觀音山隧道供配電系統設計研究

奚 望，李為民

(廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

截至2019年年末，全國公路通車總里程達到501.25萬km，2019年高速公路里程由137 877 km增加到142 831 km，凈增4 954 km，增長3.6%。隨著我國公路基礎設施的快速發展，特長隧道數量大幅增加。特長隧道作為公路控制性工程，大多位于山嶺重丘地區，交通事故多發，危害較大，且救援時間長，社會影響大。

特長隧道供電對象包括隧道內的照明、通風、消防和監控設施，以及少量的其他設施。其主要用電負荷為隧道風機，風機數量多，常用風機功率為22/30/37 kW，總功率大。口徑>1 000 mm的射流風機在縱向布置間距宜>150 m，每個斷面安裝2臺，布設間距長，距離變電所較遠[1]。消防排煙風機應在配電線路末端的風機配電箱處設置自動切換裝置[2]，即一組風機引2根電纜(分主用、備用)，每根電纜均可帶兩臺風機，而正常情況下風機端子處電壓偏差為±5%額定電壓[3]。電纜截面可粗達(3×240+1×120)mm，單價高、距離長、數量多、造價較高。故特長隧道應根據風機布設位置及地質條件在合適位置設置洞內變電所，減少風機供電電纜長度及截面，降低造價。

消防水泵、排煙風機屬于一級負荷，而應急照明、電光標志、交通監控、通風照明控制、緊急呼叫、火災報警、中央控制設施屬于一級負荷中特別重要負荷，通風風機、消防補水水泵、加強和基本照明屬于二級負荷，由兩個回路供電[4]。隧道洞內變電所考慮運營管理安全不宜配置柴油發電機作為備用電源，應考慮采用雙路10 kV電源及相應備用方案。在設計初期綜合考慮經濟性、可靠性、可維護性，合理選擇供配電設計方案至關重要。

1 概述

觀音山隧道為分離式隧道，左線長4 790 m，右線長4 820 m，設計時速為100 km/h，特征年交通量預測結果顯示，近期為21 124 pcu/d，遠期為33 798 pcu/d。

該隧道單向交通且長度L≤5 000m，采用縱向通風方式。經計算，射流風機配置如表1所示。

表1 射流風機配置表

隧道右線風機數量多，布設距離長。近期設置24臺37kW風機，遠期布設60臺37kW風機，每組風機間距為150m。風機布置如圖1所示。

圖1 風機布設圖(m)

2 供配電系統設計研究

特長隧道供配電系統設計方案應結合外接電電源調查情況。經調查，觀音山隧道進口端附近有10kV922派陽線，從塔岜村T接，距離約1.5km；觀音山隧道出口端附近有35kV長橋變電站10kV林貼984線，從可敬屯T接，距離約1km。

本隧道供電系統采用在進出口設置變電所，每側引入10kV電源，隧道內設置洞內變電所的方案。為了避免風機啟動時對隧道照明質量和燈具壽命的影響，照明和風機宜分設變壓器[5]。

2.1 方案研究

洞內變電所不宜設置柴油發電機，宜采用雙路10kV電源作為備用電源。常見供電方案分以下三種(如圖2～4所示)。

圖2 方案一示意圖

方案一：進出口變電所各饋出一回10kV電源，隧道內通常敷設一路10kV電纜，進入洞內變電所的高壓雙電源切換柜中，為洞內變電所所帶負荷供電。進出口變電所設柴油發電機及其出線柜，分別進入照明、動力雙切柜，為重要負荷供電。洞內變電所額外配置2臺大容量EPS作為左洞風機、右洞風機的應急電源。

方案二：進出口變電所各饋出一回10kV電源，隧道內通常敷設兩路10kV電纜，進入洞內變電所及另一端的高壓雙電源切換柜中。10kV電纜途經洞內變電所時，采用分接箱T接進入10kV雙電源切換柜。兩路10kV電源一主一備，當主用電源停電時，進口、洞內、出口變電所均通過10kV雙電源切換柜自動切換到備用電源供電。

