高速公路隧道供配電系統(tǒng)設計問題分析

湖北省城建設計院股份有限公司，湖北 武漢 430050

1 高速公路隧道供配電系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)組成

高速公路隧道供配電系統(tǒng)主要由照明系統(tǒng)、消防系統(tǒng)與通風系統(tǒng)組成，不同系統(tǒng)的設計要求具體如下：（1）照明系統(tǒng)。作為供配電系統(tǒng)的核心構成部分，可以提供全天候照明功能，將隧道內部環(huán)境的平均照度穩(wěn)定控制在合理范圍內。但是設計人員需要構建智能照明控制系統(tǒng)，重點控制系統(tǒng)運行負荷。如果負荷過重，將會浪費一定的電力能源，還有可能出現(xiàn)照明系統(tǒng)過載運行、運行癱瘓等問題。（2）消防系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由各類消防設備、專用供電回路組成。在隧道出現(xiàn)火災或嚴重交通事故時，系統(tǒng)需要及時切換消防電路，對各類消防設備進行獨立供電。（3）通風系統(tǒng)。系統(tǒng)同時具備環(huán)境監(jiān)測、風控、區(qū)域控制等模塊，并配置有若干數(shù)量的傳感器。傳感器持續(xù)將監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋至通風系統(tǒng)，根據(jù)隧道環(huán)境空氣一氧化碳濃度來調節(jié)風機運行負荷。

1.2 系統(tǒng)設計原則

（1）標準性原則。為降低隧道供配電系統(tǒng)設計難度，消除人為因素對系統(tǒng)設計質量造成的影響，設計人員需要嚴格遵循相關設計規(guī)范，貫徹供配電設計標準。（2）安全性原則。在制訂隧道供配電系統(tǒng)設計方案時，設計人員要以保障系統(tǒng)安全可靠、設計方案可行為首要目的。同時，盡可量簡化系統(tǒng)結構。

2 高速公路隧道供配電系統(tǒng)常見設計問題

2.1 變壓器容量選擇不當

現(xiàn)階段，高速公路工程通常選擇在隧道供配電系統(tǒng)中同時配置兩臺變壓器，根據(jù)系統(tǒng)運行負荷估算值來確定變壓器容量。在系統(tǒng)運行過程中，變壓器出現(xiàn)電氣故障問題時，將由剩余變壓器全部承擔系統(tǒng)負荷。但是，高速公路速調交通量具有階段性特征，不同時間節(jié)點的交通量存在不可預知性與明顯差異。在交通量較大時，隧道供配電系統(tǒng)運行負荷隨之加大，對變壓器容量要求較高。而在交通量較小時，系統(tǒng)實際運行負荷較小、變壓器容量要求較為寬泛。從系統(tǒng)實際運行角度來看，不同階段的負荷差值往往會達到幾十千瓦。但在傳統(tǒng)設計模式下，為保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行，需要配置大容量變壓器，導致設備性能被浪費。

此外，在變壓器的實際運行負荷過高或過低時，將加快設備老化速度、縮減實際使用壽命，并提高電能消耗量。

2.2 低壓配電電纜設計問題

從配電電纜設計角度來看，主要面臨的設計難點是選擇電纜截面積。同時，在低壓配電電纜的截面積過大時，由于多數(shù)高速公路隧道供配電系統(tǒng)普遍具有供電距離長的特征，電能在輸送過程中將會產生較大損耗，導致公路隧道供配電系統(tǒng)的運行成本過于高昂。此外，還會出現(xiàn)電纜材料選擇不當?shù)膯栴}，導致在系統(tǒng)運行過程中時常出現(xiàn)各類電氣故障。

2.3 變壓器保護裝置選型問題

現(xiàn)階段，在多數(shù)高速公路隧道供配電系統(tǒng)中，普遍選擇配置斷路器對變壓器提供保護。斷路器主要被用于處理電流短路問題，裝置結構較為復雜、采購成本高昂。從隧道供配電系統(tǒng)實際運行情況來看，電力短路故障問題的出現(xiàn)率較低。若選擇配置斷路器，不但難以充分發(fā)揮裝置的作用，同時還存在斷路器功能單一、斷開時間過程等問題，客觀層面上導致隧道供配電系統(tǒng)存在一定的運行隱患，偶爾會出現(xiàn)各類電氣故障問題。歸根結底，問題在于所配置變壓器保護裝置型號種類不合理。

2.4 失壓脫扣裝置選擇使用問題

在部分高速公路隧道供配電系統(tǒng)設計方案中，選擇配置低壓斷路器失壓脫扣裝置，確保在停電條件下，系統(tǒng)可以快速關閉各處重要性較低的電力負荷，以保證系統(tǒng)主線路處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，持續(xù)得到電路供應，最終達到保證隧道交通安全的目的。但是，在安裝失壓脫扣裝置時，存在以下設計問題：（1）在室內停電問題得到解決后，失壓脫扣裝置、供配電系統(tǒng)并不具備自行恢復電力負荷的使用功能，需要采取人工方式開展合閘操作，在恢復供電與合閘過程中，對電力輸送質量及效率造成了影響。（2）為保障失壓脫扣裝置可以在室內停電后的第一時間便采取關閉電力負荷動作，脫扣器長期存在能耗損失，客觀層面上提高了電能消耗量、系統(tǒng)運行成本。（3）部分高速公路隧道環(huán)境較為潮濕，且出于成本考慮，難以配置除濕機等設備。而在安裝失壓脫扣保護裝置時，裝置持續(xù)受到環(huán)境侵蝕影響，易出現(xiàn)各類故障問題，實際使用成本較為高昂。

