隧道橫洞變電所環(huán)境的降溫設計與實現(xiàn)

摘要 高速公路隧道內(nèi)環(huán)境惡劣，由于各類粉塵、油污等污染物的附著，隧道橫洞變電所通風系統(tǒng)故障頻發(fā)，從而導致環(huán)境溫度過高，進一步加速了各類供配電設備及通信設備的損壞，對隧道運營造成了極大的安全隱患。文章分析了高溫環(huán)境對設備的主要影響，研究設計了隧道橫洞變電所的通風降溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過設置機械通風過濾設備，實現(xiàn)隧道變電所內(nèi)環(huán)境凈化及降溫等功能，已在G5京昆高速秦嶺2號隧道變電所內(nèi)進行實際應用。

關鍵詞 高速公路隧道;通風過濾;變電所降溫

中圖分類號 U453 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）12-0044-03

收稿日期：2022-04-15

作者簡介：石靜文（1989—），女，碩士研究生，工程師，從事交通工程機電設計工作。

0 引言

高速公路隧道通常在洞口以及洞內(nèi)橫洞處設有隧道變電所或者箱式變電站，保障隧道機電系統(tǒng)如監(jiān)控系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、照明系統(tǒng)以及消防系統(tǒng)等的日常供電。隧道內(nèi)橫洞變電所由于其特殊地理位置，變電所內(nèi)粉塵污穢較多，環(huán)境污染嚴重。現(xiàn)有橫洞內(nèi)變電所多設置簡單的通風設備，隧道內(nèi)多種污染物造成變電所的通風設備損壞，未經(jīng)過濾的空氣直接進入變電所，造成室內(nèi)設備快速損壞[1]。同時，通風設備的損壞造成隧道橫洞變電所內(nèi)通風不暢，夏天溫度較高，高溫環(huán)境對變電所設備的散熱很不利，加速設備的老化，嚴重影響設備的使用壽命。因此，該文結合工程實際，對隧道橫洞變電所的通風降溫方法進行介紹。

1 變電所現(xiàn)狀及分析

1.1 隧道洞內(nèi)橫洞變電所現(xiàn)狀

某隧道內(nèi)橫洞變電所距離隧道出口約150 m，面積約146.5 m2，變電所兩側入口大門上方對稱設置2套風機，風機采用微電腦時控開關直接控制，開啟間隔為1 h。變電所內(nèi)設干式變壓器、開關柜、組合型低壓開關柜、UPS柜、EPS柜、蓄電池柜、機電設備服務器以及柜式七氟丙烷氣體滅火裝置等，如圖1所示。

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研，隧道的行車環(huán)境較為惡劣，空氣中含有油污、灰塵、汽車尾氣等，污染物的長期附著造成隧道橫洞變電所的通風設備全部故障，如圖2所示。冬季實測隧道橫洞變電所室內(nèi)溫度均在25℃左右，夏季變電所內(nèi)溫度可達40℃以上。

1.2 變電所的環(huán)境要求

根據(jù)《20 kV及以下變電所設計規(guī)范》（GB 50053—2013）[2]，“6.3.1變壓器室宜采用自然通風，夏季的排風溫度不宜高于45 ℃，且排風與進風的溫差不宜大于15 ℃。當自然通風不能滿足要求時，應增設機械通風。”、“6.3.4 配電室宜采用自然通風。設置在地下或地下室的變、配電所，宜裝設除濕、通風換氣設備;控制室和值班室宜設置空氣調(diào)節(jié)設施”。

變電所主要放置隧道機電設備的供電設備，各設備對運行環(huán)境的溫濕度要求如表1。

1.3 變電所環(huán)境分析

隧道變電所內(nèi)由于風壓差及粉塵污穢較多（金屬顆粒物、汽車尾氣、輪胎粉塵等），造成現(xiàn)有變電所的排風機在這樣的工況狀況下快速損壞，導致隧道變電所內(nèi)通風不暢，溫度過高。高溫的主要影響如下：

1.3.1 對設備的影響

設備在使用過程中內(nèi)部損耗使設備本身具有一定的溫度。周圍環(huán)境溫度過高，或空氣流動性差，設備的熱量不能及時散開，導致設備由于過熱跳閘，甚至燒壞設備。配電箱內(nèi)的電子產(chǎn)品如電流動作保護器、電子型計量表，在高溫下運行會嚴重影響產(chǎn)品的使用壽命，影響保護器性能的穩(wěn)定性和動作的可靠性以及計量的準確性。在高溫下運行的無功補償電容器、熔斷器也會縮短壽命。

