山區(qū)公路特長(zhǎng)隧道的供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

樂(lè)衛(wèi)洪

蘇交科集團(tuán)股份有限公司（江蘇 南京 210017）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)公路事業(yè)建設(shè)取得了輝煌成就，但隨著高速公路的快速建設(shè)，也出現(xiàn)一些新的問(wèn)題。當(dāng)前，高速公路向山嶺區(qū)延伸，出現(xiàn)了很多特長(zhǎng)隧道，而隧道是封閉環(huán)境，運(yùn)營(yíng)條件與外界不同，如何保障汽車運(yùn)營(yíng)安全是工程建設(shè)需要解決的問(wèn)題。雖然采取通風(fēng)及消防等設(shè)計(jì)可保障其運(yùn)營(yíng)，但隨著隧道加長(zhǎng)，需要考慮供電可靠性。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，供配電領(lǐng)域自動(dòng)化產(chǎn)品日新月異，成套設(shè)備在中低壓供配電系統(tǒng)中可起到電能控制作用。高壓聯(lián)網(wǎng)調(diào)度技術(shù)較為成熟，但低壓遠(yuǎn)程監(jiān)控產(chǎn)品較少，對(duì)特長(zhǎng)隧道統(tǒng)一遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)現(xiàn)存在困難。特長(zhǎng)隧道中中低壓配電自動(dòng)化程度要求較高，需要與監(jiān)控、消防及通信設(shè)施相互配合。

1 山區(qū)公路特長(zhǎng)隧道供配電系統(tǒng)概述

公路隧道供配電系統(tǒng)是公路正常運(yùn)行的重要保障，在公路隧道建設(shè)施工中，應(yīng)注意隧道配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)具體地形地貌因地制宜制訂合適的施工方案，保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合國(guó)家規(guī)定，施工材料應(yīng)根據(jù)工程材料驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)選取[1]。雖然我國(guó)高速公路隧道供配電設(shè)施得到較大的優(yōu)化與完善，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)中依舊存在一些問(wèn)題，需要及時(shí)整改確保公路正常運(yùn)行，為群眾出行提供保障。

1.1 山區(qū)公路特長(zhǎng)隧道供配電系統(tǒng)特點(diǎn)

山區(qū)公路特長(zhǎng)隧道供電具有獨(dú)特性，體現(xiàn)在用電設(shè)備種類多、電源質(zhì)量要求高等方面，且遠(yuǎn)離上級(jí)電站，因此需根據(jù)公路隧道工程特點(diǎn)合理設(shè)計(jì)供配電系統(tǒng)。山區(qū)公路隧道多位于大山深處，電網(wǎng)中中高壓變電站設(shè)置在經(jīng)濟(jì)中心區(qū)域，隧道附近多為農(nóng)電線路，供電容量不足，為提高電源質(zhì)量，大規(guī)模隧道需架設(shè)專用供電線路。大規(guī)模隧道用電設(shè)備通常有通風(fēng)設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備、照明設(shè)備等，多種設(shè)備通常沿隧道縱向等間距分布[2]。排煙風(fēng)機(jī)為一級(jí)負(fù)荷，監(jiān)控設(shè)備為重要負(fù)荷，在隧道用電設(shè)備中占容量比重較大，負(fù)荷較為分散。公路隧道供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)要遵循基本原則，做到安全可靠、方便安裝、環(huán)保節(jié)能；供配電設(shè)計(jì)采用設(shè)備應(yīng)符合國(guó)家產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)先選用技術(shù)先進(jìn)的成套設(shè)備，積極采用新技術(shù)工藝。

1.2 山區(qū)公路特長(zhǎng)隧道供配電設(shè)計(jì)要求

公路特長(zhǎng)隧道供配電系統(tǒng)包括照明系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)及應(yīng)急電源設(shè)置。照明是隧道供電系統(tǒng)的重要部分，主要功能是在人工隧道中持續(xù)不斷地供電。隧道供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)測(cè)試運(yùn)行負(fù)荷，避免超負(fù)荷運(yùn)作，若出現(xiàn)超負(fù)荷運(yùn)作，則要及時(shí)協(xié)調(diào)配電系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，因?yàn)樗淼拦┡潆娬彰飨到y(tǒng)設(shè)計(jì)直接關(guān)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(zhì)條件較差，會(huì)導(dǎo)致隧道環(huán)境封閉，需要在隧道中設(shè)置專門(mén)的通風(fēng)系統(tǒng)，包括區(qū)域控制、風(fēng)控系統(tǒng)。良好的通風(fēng)系統(tǒng)可為隧道提供良好外部環(huán)境。通風(fēng)系統(tǒng)作用是根據(jù)隧道CO濃度進(jìn)行分析，當(dāng)隧道CO含量超標(biāo)時(shí)通過(guò)控制區(qū)風(fēng)機(jī)運(yùn)行降低CO濃度，為司機(jī)提供健康的隧道環(huán)境。

