山區(qū)公路特長隧道的供配電系統(tǒng)設(shè)計

樂衛(wèi)洪

蘇交科集團股份有限公司（江蘇 南京 210017）

0 引言

近年來，我國公路事業(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)一些新的問題。當(dāng)前，高速公路向山嶺區(qū)延伸，出現(xiàn)了很多特長隧道，而隧道是封閉環(huán)境，運營條件與外界不同，如何保障汽車運營安全是工程建設(shè)需要解決的問題。雖然采取通風(fēng)及消防等設(shè)計可保障其運營，但隨著隧道加長，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，但低壓遠程監(jiān)控產(chǎn)品較少，對特長隧道統(tǒng)一遠程監(jiān)控實現(xiàn)存在困難。特長隧道中中低壓配電自動化程度要求較高，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。設(shè)計人員應(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)計符合國家規(guī)定，施工材料應(yīng)根據(jù)工程材料驗收標(biāo)準(zhǔn)選取[1]。雖然我國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)計中依舊存在一些問題，需要及時整改確保公路正常運行，為群眾出行提供保障。

1.1 山區(qū)公路特長隧道供配電系統(tǒng)特點

山區(qū)公路特長隧道供電具有獨特性，體現(xiàn)在用電設(shè)備種類多、電源質(zhì)量要求高等方面，且遠離上級電站，因此需根據(jù)公路隧道工程特點合理設(shè)計供配電系統(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)機為一級負荷，監(jiān)控設(shè)備為重要負荷，在隧道用電設(shè)備中占容量比重較大，負荷較為分散。公路隧道供配電系統(tǒng)設(shè)計要遵循基本原則，做到安全可靠、方便安裝、環(huán)保節(jié)能；供配電設(shè)計采用設(shè)備應(yīng)符合國家產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)先選用技術(shù)先進的成套設(shè)備，積極采用新技術(shù)工藝。

1.2 山區(qū)公路特長隧道供配電設(shè)計要求

公路特長隧道供配電系統(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)計中應(yīng)測試運行負荷，避免超負荷運作，若出現(xiàn)超負荷運作，則要及時協(xié)調(diào)配電系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，因為隧道供配電照明系統(tǒng)設(shè)計直接關(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，會導(dǎo)致隧道環(huán)境封閉，需要在隧道中設(shè)置專門的通風(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濃度進行分析，當(dāng)隧道CO含量超標(biāo)時通過控制區(qū)風(fēng)機運行降低CO濃度，為司機提供健康的隧道環(huán)境。

2 山區(qū)公路特長隧道供配電系統(tǒng)設(shè)計中的重點問題

電力系統(tǒng)發(fā)展對供配電可靠性提出了更高的要求，如自動隔離、實時監(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)場設(shè)備控制方式復(fù)雜化，人們對配電系統(tǒng)的要求不斷提高，對數(shù)據(jù)傳遞量、故障檢測等均提出了新的要求。

2.1 電容器設(shè)計

當(dāng)前，山區(qū)公路特長隧道供配電系統(tǒng)設(shè)計存在許多問題，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)計不到位、失壓脫扣裝置選取不實際等。設(shè)計人員需要分析山區(qū)公路特長隧道供配電系統(tǒng)設(shè)計存在的問題，為山區(qū)公路特長隧道供配電設(shè)計優(yōu)化提供依據(jù)。不同容量變電器承擔(dān)負荷不同，公路特長隧道供配電設(shè)計中如何選擇變壓器非常重要，隧道通常設(shè)置兩個變電器。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，應(yīng)根據(jù)實際運行數(shù)據(jù)分析進行設(shè)計。選擇合適的變壓器可以優(yōu)化公路供配電系統(tǒng)設(shè)計，在實際使用中，變壓器負荷額定容量為60%時效率最高。