圖3 方案二示意圖

圖4 方案三示意圖

方案三：進出口變電所各饋出一回10kV電源，隧道內通常敷設兩路10kV電纜，進入洞內變電所及另一端的高壓進線柜中。各變電所2臺變壓器互為主備，容量一致，低壓聯絡，均可為所有負荷供電。正常情況下10kV電源、變壓器帶一半負荷，一路10kV電源停電時，低壓聯絡開關閉合，由另一路10kV電源的變壓器帶全部負荷。

三種供電方案對比如表2所示。綜合考慮可靠性、維修方便、造價、運營費用等方面，并結合資金情況，本隧道供電方案采用方案三。

表2 常見雙路10 kV電源供電方案對比表

2.2 變電所設置

本隧道長度為4 805m(取雙洞平均值)，根據變電所800m的供電半徑，結合風機布置情況，擬設置進口、出口變電所及1#、2#兩座洞內變電所。

隧道強電電纜溝在行車方向左側，為減少過路預埋橫穿管數量，進出口變電所有條件情況下宜設置在中央分隔帶內。經查，隧道進口為挖方路段，出口為填方路段，進出洞口附近50m內無橋梁、涵洞等構造物，左右線間距為18m。洞口變電所設計尺寸為(19×10)m，低位水池設計尺寸為(9.6×6.3)m，泵房設計尺寸為(6.6×4.8)m。洞口地形滿足變電所、低位水池、泵房需求，由隧道土建對洞口場地進行平整，保持與路面高程一致。

隧道洞內變電所根據變電所方向可分為與隧道縱向垂直的橫洞變電所和與隧道縱向平行的洞內變電所。本隧道左右洞間距為18m，間距較小，不滿足洞內變電所結構安全要求，宜采用橫洞變電所的方式。橫洞變電所內輪廓通常與車行橫通道內輪廓一致，單車道車行橫通道凈寬為4.7m，雙車道車行橫通道凈寬為6.75m。考慮橫洞變電所門及高低壓柜、變壓器、EPS、UPS、電池柜、電力監控柜、PLC柜等設備布置，橫洞變電所尺寸宜≥(23×4.7)m或≥(14×6.75)m，故本隧道采用凈寬為6.75m的橫洞變電所。根據隧道地質調查報告，本項目在K30+900、K32+440圍巖等級較低，且處于負荷中心，適宜設置洞內橫洞變電所。隧道變電所配置如表3所示。

表3 各變電所配置一覽表

2.3 橫洞變電所通風消防

橫洞變電所內因常封閉、氣候潮濕、通風狀況差，衛生條件不良，易加速設備老化，容易引起觸電、短路等安全事故，而且發生火災時由于環境密閉，造成人員財產傷亡損失大，后果嚴重。因此，除設置必需的檢修插座、照明燈具之外，還應設置相應的通風消防設施。在各橫洞變電所內設置4具150L柜式七氟丙烷滅火裝置，滅火柜布置于洞內變電所一側，滅火裝置之間最大間隔≤12m，距離變電所兩端墻體最近的裝置離墻不超過4m，以應對可能發生的電氣火災。橫洞變電所兩端墻上布設消防排煙風機及防火閥，用于洞內變電所消除余熱及通風換氣。兩端墻處外掛氣體消防控制器，以便控制氣體滅火裝置、滅火警示燈及警鈴的啟動和終止，并可控制洞內變電所的通風氣閥及風機。

為應對氣體滅火裝置無法啟動，或火災情形不需要啟動自動滅火裝置的狀況，在配置氣體消防控制器的一端墻外側配備立式消防柜，內藏2具MFZ/ABC8手提干粉滅火器，同時配備消防防毒面具等個人消防裝備2套，以供緊急情況下現場人員進入變電站進行滅火。

3 結語

在高速公路特長隧道供配電系統設計中，應事先做好隧道附近的10kV外接電調查?；谕饨与娬{查情況，在保證安全、可靠的前提下，適當降低造價及運營管理成本，合理選擇系統方案。根據隧道地質情況，在靠近負荷中心位置設置洞口及洞內變電所，并根據隧道左右線間距選擇洞內變電所型式、尺寸，分單排或雙排布置高低壓柜。橫洞變電所內應根據尺寸設置排煙風機、滅火器及相應控制設施。本文基于觀音山隧道供配電進行詳細設計研究，以期為類似項目提供參考。