山區公路特長隧道的供配電系統設計

樂衛洪

蘇交科集團股份有限公司（江蘇 南京 210017）

0 引言

近年來，我國公路事業建設取得了輝煌成就，但隨著高速公路的快速建設，也出現一些新的問題。當前，高速公路向山嶺區延伸，出現了很多特長隧道，而隧道是封閉環境，運營條件與外界不同，如何保障汽車運營安全是工程建設需要解決的問題。雖然采取通風及消防等設計可保障其運營，但隨著隧道加長，需要考慮供電可靠性。隨著通信技術的發展，供配電領域自動化產品日新月異，成套設備在中低壓供配電系統中可起到電能控制作用。高壓聯網調度技術較為成熟，但低壓遠程監控產品較少，對特長隧道統一遠程監控實現存在困難。特長隧道中中低壓配電自動化程度要求較高，需要與監控、消防及通信設施相互配合。

1 山區公路特長隧道供配電系統概述

公路隧道供配電系統是公路正常運行的重要保障，在公路隧道建設施工中，應注意隧道配電系統設計。設計人員應根據具體地形地貌因地制宜制訂合適的施工方案，保證系統設計符合國家規定，施工材料應根據工程材料驗收標準選取[1]。雖然我國高速公路隧道供配電設施得到較大的優化與完善，但系統設計中依舊存在一些問題，需要及時整改確保公路正常運行，為群眾出行提供保障。

1.1 山區公路特長隧道供配電系統特點

山區公路特長隧道供電具有獨特性，體現在用電設備種類多、電源質量要求高等方面，且遠離上級電站，因此需根據公路隧道工程特點合理設計供配電系統。山區公路隧道多位于大山深處，電網中中高壓變電站設置在經濟中心區域，隧道附近多為農電線路，供電容量不足，為提高電源質量，大規模隧道需架設專用供電線路。大規模隧道用電設備通常有通風設備、監控設備、照明設備等，多種設備通常沿隧道縱向等間距分布[2]。排煙風機為一級負荷，監控設備為重要負荷，在隧道用電設備中占容量比重較大，負荷較為分散。公路隧道供配電系統設計要遵循基本原則，做到安全可靠、方便安裝、環保節能；供配電設計采用設備應符合國家產品技術標準，優先選用技術先進的成套設備，積極采用新技術工藝。

1.2 山區公路特長隧道供配電設計要求

公路特長隧道供配電系統包括照明系統、通風系統及應急電源設置。照明是隧道供電系統的重要部分，主要功能是在人工隧道中持續不斷地供電。隧道供配電系統設計中應測試運行負荷，避免超負荷運作，若出現超負荷運作，則要及時協調配電系統相關參數，因為隧道供配電照明系統設計直接關系后期的使用安全。很多高速公路修建需要穿越龐大的山體，部分高速公路地質條件較差，會導致隧道環境封閉，需要在隧道中設置專門的通風系統，包括區域控制、風控系統。良好的通風系統可為隧道提供良好外部環境。通風系統作用是根據隧道CO濃度進行分析，當隧道CO含量超標時通過控制區風機運行降低CO濃度，為司機提供健康的隧道環境。

2 山區公路特長隧道供配電系統設計中的重點問題

電力系統發展對供配電可靠性提出了更高的要求，如自動隔離、實時監控配電系統，以提高供電可靠性。電力系統可靠性發展對民用配電可靠性也提出了更高的要求。隨著工業生產手段復雜化，現場設備控制方式復雜化，人們對配電系統的要求不斷提高，對數據傳遞量、故障檢測等均提出了新的要求。

2.1 電容器設計

當前，山區公路特長隧道供配電系統設計存在許多問題，主要包括變壓器斷路器選擇不合理、容量選擇不當、應急電源配置設計不到位、失壓脫扣裝置選取不實際等。設計人員需要分析山區公路特長隧道供配電系統設計存在的問題，為山區公路特長隧道供配電設計優化提供依據。不同容量變電器承擔負荷不同，公路特長隧道供配電設計中如何選擇變壓器非常重要，隧道通常設置兩個變電器。日常隧道用電主要是照明通風，通風設備的使用具有階段性特點，應根據實際運行數據分析進行設計。選擇合適的變壓器可以優化公路供配電系統設計，在實際使用中，變壓器負荷額定容量為60%時效率最高。

