交通隧道遠程變頻通風技術研究*

邢榮軍，徐 湃, 蔣樹屏，陳 豪

(1.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；2.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067)

交通隧道遠程變頻通風技術研究*

邢榮軍1，徐 湃1, 蔣樹屏2，陳 豪2

(1.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；2.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067)

交通隧道通風的主要作用是以最小的能耗達到隧道運營的安全衛生標準，并且保持風機壽命的最大化。通過分析變頻調速技術的電能消耗理論與節能原理，從該技術存在問題入手，詳細研究了存在問題的本質，提出了遠程變頻通風節能的新技術。試驗分別驗證了國產某兩種品牌變頻器加裝濾波裝置驅動射流風機，結果表明：濾波裝置抑制過電壓和波形整形效果明顯。在變頻器輸出端加裝濾波裝置可使變頻器長距離在任意頻率下驅動射流風機，從而達到隧道風機節能、可靠、平穩地運行，不但降低了噪聲和振動，還延長了風機的使用壽命。最后，通過1∶1實體隧道試驗，驗證了該技術的可行性。

隧道工程；遠程變頻；通風節能；濾波；實體試驗

我國的公路隧道事業在進入21世紀的10年來，逐漸穿越崇山峻嶺，向離岸深水區延伸[1]。經過十多年大規模的建設，隧道運營管理的任務變得十分艱巨，其節能問題也越發突出[2-5]。研究既能夠保障行車安全，又可以降低隧道運營費用，特別是降低高速公路隧道通風運營費用的運營策略，成為眾多專家、科研人員和高速公路建設與管理人員亟待解決的技術難題。

變頻調速技術的應用，為解決這一問題提供了有效的方法。變頻調速技術能夠保證隧道通風系統運行的平穩性、可靠性和節能性。在降低運行噪聲和振動，減少通風設備機械沖擊的同時，又延長了通風設備的使用壽命。

近年來相關學者開始嘗試將變頻調速技術應用在公路隧道領域。趙忠杰等[6]在隧道通風控制中應用變頻調速技術，實現了通風設備的變頻無級調速和軟啟動；結果表明：變頻調速技術在公路隧道通風設備中具有較高的適用性[7-8]。劉春成等[9]結合公路隧道通風風阻特性曲線和風機特性，分析了變頻調速技術節能的基本原理，并討論了其應用的可行性。相關學者雖然嘗試將變頻器應用于隧道通風中，但在實際隧道中卻少有應用。究其原因，變頻器很難長期在隧道內惡劣的環境中穩定運行。考慮將變頻器置于隧道外的配電室中，由于驅動電纜過長，將對風機電機和電纜造成損壞，嚴重時可能擊穿風機內部絕緣層和電纜爆裂。

因此，筆者針對隧道中應用變頻調速技術存在的問題及解決方法進行了研究，以達到通風控制的無級調速，高效、節能的目的。

1 隧道變頻通風原理及存在的問題

1.1 基本原理

變頻調速技術相比傳統的臺數控制方式，具有如下優點：① 可使得電機進行連續調速，并且操作者可選擇最佳運行速度；② 電機啟動電流小，不會對電機的絕緣層造成損傷，因而可增加設備的使用壽命，低速運轉時還可定轉矩輸出；③ 運行的最高速度不受電源因素的影響，即最大工作輸出能力不會受到電源頻率及諧波等因素的影響。

在各種變頻調速技術中，變壓變頻調速技術由于其具有性能好、效率高等特點，因而應用十分廣泛。同時調節電機定子通過電流的頻率和電壓，是變壓變頻調速技術的關鍵調節形式。其在轉差功率不變的情況下，機械性能又能得到平行的移動，因而成為當前交流調速技術主要的發展方向。輸入電源頻率和電機轉速的關系可用式(1)表示：

(1)