2.5 應急電源設計問題

在高速公路隧道供配電系統(tǒng)運行過程中，受到各類因素影響，或出現(xiàn)各類交通安全事故時都有可能引發(fā)供配電系統(tǒng)出現(xiàn)電氣故障，系統(tǒng)難以保持穩(wěn)定運行狀態(tài)。因此，需要在供配電系統(tǒng)中配置應急電源，在主電源供電中斷后，應急電源需要在指定時間內平穩(wěn)切換，恢復系統(tǒng)正常運行狀態(tài)，這也是安裝應急電源的意義所在。但一些隧道供配電系統(tǒng)中卻存在應急電源配置不當?shù)膯栴}，常見設計問題包括應急電源持續(xù)時間較短、單一應急電源供電不穩(wěn)定、應急電源模式與系統(tǒng)匹配度不足等。這些問題的存在導致系統(tǒng)應急電源的作用無法得到充分發(fā)揮，使供配電系統(tǒng)存在一定的運行隱患。

3 高速公路隧道供配電系統(tǒng)設計優(yōu)化策略

3.1 明確變壓器容量

在變壓器設計環(huán)節(jié)，存在著變壓器配置結構不合理、容量選擇不當?shù)膯栴}。因此，設計人員應采取以下處理策略：（1）在供配電系統(tǒng)中配置1臺基礎變壓器用于對應區(qū)段隧道照明及監(jiān)控等輔助設施供電，以及多臺不同規(guī)格型號的變壓器。在系統(tǒng)運行負荷較低時，只需讓基礎變壓器保持運行狀態(tài)即可。隨著系統(tǒng)運行負荷的不斷增加，如啟動射流風機時，將陸續(xù)啟動所配置其他變壓器。這樣既可以避免造成變壓器性能浪費、減少電能損耗量，同時還可以切實滿足不同時間階段的系統(tǒng)供電需求。（2）雖然變壓器的最佳常用負荷是容量為50%～60%，但是在供配電系統(tǒng)實際運行過程中，電動機負荷率將保持動態(tài)變化狀態(tài)。當多路風機同時啟動時，將無法保持供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行狀態(tài)。因此，設計人員需要綜合分析電動機負荷率變化情況、變壓器基本電價，選擇適當?shù)淖儔浩黝~負載率。目前來看，在多數(shù)高速公路工程中，普遍選擇變壓器額負載率控制在60%～ 90%。

3.2 合理選擇變壓器保護裝置

在隧道供配電變壓器保護裝置設計環(huán)節(jié)，可選擇配置負荷開關、高壓熔斷器、限流熔斷器等保護裝置。與斷路器相比，這類保護裝置的使用功能較為豐富，同時具備分離控制、負荷功能切換、短路保護等保護功能，可以有效應對各類電氣故障，及時控制故障問題、快速恢復隧道供配電系統(tǒng)的正常運行狀態(tài)。例如，在供配電系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)電氣短路問題時，熔斷器將提供短路保護，快速切斷短路線路與其他線路、設備的連接。同時，設計人員需要結合工程實際情況，合理選擇保護裝置的具體規(guī)格。

在供配電系統(tǒng)中安裝失壓脫扣保護裝置時，面臨多項設計問題，難以做到對裝置保護功能的充分發(fā)揮。因此，設計人員可選擇在電力線路中配置分目線。如此，在室內停電條件下，系統(tǒng)不僅可以在短時間內切斷分支電力線路斷路器，保證主電力線路的穩(wěn)定運行、集中供電，還可以徹底解決失壓脫口裝置潮濕易損、無法自行恢復電力負荷等設計問題。

3.3 電纜截面積取值

在低壓配電電纜設計時，工作人員要根據(jù)設計方案開展施工模擬試驗，檢查電纜在運行過程中所產生的無功損耗和有功損耗，并基于發(fā)熱條件開展截流量多元化分析工作，對靈敏度進行校驗，以此劃定電纜截面積的大體范圍。同時，還要遵循經(jīng)濟適用原則，采取經(jīng)濟電流最小設計方式，構建配套經(jīng)濟性分析模型，評估不同電流值條件下的配電電纜運行情況，如電能損耗量、運行經(jīng)濟成本等，綜合分析各項因素，明確電纜截面積最優(yōu)值。設計人員還應考慮電壓壓降問題，由于隧道供配電系統(tǒng)的供電距離較長，需要合理設置平衡點、全面掌握配電回路壓降情況，將導體損耗費用控制在較低程度內。此外，還要做好電纜選材工作，在施工條件允許前提下，配置具有良好阻燃性能、使用壽命長、安全可靠的線纜。在材料入場環(huán)節(jié)，對低壓配電電纜的外觀質量、規(guī)格參數(shù)進行目視檢查，核查質檢報告等相關文件，并從中隨機抽取少量電纜作為樣品進行檢測，重點檢查絕緣部位厚度、老化程度。

3.4 配置應急備用電源

在應急備用電源設計環(huán)節(jié)，需要綜合分析電源特點、系統(tǒng)電力負荷波動情況、應急供電時間等因素，在其基礎上明確應急備用電源的參數(shù)指標要求。為保障應急備用電源的供電穩(wěn)定性，可選擇配置組合式應急備用電源模式，同時采取兩種及以上獨立電源電路。一路應急備用電源電路出現(xiàn)故障問題后，仍可用另一路應急備用電源電路持續(xù)對供配電系統(tǒng)穩(wěn)定供電。此外，將加大應急備用電源的實際電容量，延長供電時間。

4 結束語

在新時代背景下，為保障高速公路隧道交通安全，提高供配電系統(tǒng)運行質量，企業(yè)需要加強對隧道供配電系統(tǒng)設計工作的重視力度，深入分析各類常見設計問題及出現(xiàn)成因，針對性采取優(yōu)化設計策略，攻克各項設計難題，為隧道供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供設計支持與前提基礎。