2.2 斷路器配置

當前，很多公路特長隧道供配電設計中采用斷路器保護變壓器，而較少使用負荷開關加熔器。一些設計人員認為負荷開關加熔器使用效果不好，在隧道供配電系統中經常使用開關切換電力負荷。斷路器主要根據短路電流設計，具有內部結構復雜、造價高的特點，而負荷開關加熔器的運行機制是分離控制功能和保護功能，可以實現對頻發的負荷功能的及時切換[3]。如斷路器斷開時間較長，建議選擇限流熔斷器。在實際隧道供配電系統設計中，變壓器保護裝置需要根據國家標準科學合理地選擇。當變壓器的容量＞500 kVA時，應選擇高壓斷路器進行保護；當變壓器的容量≤500 kVA時，可選擇高壓熔斷器進行保護。

2.3 應急電源設計

為保證隧道運行必須做好電源準備工作，確保應急照明。高速公路隧道照明監控設備在緊急情況下有很大作用，要保證應急電源穩定充足，應綜合各方面需要選擇應急電源配置，主要考慮因素包括電源特點、負荷情況等。通過全面考慮，確保應急電源配置安全。應急電源種類較多，在隧道安裝應急電源設計中，選擇單一電源往往達不到安全效果。高速公路隧道出現事故會危害隧道供配電系統，可以選擇組合式的應急電源模式，確保一方應急電源出現故障時也可正常供電，而且組合式應急電源有利于加大電容量[4-6]。

3 山區公路特長隧道供配電優化設計

G341膠南至海晏公路加定至海晏段是國家公路網規劃的重要部分，是西寧至蘭州的第二通道，項目建設對完善蘭州、西寧地區國家路網具有重要意義。項目位于海東市互助縣、海北藏族自治州海晏縣。JX-2標位于互助縣境內，連接規劃寧互高速公路，設置臺子鄉互通，沿南門峽水庫西北側設隧道穿越尖頂山至朔北鄉。全線設置柏木峽特大橋、南門峽2號大橋兩座大橋，馬鞍山隧道、安定隧道、賈家溝隧道三大隧道，以及四處互通式立交。

3.1 配電系統設計

依據設計文件與業主設計意見等規范，項目采用雙向四車道一級公路標準。隧道供配電系統是公路機電系統的重要部分，應結合隧道電源實際情況，設計經濟合理的供配電系統。隧道照明設計應用新節能光源，采用先進的控制技術，以電光照明實現隧道內外光過渡，提高隧道經濟效益。配電系統設置在變電所低壓配電柜內，電力監控通信管理機以太網交換機連接。隧道供配電系統為隧道機電系統低壓配電柜預留供電容量，隧道機電系統從隧道變電所低壓開關柜出線端子開始至電線電纜敷設。絕緣穿刺連接器結構如圖1所示。

圖1 絕緣穿刺連接器結構圖

3.2 供電系統設計

設計供配電系統供電對象包括隧道內通風、監控設施。根據可靠性及終端供電造成影響，隧道用電負荷分為一、二、三級負荷。項目沿隧道一級負荷由2個電源供電，采用兩路10 kV市電互為備用供電方式。一級負荷中重要負荷應增設應急電源，設置1臺UPS電源為隧道監控設備應急電源。二級負荷供電由2個電源供電，隧道未發生火災情況下，備用電源額定電容帶部分二級負荷。同時，在隧道洞口設置變電站，為隧道內用電設施提供電源。隧道雙電源變壓所高壓柜采用中置柜，內設微機綜合保護器為變壓器過載保護，其余隧道變電所采用小型化柜體絕緣短路柜為變壓器過載保護[7-9]。

3.3 監控系統設計

電力監控系統是供配電系統配套部分，可以對系統實施遙測，將分散供配電系統實施遠距離集中控制管理。設計建議項目沿線隧道變電所設置電力監控系統，沿線設監控分中心，沿線隧道變電所電力監控數據傳輸至臺子鄉監控分中心。項目沿線隧道變電所為無人值守，監控分中心設置遠程電力監控系統監控沿線隧道變電站。電力監控系統包括遙測、遙控功能，監控分中心設置電力監控管理機，用于供電系統監控。

4 結束語

高速公路隧道供配電系統設計對隧道供配電系統運作有重要作用。當前，我國山區公路特長隧道供配電系統設計中存在變壓器選擇不合理、應急電源配單設計不當等問題。山區特長隧道供電方案是設計評審專家關注的焦點，安全的供電方案是隧道順利設計、良好運營的關鍵因素。每個特長隧道有不同特點，應做到充分調研后提出不同方案的可靠性，為設計工作提供可參考的經驗。