2 山區(qū)公路特長(zhǎng)隧道供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)問(wèn)題

電力系統(tǒng)發(fā)展對(duì)供配電可靠性提出了更高的要求，如自動(dòng)隔離、實(shí)時(shí)監(jiān)控配電系統(tǒng)，以提高供電可靠性。電力系統(tǒng)可靠性發(fā)展對(duì)民用配電可靠性也提出了更高的要求。隨著工業(yè)生產(chǎn)手段復(fù)雜化，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制方式復(fù)雜化，人們對(duì)配電系統(tǒng)的要求不斷提高，對(duì)數(shù)據(jù)傳遞量、故障檢測(cè)等均提出了新的要求。

2.1 電容器設(shè)計(jì)

當(dāng)前，山區(qū)公路特長(zhǎng)隧道供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在許多問(wèn)題，主要包括變壓器斷路器選擇不合理、容量選擇不當(dāng)、應(yīng)急電源配置設(shè)計(jì)不到位、失壓脫扣裝置選取不實(shí)際等。設(shè)計(jì)人員需要分析山區(qū)公路特長(zhǎng)隧道供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題，為山區(qū)公路特長(zhǎng)隧道供配電設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。不同容量變電器承擔(dān)負(fù)荷不同，公路特長(zhǎng)隧道供配電設(shè)計(jì)中如何選擇變壓器非常重要，隧道通常設(shè)置兩個(gè)變電器。日常隧道用電主要是照明通風(fēng)，通風(fēng)設(shè)備的使用具有階段性特點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析進(jìn)行設(shè)計(jì)。選擇合適的變壓器可以優(yōu)化公路供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在實(shí)際使用中，變壓器負(fù)荷額定容量為60%時(shí)效率最高。

2.2 斷路器配置

當(dāng)前，很多公路特長(zhǎng)隧道供配電設(shè)計(jì)中采用斷路器保護(hù)變壓器，而較少使用負(fù)荷開(kāi)關(guān)加熔器。一些設(shè)計(jì)人員認(rèn)為負(fù)荷開(kāi)關(guān)加熔器使用效果不好，在隧道供配電系統(tǒng)中經(jīng)常使用開(kāi)關(guān)切換電力負(fù)荷。斷路器主要根據(jù)短路電流設(shè)計(jì)，具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高的特點(diǎn)，而負(fù)荷開(kāi)關(guān)加熔器的運(yùn)行機(jī)制是分離控制功能和保護(hù)功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)頻發(fā)的負(fù)荷功能的及時(shí)切換[3]。如斷路器斷開(kāi)時(shí)間較長(zhǎng)，建議選擇限流熔斷器。在實(shí)際隧道供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，變壓器保護(hù)裝置需要根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)合理地選擇。當(dāng)變壓器的容量＞500 kVA時(shí)，應(yīng)選擇高壓斷路器進(jìn)行保護(hù)；當(dāng)變壓器的容量≤500 kVA時(shí)，可選擇高壓熔斷器進(jìn)行保護(hù)。

2.3 應(yīng)急電源設(shè)計(jì)

為保證隧道運(yùn)行必須做好電源準(zhǔn)備工作，確保應(yīng)急照明。高速公路隧道照明監(jiān)控設(shè)備在緊急情況下有很大作用，要保證應(yīng)急電源穩(wěn)定充足，應(yīng)綜合各方面需要選擇應(yīng)急電源配置，主要考慮因素包括電源特點(diǎn)、負(fù)荷情況等。通過(guò)全面考慮，確保應(yīng)急電源配置安全。應(yīng)急電源種類較多，在隧道安裝應(yīng)急電源設(shè)計(jì)中，選擇單一電源往往達(dá)不到安全效果。高速公路隧道出現(xiàn)事故會(huì)危害隧道供配電系統(tǒng)，可以選擇組合式的應(yīng)急電源模式，確保一方應(yīng)急電源出現(xiàn)故障時(shí)也可正常供電，而且組合式應(yīng)急電源有利于加大電容量[4-6]。

3 山區(qū)公路特長(zhǎng)隧道供配電優(yōu)化設(shè)計(jì)

