浅析大桥高速供电系统改造升级模式

【关键词】高速公路；供电；改造

引言

作为机电系统的“主动脉”，高速公路供电系统是监控、通信、收费业务能够稳定运行的保障，保证了所有设备的供电和正常运转。因此，针对老旧供电系统的改造升级，应该兼顾“设计可靠性、技术安全性、技术先进性、经济合理性”四大原则，综合考虑地理位置及沿线电网分布特点，统筹全面地进行规划和设计。

1虎门大桥高速及其供电系统现状

虎门大桥高速全长11.16km，全线大中桥梁共长6011.5m，有单向隧道3座，互通立交两处。作为高速公路，设计标准为双向六车道，车速120km/h，最大日通车能力为120000辆。项目连接了珠江东岸和珠江西岸，作为广东省东、西翼的重要交通枢纽，它贯穿了深圳、珠海、香港、澳门，是粤港澳大湾区的交通咽喉。虎门大桥自建成以来，东莞、深圳及粤东地区到珠海、中山粤西地区无须像以前一样绕道，行车里程缩短120km，它的存在对大湾区的腾飞和全省经济的全面发展有十分重要的战略意义。自1997年通车以来，虎门大桥高速已经经过了20余年的运行，从供电设备的角度来看，已经大幅超过了产品的设计寿命。另一方面，随着供电产品的更新换代与逐步升级，原有供电系统的设计理念和设备功能等已经不能满足项目的实际使用需要，所以对虎门大桥高速的供电系统进行整体的改造升级势在必行。

2供电系统改造升级模式研究

2.1痛点分析及问题解决

改造升级工程的首要任务是对高速公路供电系统的现状进行深度摸查，整体分析，发现痛点并合理规划，统筹解决。痛点一：现状供电系统的可靠性过低。本项目为高速公路，各类设施非常复杂，不但有特大桥，还有隧道及各类沿线外场设施，但全线用电点仅从同一单回路10kV引入，而非目前主流的“逢点设站，各点独立”供电模式。本项目单线10kV供电方式中各用电点为串联结构，供电可靠性非常低，一旦上级或者上游市电部分出现故障或者开关元件动作，则下级或下游所有用电点均无法实现正常供电，在实际运营中，经常出现虎门大桥公用电缆分接箱处开关元件动作导致全线停电的情况，造成业务停摆，大规模堵车。解决思路一：全线从供电源头处引入第二路10kV回路，即从10kV虎门大桥公用电缆分接箱这一重要节点处引入另一路10kV回路以增加全线供电可靠性。与此同时，在各供电点再分别单独引入10kV回路，各点单独进线，不再相互串联。此方案可完全解决虎门大桥供电系统“牵一发而动全身，上级断电，下级全断电”的现状，但该方案投资很大，停电施工时间很长，经济性较差。此外，周边10kV线路大概率可能引自同一上级配电站，很容易出现“假双回路”情况，即两路10kV同时停电的故障。解决思路二：全线沿用目前的供电结构保持不变，将项目经费用在增强目前老旧设备的可靠性上，通过完善上下级设备之间的供电、故障配合，提高供电系统的整体供电可靠性。此方案可基本上解决虎门大桥供电系统故障多，故障点不易排查的问题，且方案经济性较好，施工停电的时间很短。另一方面，相比其他如全线中压供电[1]改造等，该方案也可完美兼容日后10kV双回路方案的实施可行性，即便远期引入第二条10kV回路，也可以避免重复投资。综上所述，在供电模式改造升级的宏观层面，最优解为对各供电节点进行可靠性提升[2]，即解决思路二，同时预留远期双电源10kV线路接入的可能性和条件[3]。痛点二：现状虎门大桥供电系统的开关设备配合效果不佳。目前，项目高压10kV供电模式是由上级断路器柜，下级电缆分支箱加互成环网的负荷开关柜组成，下端出现的故障易上传，引起上端10kV虎门大桥分界断路器柜保护动作，造成全线停电。目前新建项目对较大用电点普遍使用10kV断路器柜以提高用电可靠性，这主要是因为从故障保护角度，负荷开关与断路器有很大的区别。开断关合负荷电流是负荷开关的主要功能，制造成本不高，灭弧功能相对较弱是其主要特点，所以负荷开关常与高压熔断器一同使用来替代成本较高的断路器以切断短路电流，且大多数负荷开关是手动操作，无法电动操作。而断路器不但能处理负荷电流，还具备切断故障后短路电流的能力，配备保护装置及自动装置连接，具备手动和电动的合、分闸功能。所以本项目的负荷开关柜系统在下端产生故障电流后，无法在本级处理，只能直接通过负荷开关柜上传故障，造成上端动作，引起全线故障。解决思路：将本项目的负荷开关柜从上游节点至下游节点逐步调整、更换为断路器柜，利用断路器柜的故障电流滤除能力，将本级故障本级解决和固定，避免故障上传到上一级设备，增强整个供电系统的可靠性。痛点三：供电线路运营状况不良，本项目的东岸隧道支线高压进线是架空敷设，由于本项目所处地区位于沿海，海风大，空气中的盐雾对架空线缆的腐蚀较强，导致架空线缆的可靠性大大降低，成为全线运营安全的隐患。解决思路：将不适宜在沿海使用的架空电缆更换为铠装电缆埋地敷设，确保供电可靠性。痛点四：部分供电设备老化、超负荷、超设计年限运转。解决思路：更换设备，更换常年运转的变压器和低压柜，确保供电可靠性。针对柴油发电机等设备，加强保养。痛点五：供电设备无法在管理中心远程监控[4]。解决思路：增设电力监控系统，配合本项目的其他提升措施，对改造后的故障分析，故障解决具有提高时效性、提高管理养护水平具有重要作用。具体方式是在本工程各用电点设置电力监控系统工作站，实现在管理中心对变电所电力设备进行监视、测量、报警、通信、记录等多种功能。电力监控系统是一种开放式、网络化、单元化、可扩展的监控管理系统，由管理工作站、软件管理平台、传输用光端机、通信管理机、终端仪表等组成，各场区终端仪表经通信管理机接入就近交换机，经通信系统接入管理中心电力监控工作站。在设备端，电力监测终端仪表负责采集各种数据，包括U、I、P、Q、KWH、KVARH、KVAH及各开关状态等。此部分信号和变压器温度控制器数据、UPS状态数据、ATS开关状态数据、电容器自动投切装置数据、发电机智能管理装置数据等第三方智能设备通过通信处理机汇总后由通信系统传至中心。改造升级完成后，高速公路养护工作人员可以在管理中心直接查看全线变电所各设备和各馈电回路的工作状态，能够大大提高各类故障的发现和处理能力。