式中：f為輸入電源頻率，Hz；s為轉差率；p為電極對數；n為電機的轉速，r/min；n0為電機同步轉速；Δn為電機的實際轉速和同步轉速之差。

由上述原理可知：只要平滑的改變輸入電機定子繞組電流的頻率f，就可使得電機的轉子轉速n得到平滑的調節。

由電機學和流體力學原理出發，可得出風機運行工況參數與輸入電流頻率之間的關系如式(2)：

(2)

式中：Q為風機風量，H為風機風壓，P為風機功率，f為輸入電源頻率。

風機產生的風量與輸入電流的頻率成正比，風壓與輸入電源頻率的平方成正比，風機消耗的功率與輸入電源頻率的立方成正比。通過變頻技術改變風量，當風量為80%時，功率為72%；當風量為40%，功率為25%。顯然，節能效果顯著。

圖1為上述兩種運轉模式下的電力消耗對比結果；其中曲線1所閉合的空間即使傳統臺數控制模式下的通風系統運營能耗，而曲線2閉合的空間則是變頻控制模式下的運營能耗，其差值即陰影部分就是兩種控制方法之間的能耗差，即節能的效益。由此可見，目前國內通常使用的有級調節風量控制模式有著較大的節能潛力可以挖掘。

圖1 電力消耗對比Fig. 1 Comparison diagram of power consumption

1.2 隧道通風變頻調速存在的問題

1.2.1 變頻器無法適應隧道內運行環境

作為一種特殊交通形式的公路隧道，由于隧道內的灰塵大、空氣潮濕、流通不暢且夾雜各種汽車尾氣的惡劣環境，無法使機電設備(變頻器)長時間穩定運行[10]。如甬臺溫高速公路大溪嶺隧道于1998年建成通車，運行時間不到10年，由于監控設備的大面積損壞不得不在2005年進行升級改造。上三高速盤龍嶺1號隧道、盤龍嶺2號隧道、任胡嶺隧道于2011年對通風控制系統、照明控制系統及交通監控系統進行了設備改造，距離建成通車的2000年也僅僅為10年時間。從以上工程實施的情況來看，如果將變頻器直接置于隧道中，受隧道內惡劣的環境影響，變頻通風設備無法滿足長期穩定運行的需求。

1.2.2 變頻器遠距離驅動風機存在負面效應

若將變頻器置于隧道外的配電室內，能夠很好地解決由于運行環境問題導致的變頻器功率開關器件損壞問題。此時，變頻器和通風機之間必須安裝足夠長的電纜來為風機提供電能，這將使得電機端存在過電壓從而損壞風機，變頻器輸出端存在過高dv/dt，零序電壓、共模漏電流嚴重，高次諧波污染電網等問題。

2 隧道遠程變頻通風問題的本質

2.1 變頻器輸出過高的dv/dt

在電壓源型兩電平交流變頻系統中，變頻器輸出的PWM電壓信號，為一系列近似方波的脈沖信號，其寬度呈周期性變化。對于隧道變頻通風系統來講，由于變頻器和風機距離過長，由此產生的dv/dt=20 000 V/μs；過高的dv/dt不僅會對風機的內部絕緣系統產生破壞，而且還會使得傳輸電纜產生爆裂。

過高的dv/dt對電動機造成的危害主要體現在：① 在電機鐵芯疊片中產生渦流，增加熱損耗；② 高頻電磁振蕩頻率與零部件固有頻率相近時，產生機械共振和噪聲。

2.2 三相電壓U，V，W之和不為0

在PWM的控制模式下，盡管變頻器的三相輸出ABC之間相位相差120°，其和并不為0，從而導致產生很高的共模電壓，也稱為零序電壓。其幅值為±UDC/6和±UDC/2，且隨著開關器件導通狀態的不同而不斷跳變。這種跳變導致零序電壓為一種高頻信號，其頻率為變頻器開關頻率的6倍。

