高速公路隧道供配電系統設計方案與存在的問題分析

(甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司,甘肅蘭州 730030)

0 引言

我國當前高速公路隧道建設工作成為了道路交通體系發展的重心所在，在提升車輛運輸能力以及縮減行駛路程、減少交通事故等方面有著極其關鍵的重要性作用。公路隧道附屬設施主要包括防排水設施、交通信號設施、通風照明設施以及應急設施等，研究公路隧道供配電系統設計方案并分析其中所存在的問題，成為了本文所研究的重點內容。

1 高速公路隧道供配電系統設計方案

1.1 負荷等級劃分與設計原則

1.1.1 負荷等級劃分方案

在高速公路隧道中，其用電負荷設備主要分為照明設備、通風設備、監控設備以及消防設備。同時我們以中斷供電所所帶來的損失大小或者影響程度來將這些用電設備合理劃分為三個負荷等級，即分別為一級負荷、二級負荷以及三級負荷等。在一級負荷等級中除卻消防水泵以及排煙風機等負荷，其余均屬于特別重要負荷[1]。

1.1.2 供配電系統設計原則

（1）要能夠在供電可靠性前提下保障人身安全，同時其中所應用的技術有著基本的先進性、經濟性以及合理性；（2）在供配電系統設計當中，所有設計必須要遵循國家現行供配電系統設計標準以及規范要求，同時需要滿足維護便利性要求；（3）在設計之前需要合理統籌設計方案，即根據不同負荷的不同性質、用電容量大小、地方供電條件、隧道規模以及工程特點等因素進行綜合考慮，并合理設計供配電系統的設計方案；（4）電氣設備產品需要優先考慮滿足國家標準與行業規范的高效率、低能耗、優性能的諸多要求。

1.2 供配電系統設計

1.2.1 傳統供配電模式分析

現階段的高速公路隧道供配電系統設計當中，多以應用10kV中壓供電，且在供配電模式中以集中式和分布式居多。拿集中式供配電模式來講，需要在隧道洞口設置一所高容量以及供電半徑較大的變電所，根據隧道的距離大小來設計設置變電所數量。利用樹干式供電形式來對多個功能回路進行供電，同時不會很容易引起大規模停電事故的發生，在變電所中可以做到統一控制、集中化管理，與分布式供配電模式相比，傳統分布式供配電系統由于設備節點數量過多且維護工作相對比較困難，導致故障現象時常發生，完全不利于高速公路隧道供配電系統的設計要求。因此，集中式供配電模式成為了主流應用模式。

1.2.2 變電所的選擇方案

變電所設置中以三相電力變壓器電壓比為10/0.4kV為主，在選擇變電所位置中既要滿足運營維護的方便性，又要綜合考慮整個隧道的長度以及低壓供電半徑等參數。具體選擇要求可如表1所示。

表1 變電所位置選擇要求

1.2.3 變電所設備配置

在變電所10kV高壓開關柜選擇中，可以優先應用環網開關柜，其防護功能多樣，且斷路器性能優異、質量較佳。將真空斷路器應用于高壓開關柜以及進線柜、變壓器保護柜之中。而在低壓開關柜中，可以優先應用GCS組合抽屜式開關柜，具備功能可靠、操作便捷等諸多優點；低壓配電系統中可以利用380/220V三相五線制接線方式；利用電氣綜合自動化保護裝置作為繼電保護裝置，由控制中心統一進行監控與遙控操作，利用10kV進線保護的方式設置好速斷保護、過電流保護以及溫度保護等功能；另外需要設置好監控保護裝置并分別安裝于高低壓開關柜之中，對所有設備進行遙控與監控。