1.3.2 對導體材料的影響

溫度升高，金屬材料軟化，機械強度將明顯下降。如銅金屬材料長期工作溫度超過200 ℃時，機械強度明顯下降。鋁金屬材料的機械強度也與溫度密切相關，通常鋁的長期工作溫度不宜超過90 ℃，短時工作溫度不宜超過120 ℃。

1.3.3 對電接觸的影響

電接觸不良是導致許多電氣設備故障的重要原因，而電接觸部分的溫度對電接觸的良好性影響極大。溫度過高，電接觸兩導體表面會劇烈氧化，接觸電阻明顯增加，造成導體及其附件（零部件）溫度升高，甚至可能使觸頭發(fā)生熔焊。由彈簧壓緊的觸頭，在溫度升高后，彈簧壓力降低，電接觸的穩(wěn)定性變差，容易造成電氣故障。

13.4 對絕緣材料的影響

溫度過高，有機絕緣材料將會變脆老化，絕緣性能下降，甚至擊穿，材料的使用壽命也將縮短。例如，A級絕緣材料在一定溫度范圍內(nèi)，每增加8～10 ℃，材料的使用壽命約縮短50%。因此對電機類設備存在較大影響。

1.3.5 對電子元器件的影響

高溫影響電子元器件工作，如高溫可使半導體元件熱擊穿，因為溫度升高，電子激活程度加劇，使本來不導電的半導體層導通。高溫使電子元器件的性能變差，如在偏高的溫度下，電子元件的反向?qū)驅(qū)щ婋娏髟黾印⒎糯蟊稊?shù)減小等。

2 改造方案

2.1 總體方案

為了保證變電所內(nèi)機電設備的正常運行，首先需要對變電所內(nèi)部環(huán)境進行清潔。同時對變電所進行防塵堵塞，確保防塵效果。同時，為了改善隧道橫洞變電所設備的使用環(huán)境，須對變電所內(nèi)通風降溫設備進行改造。

主要技術措施：

針對橫洞變電所的現(xiàn)狀，該次設計通過以下措施實現(xiàn)變電所環(huán)境的改善：

（1）采用機械通風方式為橫洞變電所通風降溫，通風系統(tǒng)設置灰塵過濾裝置。

（2）加強設備柜及變電所門框防塵密封效果。

2.2 通風過濾系統(tǒng)的改造

2.2.1 通風過濾系統(tǒng)配置

該設計在各變電所安裝一套通風過濾系統(tǒng)，通過將配電室外部（主洞環(huán)境較好的隧道端）冷空氣經(jīng)進風口[3]及除塵裝置過濾后通過送風機直接送入配電橫洞，通過通風管道直接到達配電室高溫區(qū)域（如變壓器柜所在區(qū)域），在變電所內(nèi)循環(huán)降溫，再經(jīng)排風口排風。

通風過濾系統(tǒng)包括進風過濾裝置、除塵引風機、送風管道、出風口、現(xiàn)場控制器以及溫度傳感器等。其中進風過濾裝置含兩級過濾裝置，一級氣動斡旋過濾裝置主要針對灰塵顆粒較大的空氣進行處理，二級濾芯過濾裝置針對顆粒較小的微粒進行吸附，濾芯定時更換，達到送風凈化的效果。通風過濾設備采用機械和靜電凈化雙重凈化裝置，使進入室內(nèi)的空氣達到90%的凈化。溫度傳感器安裝在設備容易發(fā)熱的位置。

為避免通風過濾裝置導致橫洞變電所內(nèi)風壓過高的問題，在隧道橫洞墻壁上開孔后安裝排風機作為通風過濾系統(tǒng)的排風口，排風口排風機可根據(jù)變電所內(nèi)外風壓差自動開啟或關閉（變電所內(nèi)風壓>隧道主洞風壓時，排風機打開，否則關閉），也可通過手動控制的方式開啟或者關閉。

橫洞變電所在隧道環(huán)境較好的方向設置進風口，對向方向設置排風口。

2.2.2 通風過濾系統(tǒng)控制

通風過濾系統(tǒng)采用全自動溫控系統(tǒng)管理，支持遠程控制、現(xiàn)場自動控制以及手動控制三種方式，實時對比變電所內(nèi)外環(huán)境溫度。隧道管理站可實現(xiàn)橫洞內(nèi)的通風過濾系統(tǒng)的啟停;現(xiàn)場控制器根據(jù)現(xiàn)場溫度傳感器啟停，在隧道變電所外和變電所內(nèi)均設置溫度傳感器，室外溫度高于室內(nèi)溫度時，通風過濾裝置停止工作;室內(nèi)任意1組溫度傳感器檢測溫度超過35 ℃（可調(diào)，回差±5 ℃）時，通風過濾裝置開始工作，將隧道主洞空氣經(jīng)過濾后回注變電室內(nèi)，內(nèi)部風機循環(huán)到整個變電所內(nèi)部，改善變電所內(nèi)部環(huán)境。