由于這種高頻的共模電壓存在，給變頻調速系統帶來如下兩種危害。

1)由于高頻寄生電容在電機內部廣泛存在，這種零序電壓和寄生電容的相互耦合作用，使得電機內部產生軸電壓。當電機接地不良時，會導致電擊事故的發生。此外，當軸承潤滑劑的絕緣電壓閾值小于軸電壓時，會感應出軸電流從而使得電機內部潤滑劑發生不利的化學變化。這種化學變化會導致軸承座圈的壽命降低。

2)由于雜散電容和寄生耦合電容的存在，將產生共模漏電流。這種共模漏電流通過相互之間的耦合作用流入大地，稱之為漏電流。這種漏電流不僅造成電能的浪費，而且一旦通過接地導體進入電網中，會對電網造成共模電磁污染。

2.3 長線電纜帶來的負面效應

當變頻器遠程驅動隧道風機時，由于傳輸電纜長達3 km。因此，可將變頻器端輸出的脈沖PWM信號看作在長線電纜上傳輸的行波。這種行波在風機端產生反射并返回至變頻器端，入射波和反射波的反復疊加，使得在風機端的電壓加倍，從而使得風機端產生過電壓。產生過程如圖2。

圖2 射流風機端產生的波動電壓Fig. 2 Fluctuation voltage diagram of jet fan side

這個過電壓包括共模過電壓和差模過電壓，共模過電壓使上述負面效應加重，差模過電壓使電機絕緣提前老化，電纜爆裂，長電纜負面效應如圖3。

3 隧道遠程變頻通風問題解決方案

變頻器遠程驅動隧道風機將產生一系列的危害。一種解決方法是采用適用于PWM的特殊電動機，顯然這在實際應用中是不現實的；另一種方案是在風機端加裝濾波器，即在風機端并聯一組一階電阻電容濾波器。電容對于快速變化的脈沖信號呈現短路狀態，可以過濾掉高頻的雜散信號。按照電纜理論，在電纜被它的特征阻抗中斷的情況下，電纜的末端電壓將和電源電壓相等。但由于這種濾波裝置接在電動機端，變頻器輸出的雜波仍然存在，屬于治標不治本的辦法。

針對上述問題，筆者采用了一種新型的濾波裝置。該濾波裝置為低通濾波器，由阻尼電阻、旁路電容和輸出電感組成。該濾波裝置使得低頻的基波電流傳送至電動機端，而將高頻的諧波電流旁路，從而達到濾波的目的。在風機端的電流和電壓波形接近于正弦波，不但瞬時過電壓沒有在電動機的繞組上發生，不會產生額外的損耗，而且降低了電動機的噪聲。

4 試驗結果及分析研究

試驗條件：試驗采用某兩種型號變頻器；公路隧道用射流風機，功率：15 kW，出風方向：雙向。試驗原理如圖4。利用上述兩種型號變頻器，電纜長度分別為100，200，500，1 000 m，變頻器輸出頻率分別為20，30，40，50 Hz時，加裝新型濾波裝置驅動射流風機。

圖4 試驗原理Fig. 4 Experiment principle diagram

4.1 距離對系統電參數的影響

試驗對兩種變頻器不同距離和頻率的電壓、泄漏電流、波形等參數進行了測量。實測電壓參數如表1，不同距離的電壓參數如圖5。

表1 不同距離的電壓特性參數

圖5 不同距離的電壓參數Fig. 5 Voltage parameters of different distances

由表1及圖5可見，對于試驗中選定的兩種變頻器，當距離風機分別為100，300，1 000 m時，不同頻率(20，30，40，50 Hz)對應電壓參數在±5 V間波動，在系統容許的誤差范圍之內，能夠滿足系統的需求。

4.2 距離對泄漏電流的影響

實測電壓參數如表2。

表2 不同距離的泄漏電流特性參數

由表2可知：隨著距離的增加，兩種變頻器的泄漏電流呈現增大的趨勢，在距離為1 000 m時兩者均達到最大值。兩者的最大值均小于2.3A，在系統的容許范圍之內，因此能夠滿足系統的需求。