2 供配電系統設計方案所存在問題分析

2.1 變壓器容量問題

變壓器容量是供配電系統設計方案所存在的主要問題之一，變壓器容量選擇不當很容易引起資源浪費的現象發生。因此，為了能夠合理選擇變壓器容量，通常會需要先將高速公路供配電系統的變電所計算負荷分為兩種情況進行選擇，各部分變電器負荷需要合理根據設備運行情況進行計算并選擇變壓器。這也是現階段常用的變壓器容量選擇方式，但是其中仍舊存在兩大缺陷需要特別關注：其一，對于高速公路隧道的日常用電來講，多以通風和照明用電為主，尤其是通風設備，在用電頻率中存在一定的階段性特點，因此在采集實際數據時需要以階段性的分析方式進行合理設計。比如說某一隧道的交通流量比較低，而此時這部分通風設備的電力負荷也比較低，但是交流流量在增加過程中通風設備電力負荷也隨之增加，導致其中的運行負荷可能會存在上千瓦的差異，因此在某一交通流量過于低的隧道區域內應用大容量變壓器往往會造成不必要的資源浪費現象，這樣完全不利于節省資源以及控制隧道運營成本；其二，在優化高速公路隧道供配電設計當中，合理根據不同電容器的應用狀況來選擇合適的變壓器尤為關鍵，而在特殊時段中往往會因為流量急劇增長而出現高負荷增長現象，此時變壓器的損耗會明顯增加。從理論上來講，不同負荷率下的變壓器工作效率會不盡相同，所以在合理選擇變壓器容量之際需要充分考慮變壓器的最高負荷率，通常可以取80%最為適宜。

2.2 應急電源配置問題

在應急電源應用中可以幫助高速公路隧道能夠在任何情況下都可以正常應用內部的一級負荷電力設備，尤其是照明設備與通風設備，因此應急電源的穩定性尤為關鍵。現階段高速公路隧道供配電系統設計當中需要合理選擇應急電源配置，就必須要從電源應用特點、使用時間以及負荷狀況等方面進行詳細的考慮。另外，由于應急電源的種類非常多，在設計應急電源配置當中應當優先選擇由多種獨立電源電路設施所組合而成的組合式應急電源，這種配置方式的好處在于對高速公路隧道供配電系統的安全性與穩定性十分優異。這樣一來假如某一方出現意外狀況而中斷應急電源供給，而另外一方仍然能夠得以實現正常供電作用。此外，這種組合式應急電源配置還有一個好處在于，可以顯著提升應急能力，極大地提升了應急電源的供電時間。

2.3 失壓脫扣裝置問題

合理選擇失壓脫扣裝置可以進一步保障電路供應的穩定性。但是實際上由于部分地區的供配電系統設計人員通常會應用低壓斷路器失壓脫扣裝置，主要是為了能夠在突發意外狀況下及時切斷不必要的電力負荷電路供應，但是其缺點將會十分明顯，一旦電力供給恢復正常之后，這些電力負荷需要重啟開啟，導致實際的電力輸送工作變得十分困難。此外，該裝置在長期通電狀況下往往還會帶來一定的資源浪費現象，尤其是部分地區氣候條件較為濕潤，更是加劇了這些失壓脫扣裝置的失效損壞現象。針對此等狀況，最好在其中利用分模線來將電力線路分為主次電力線路，這樣一來可以在意外狀況下直接切斷次電力線路斷路器便可以依然能夠對主電力線路正常通電[2]。

2.4 變壓器保護裝置問題

變壓器保護裝置主要是應用斷路器來起到對變壓器的保護作用，僅有少部分地區會應用負荷開關加熔斷器來作為變壓器保護裝置。由于很多時候都是利用開關來切換電路負荷，因此實際上電力短路現象的發生概率十分低。而斷路器的應用便是針對這種電力短路現象所設計，同時斷路器內部結構通常十分復雜，購置成本也十分高昂，并不利于變壓器保護裝置的選擇經濟性。但是負荷開關加熔斷器并不一樣，其功能不僅起到保護功能，更能夠實現分離控制的功能。拿負荷開關來講，可以滿足切換負荷的要求，而熔斷器則可以起到電力短路保護作用。另外，傳統斷路器會安裝繼電保護裝置，導致實際的開啟、斷開實際往往比較長，但是熔斷器的斷開時間在相比之下便十分短，其對變壓器的保護作用往往具有十分顯著的高效性特點。因此，在整理斷路器以及熔斷器特點如表2所示。最后需要注意的是，變壓器保護裝置模式需要根據不同情況來進行合理選擇，比如可以根據變壓器容量來科學合理地選擇熔斷器，才能夠充分提升變電器保護裝置的穩定性。

表2 斷路器與熔斷器的優缺點對比

3 結語

總之，在高速公路隧道正常運營中，供配電系統的設計合理性尤為關鍵，對于保障高速公路隧道的安全性運營有著十分重要的意義。對此需要盡快不斷完善現有的設計方案，不斷改進其中所存在的已知問題，促進我國高速公路隧道供配電系統的質量性得到顯著提升。