G341膠南至海晏公路加定至海晏段是國(guó)家公路網(wǎng)規(guī)劃的重要部分，是西寧至蘭州的第二通道，項(xiàng)目建設(shè)對(duì)完善蘭州、西寧地區(qū)國(guó)家路網(wǎng)具有重要意義。項(xiàng)目位于海東市互助縣、海北藏族自治州海晏縣。JX-2標(biāo)位于互助縣境內(nèi)，連接規(guī)劃寧互高速公路，設(shè)置臺(tái)子鄉(xiāng)互通，沿南門(mén)峽水庫(kù)西北側(cè)設(shè)隧道穿越尖頂山至朔北鄉(xiāng)。全線設(shè)置柏木峽特大橋、南門(mén)峽2號(hào)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(tǒng)設(shè)計(jì)

依據(jù)設(shè)計(jì)文件與業(yè)主設(shè)計(jì)意見(jiàn)等規(guī)范，項(xiàng)目采用雙向四車道一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)。隧道供配電系統(tǒng)是公路機(jī)電系統(tǒng)的重要部分，應(yīng)結(jié)合隧道電源實(shí)際情況，設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理的供配電系統(tǒng)。隧道照明設(shè)計(jì)應(yīng)用新節(jié)能光源，采用先進(jìn)的控制技術(shù)，以電光照明實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)外光過(guò)渡，提高隧道經(jīng)濟(jì)效益。配電系統(tǒng)設(shè)置在變電所低壓配電柜內(nèi)，電力監(jiān)控通信管理機(jī)以太網(wǎng)交換機(jī)連接。隧道供配電系統(tǒng)為隧道機(jī)電系統(tǒng)低壓配電柜預(yù)留供電容量，隧道機(jī)電系統(tǒng)從隧道變電所低壓開(kāi)關(guān)柜出線端子開(kāi)始至電線電纜敷設(shè)。絕緣穿刺連接器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 絕緣穿刺連接器結(jié)構(gòu)圖

3.2 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)供配電系統(tǒng)供電對(duì)象包括隧道內(nèi)通風(fēng)、監(jiān)控設(shè)施。根據(jù)可靠性及終端供電造成影響，隧道用電負(fù)荷分為一、二、三級(jí)負(fù)荷。項(xiàng)目沿隧道一級(jí)負(fù)荷由2個(gè)電源供電，采用兩路10 kV市電互為備用供電方式。一級(jí)負(fù)荷中重要負(fù)荷應(yīng)增設(shè)應(yīng)急電源，設(shè)置1臺(tái)UPS電源為隧道監(jiān)控設(shè)備應(yīng)急電源。二級(jí)負(fù)荷供電由2個(gè)電源供電，隧道未發(fā)生火災(zāi)情況下，備用電源額定電容帶部分二級(jí)負(fù)荷。同時(shí)，在隧道洞口設(shè)置變電站，為隧道內(nèi)用電設(shè)施提供電源。隧道雙電源變壓所高壓柜采用中置柜，內(nèi)設(shè)微機(jī)綜合保護(hù)器為變壓器過(guò)載保護(hù)，其余隧道變電所采用小型化柜體絕緣短路柜為變壓器過(guò)載保護(hù)[7-9]。

3.3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電力監(jiān)控系統(tǒng)是供配電系統(tǒng)配套部分，可以對(duì)系統(tǒng)實(shí)施遙測(cè)，將分散供配電系統(tǒng)實(shí)施遠(yuǎn)距離集中控制管理。設(shè)計(jì)建議項(xiàng)目沿線隧道變電所設(shè)置電力監(jiān)控系統(tǒng)，沿線設(shè)監(jiān)控分中心，沿線隧道變電所電力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸至臺(tái)子鄉(xiāng)監(jiān)控分中心。項(xiàng)目沿線隧道變電所為無(wú)人值守，監(jiān)控分中心設(shè)置遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控沿線隧道變電站。電力監(jiān)控系統(tǒng)包括遙測(cè)、遙控功能，監(jiān)控分中心設(shè)置電力監(jiān)控管理機(jī)，用于供電系統(tǒng)監(jiān)控。

4 結(jié)束語(yǔ)

高速公路隧道供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)隧道供配電系統(tǒng)運(yùn)作有重要作用。當(dāng)前，我國(guó)山區(qū)公路特長(zhǎng)隧道供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在變壓器選擇不合理、應(yīng)急電源配單設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)葐?wèn)題。山區(qū)特長(zhǎng)隧道供電方案是設(shè)計(jì)評(píng)審專家關(guān)注的焦點(diǎn)，安全的供電方案是隧道順利設(shè)計(jì)、良好運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵因素。每個(gè)特長(zhǎng)隧道有不同特點(diǎn)，應(yīng)做到充分調(diào)研后提出不同方案的可靠性，為設(shè)計(jì)工作提供可參考的經(jīng)驗(yàn)。