2.2具体改造方案

虎门大桥供电系统的改造升级共分为四个主要部分：将重要节点高压负荷开关柜改造为断路器柜；全线重要设备更换，主要为变压器及部分低压柜；架空电缆线路改为铠装电缆埋地敷设；全线增设电力监控设施。改造过程中需要断电施工，故需要考虑临时施工方案，保证施工期间有充足的备用电源为收费系统、监控系统、通信系统等负荷供电，保证高速公路各主要业务的正常开展。改造升级施工开始前，在变电所附近设置1台临时低压配电柜为施工时的重要负荷供电，其电源来自2台移动式柴油发电机车，敷设好临时配电箱供电电缆及配电电缆，临时配电箱和临时电缆的作用是在施工断电过程中，利用备用电源为重要负荷进行供电，保证高速公路收费及监控通信系统的正常运行。准备工作基本完成后，将拟更换设备及其附件安装到位并进行简单调试。施工期间断开变电所总进线，切换至“发电机—临时配电柜”临时系统供电，对旧设备进行拆除并对新设备进行系统调试。调试完毕后方可切换至永久供电系统供电。以上工作完成后，拆除临时供电设备，完善改造升级所需的验收准备工作（含相应的验收、附件准备、全新的挂图、防静电油漆修复等所有供电部门要求的附件设施），本项目供电系统的改造升级基本完成。

3结语

供电系统在高速公路沿线设施中起到的重要作用不言而喻。目前，很多运行多年的高速公路都面临着原有设计思路老旧，设备可靠性差，故障多且不易排查的实际情况，大大增加了高速公路养护人员的工作难度。本文从实际出发，结合虎门大桥高速的实际情况，总结出一套针对单回路串联供电模式的改造升级方法，即“故障本级处理不上传，沿海架空电缆改埋地，重要设备按需换新，增设电力监控实施掌握运行状态”，从供电系统的宏观层面和设备层面分别解决实际问题，注重系统各级之间的配合，用较少的投资成本获得了较高的改造升级收益，可用于相同类型的改造升级项目。另一方面，本文也从施工角度，对临时供电方案进行了简要阐述，便于需要确保一部分一二类负荷正常用电的改造升级工程参考借鉴。

参考文献

[1]张朝，李鹤.高速公路远距离供电系统[J].中国交通信息化，2018（12）：129-130，142.

[2]廖景怀.高速公路隧道供配电系统设计中存在的问题[J].电子技术与软件工程，2017（15）：240.

[3]郭慧敏，史志宏.高速公路供电系统电源选择方案探讨[J].太原城市职业技术学院学报，2012（2）：164-165.

[4]佟忠正，孙旸子.电力信息化监控平台智能评价模型构建[J].自动化与仪器仪表，2020（10）：187-190.

作者：杨枫 单位：广东省交通规划设计研究院股份有限公司