隧道管理站管理計算機上安裝對應通風過濾系統(tǒng)的控制軟件，實現(xiàn)隧道橫洞變電所通風過濾系統(tǒng)的遠程控制。控制系統(tǒng)具備以下功能：

（1）多路采集：周期性讀取各路傳感器的采集數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：按照所測量的物理量要求支持數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

（3）數(shù)據(jù)存儲：上位機對讀取的數(shù)據(jù)全部保存，建立相應數(shù)據(jù)庫，并支持報表輸出。

（4）操作權限：通過設置口令實現(xiàn)軟件操作的分級權限。

（5）數(shù)據(jù)回查：支持歷史數(shù)據(jù)以曲線圖形式顯示，便于查詢高、低溫的時間周期。

（6）數(shù)據(jù)監(jiān)測：監(jiān)測進風口溫度及室內(nèi)環(huán)境溫度差，支持實時溫度變化曲線。

（7）報警功能：提供溫度超限等越限預警;提供系統(tǒng)界面彈出、蜂鳴等多種告警方式。

（8）控制方式：遠程設置和現(xiàn)場手動控制溫控裝置預警閾值、工作閥值和告警方式。

同時，通風過濾系統(tǒng)與隧道火災探測報警系統(tǒng)實現(xiàn)聯(lián)動，隧道主洞發(fā)生火災時，該系統(tǒng)關閉通風過濾系統(tǒng)，避免隧道主洞內(nèi)火災煙霧侵入變電所。

2.3 變電所內(nèi)及設備清潔和門縫隙封堵

變電所原有風機工作時，并未進行有效空氣過濾，兩側隧道的灰塵、汽車尾氣進入變電所內(nèi)，造成室內(nèi)設備嚴重污染，灰塵較大，需進行如下工作：

（1）對變電所內(nèi)部空間以及室內(nèi)電力設備、應急電源設備及通信設備等設備灰塵清潔。

（2）根據(jù)變電所實際情況采用防火密封條（或材料）對變電所門框周邊以及電纜溝進行密封處理，防止灰塵進入。

3 系統(tǒng)實際應用與效果

該方案在京昆高速西漢段秦嶺2號隧道3號變電所已試點使用，設備實際安裝圖如圖3所示。設備在夏季溫度較高的時間中啟停規(guī)則采用時間控制，上午開啟時間9：00—11：30，下午開啟時間14：00—17：30。后期使用中主要根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境采集的溫度數(shù)據(jù)調(diào)整設備的啟停邏輯，根據(jù)室內(nèi)外溫度進行啟停。經(jīng)實際調(diào)研，夏季變電所溫度可達到40 ℃，開啟該通風過濾系統(tǒng)之后，變電所平均溫度可保持在26 ℃左右，且后期持續(xù)降溫效果顯著。

4 結語

隧道橫洞變電所作為隧道內(nèi)機電設備供配電的基礎設施，為隧道的安全運營提供了保障。橫洞變電所內(nèi)環(huán)境溫度過高會導致變電所內(nèi)多類設備的加速損壞，存在一定的安全隱患。

該文基于隧道橫洞變電所內(nèi)夏季高溫的現(xiàn)狀和變電所現(xiàn)有的房建條件及室內(nèi)設備的運行情況，充分利用隧道橫洞變電所現(xiàn)有物理條件，在橫洞變電所內(nèi)增設通風過濾系統(tǒng)，利用隧道主洞風壓，將過濾后的冷空氣送入變電所，在隧道變電所內(nèi)實現(xiàn)循環(huán)降溫效果，為隧道橫洞變電所內(nèi)的設備正常運行提供了環(huán)境保障。同時，在運營管理過程中，該系統(tǒng)對橫洞內(nèi)變電所環(huán)境的監(jiān)測提供了科學的管理手段。

參考文獻

[1]程達仁， 李振海. 市區(qū)高壓變電站房封閉式降溫系統(tǒng)理論探討[J]. 建筑節(jié)能， 2016（1）： 22-25.

[2]20kV及以下變電所設計規(guī)范： GB50053—2013[S]. 北京：中國計劃出版社， 2013.

[3]王林. 戶內(nèi)變電站降溫通風數(shù)值模擬研究[D]. 南昌： 南昌大學， 2014.