線高壓進線是架空敷設，由于本項目所處地區位于沿海，海風大，空氣中的鹽霧對架空線纜的腐蝕較強，導致架空線纜的可靠性大大降低，成為全線運營安全的隱患。解決思路：將不適宜在沿海使用的架空電纜更換為鎧裝電纜埋地敷設，確保供電可靠性。痛點四：部分供電設備老化、超負荷、超設計年限運轉。解決思路：更換設備，更換常年運轉的變壓器和低壓柜，確保供電可靠性。針對柴油發電機等設備，加強保養。痛點五：供電設備無法在管理中心遠程監控[4]。解決思路：增設電力監控系統，配合本項目的其他提升措施，對改造后的故障分析，故障解決具有提高時效性、提高管理養護水平具有重要作用。具體方式是在本工程各用電點設置電力監控系統工作站，實現在管理中心對變電所電力設備進行監視、測量、報警、通信、記錄等多種功能。電力監控系統是一種開放式、網絡化、單元化、可擴展的監控管理系統，由管理工作站、軟件管理平臺、傳輸用光端機、通信管理機、終端儀表等組成，各場區終端儀表經通信管理機接入就近交換機，經通信系統接入管理中心電力監控工作站。在設備端，電力監測終端儀表負責采集各種數據，包括U、I、P、Q、KWH、KVARH、KVAH及各開關狀態等。此部分信號和變壓器溫度控制器數據、UPS狀態數據、ATS開關狀態數據、電容器自動投切裝置數據、發電機智能管理裝置數據等第三方智能設備通過通信處理機匯總后由通信系統傳至中心。改造升級完成后，高速公路養護工作人員可以在管理中心直接查看全線變電所各設備和各饋電回路的工作狀態，能夠大大提高各類故障的發現和處理能力。

2.2具體改造方案

虎門大橋供電系統的改造升級共分為四個主要部分：將重要節點高壓負荷開關柜改造為斷路器柜；全線重要設備更換，主要為變壓器及部分低壓柜；架空電纜線路改為鎧裝電纜埋地敷設；全線增設電力監控設施。改造過程中需要斷電施工，故需要考慮臨時施工方案，保證施工期間有充足的備用電源為收費系統、監控系統、通信系統等負荷供電，保證高速公路各主要業務的正常開展。改造升級施工開始前，在變電所附近設置1臺臨時低壓配電柜為施工時的重要負荷供電，其電源來自2臺移動式柴油發電機車，敷設好臨時配電箱供電電纜及配電電纜，臨時配電箱和臨時電纜的作用是在施工斷電過程中，利用備用電源為重要負荷進行供電，保證高速公路收費及監控通信系統的正常運行。準備工作基本完成后，將擬更換設備及其附件安裝到位并進行簡單調試。施工期間斷開變電所總進線，切換至“發電機—臨時配電柜”臨時系統供電，對舊設備進行拆除并對新設備進行系統調試。調試完畢后方可切換至永久供電系統供電。以上工作完成后，拆除臨時供電設備，完善改造升級所需的驗收準備工作（含相應的驗收、附件準備、全新的掛圖、防靜電油漆修復等所有供電部門要求的附件設施），本項目供電系統的改造升級基本完成。

3結語

供電系統在高速公路沿線設施中起到的重要作用不言而喻。目前，很多運行多年的高速公路都面臨著原有設計思路老舊，設備可靠性差，故障多且不易排查的實際情況，大大增加了高速公路養護人員的工作難度。本文從實際出發，結合虎門大橋高速的實際情況，總結出一套針對單回路串聯供電模式的改造升級方法，即“故障本級處理不上傳，沿海架空電纜改埋地，重要設備按需換新，增設電力監控實施掌握運行狀態”，從供電系統的宏觀層面和設備層面分別解決實際問題，注重系統各級之間的配合，用較少的投資成本獲得了較高的改造升級收益，可用于相同類型的改造升級項目。另一方面，本文也從施工角度，對臨時供電方案進行了簡要闡述，便于需要確保一部分一二類負荷正常用電的改造升級工程參考借鑒。

參考文獻

[1]張朝，李鶴.高速公路遠距離供電系統[J].中國交通信息化，2018（12）：129-130，142.

[2]廖景懷.高速公路隧道供配電系統設計中存在的問題[J].電子技術與軟件工程，2017（15）：240.

[3]郭慧敏，史志宏.高速公路供電系統電源選擇方案探討[J].太原城市職業技術學院學報，2012（2）：164-165.

[4]佟忠正，孫旸子.電力信息化監控平臺智能評價模型構建[J].自動化與儀器儀表，2020（10）：187-190.

作者：楊楓 單位：廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司