4.3 電壓波形分析

濾波器輸入端和風機端波形如圖6。

圖6 變頻器30 Hz電壓波形Fig. 6 30 Hz voltage waveform diagram of the inverter

由圖6(a)可見：曲線1為電動機端電壓波形圖；曲線2為變頻器輸出端電壓波形圖。變頻器輸出端電壓毛刺嚴重，尖峰電壓最大值超過工頻電壓的3倍。而電動機端電壓則為波形較好的正弦波。

由圖6(b)可見：曲線2為電動機端電壓波形圖；曲線1為變頻器輸出端電壓波形圖。變頻器輸出端電壓毛刺嚴重，尖峰電壓最大值超過工頻電壓的3倍。而電動機端電壓則為波形較好的正弦波。

由以上分析可知，筆者所采用的系統能夠很好地將變頻器輸出的電壓毛刺和尖峰電壓濾除，達到波形平滑的目的。

5 結 論

以最小的運營成本，保持隧道內良好的衛生條件，并且使得風機壽命的最大化，一直以來是隧道管養部門最為關注的問題。筆者針對此問題展開了系統研究，主要結論如下：

1)通過對變頻調速技術電能消耗理論的分析，從理論上研究了隧道變頻通風節能的可行性。

2)針對隧道遠程變頻技術存在的問題，研究了存在問題的本質，給出了解決此問題的詳細思路。

3)通過1∶1實體隧道試驗，分別驗證了國產某兩種品牌變頻器加裝濾波裝置驅動射流風機的運行效果。結果表明：濾波裝置抑制過電壓和波形整形效果明顯。

4)在變頻器輸出端加裝文中所述濾波裝置可使變頻器長距離在任意頻率下驅動射流風機，從而達到隧道風機節能、可靠、平穩運行的目的。不但降低了噪聲和振動，且能夠在取得顯著節能效果的同時，實現風機軟啟動和無級調速，延長風機的使用壽命。因而，該技術具有很好的理論研究意義和工程應用價值。

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(責任編輯：劉 韜)

Ventilation Technology of Long-Distance Inverter in Traffic Tunnel

XING Rongjun1, XU Pai1, JIANG Shuping2, CHEN Hao2

(1.School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P. R. China; 2. China Merchants Chongqing Communications Research & Design Institute Co., Ltd., Chongqing 400067, P. R. China)

The main function of traffic tunnel ventilation is to minimize the energy consumption to achieve the safety and health standards of tunnel operation, and to maintain the lifetime of the fan as long as possible. Firstly, the energy-consuming theory and the energy-saving principle of variable-frequency and speed-regulation technology were analyzed. And then, based on the problem occurred in the above technology, the essence of the problem was studied in detail. Therefore, a new technology of long-distance variable-frequency ventilation was proposed. Two kinds of inverters with domestic brands were equipped with the filter devices to drive the jet fan in the test. The results show that the filtering device can restrain the over-voltage and the waveform modification effect is obvious. Installing the filtering device at the inverter output can drive the long distance driving jet fan at any frequency, so as to make the tunnel fan operation energy-saving, reliable and stable. The new technology not only reduces the vibration and noise, but also prolongs the service lifetime of the fan. Finally, the feasibility of the proposed technology was verified by 1∶1 tunnel prototype test.

tunnel engineering; long-distance inverter; ventilation energy-saving; filter; prototype test

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.04.04

2015-12-21；

2016-02-28

重慶市前沿與應用基礎研究計劃(cstc2015jcyjA40056)；重慶市教委科學技術研究項目(KJ1500536)；重慶市社會事業與民生保障科技創新專項重點項目(cstc2015shmszx30013;cstc2015shms-ztzx30001)

邢榮軍(1981—)，男，陜西渭南人，博士研究生，主要從事隧道遠程監控、運營節能等方面的研究。E-mail：xingrong-12@163.com。

U453.5

A

1674-0696(2017)04-018-05