2.2 斷路器配置

當(dāng)前，很多公路特長隧道供配電設(shè)計中采用斷路器保護變壓器，而較少使用負荷開關(guān)加熔器。一些設(shè)計人員認為負荷開關(guān)加熔器使用效果不好，在隧道供配電系統(tǒng)中經(jīng)常使用開關(guān)切換電力負荷。斷路器主要根據(jù)短路電流設(shè)計，具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高的特點，而負荷開關(guān)加熔器的運行機制是分離控制功能和保護功能，可以實現(xiàn)對頻發(fā)的負荷功能的及時切換[3]。如斷路器斷開時間較長，建議選擇限流熔斷器。在實際隧道供配電系統(tǒng)設(shè)計中，變壓器保護裝置需要根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)合理地選擇。當(dāng)變壓器的容量＞500 kVA時，應(yīng)選擇高壓斷路器進行保護；當(dāng)變壓器的容量≤500 kVA時，可選擇高壓熔斷器進行保護。

2.3 應(yīng)急電源設(shè)計

為保證隧道運行必須做好電源準(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、負荷情況等。通過全面考慮，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)計中，選擇單一電源往往達不到安全效果。高速公路隧道出現(xiàn)事故會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)公路特長隧道供配電優(yōu)化設(shè)計

G341膠南至海晏公路加定至海晏段是國家公路網(wǎng)規(guī)劃的重要部分，是西寧至蘭州的第二通道，項目建設(shè)對完善蘭州、西寧地區(qū)國家路網(wǎng)具有重要意義。項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)置臺子鄉(xiāng)互通，沿南門峽水庫西北側(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、南門峽2號大橋兩座大橋，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

依據(jù)設(shè)計文件與業(yè)主設(shè)計意見等規(guī)范，項目采用雙向四車道一級公路標(biāo)準(zhǔn)。隧道供配電系統(tǒng)是公路機電系統(tǒng)的重要部分，應(yīng)結(jié)合隧道電源實際情況，設(shè)計經(jīng)濟合理的供配電系統(tǒng)。隧道照明設(shè)計應(yīng)用新節(jié)能光源，采用先進的控制技術(shù)，以電光照明實現(xiàn)隧道內(nèi)外光過渡，提高隧道經(jīng)濟效益。配電系統(tǒng)設(shè)置在變電所低壓配電柜內(nèi)，電力監(jiān)控通信管理機以太網(wǎng)交換機連接。隧道供配電系統(tǒng)為隧道機電系統(tǒng)低壓配電柜預(yù)留供電容量，隧道機電系統(tǒng)從隧道變電所低壓開關(guān)柜出線端子開始至電線電纜敷設(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

設(shè)計供配電系統(tǒng)供電對象包括隧道內(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，隧道用電負荷分為一、二、三級負荷。項目沿隧道一級負荷由2個電源供電，采用兩路10 kV市電互為備用供電方式。一級負荷中重要負荷應(yīng)增設(shè)應(yīng)急電源，設(shè)置1臺UPS電源為隧道監(jiān)控設(shè)備應(yīng)急電源。二級負荷供電由2個電源供電，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負荷。同時，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)微機綜合保護器為變壓器過載保護，其余隧道變電所采用小型化柜體絕緣短路柜為變壓器過載保護[7-9]。

3.3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

電力監(jiān)控系統(tǒng)是供配電系統(tǒng)配套部分，可以對系統(tǒng)實施遙測，將分散供配電系統(tǒng)實施遠距離集中控制管理。設(shè)計建議項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)控數(shù)據(jù)傳輸至臺子鄉(xiāng)監(jiān)控分中心。項目沿線隧道變電所為無人值守，監(jiān)控分中心設(shè)置遠程電力監(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、遙控功能，監(jiān)控分中心設(shè)置電力監(jiān)控管理機，用于供電系統(tǒng)監(jiān)控。

4 結(jié)束語

高速公路隧道供配電系統(tǒng)設(shè)計對隧道供配電系統(tǒng)運作有重要作用。當(dāng)前，我國山區(qū)公路特長隧道供配電系統(tǒng)設(shè)計中存在變壓器選擇不合理、應(yīng)急電源配單設(shè)計不當(dāng)?shù)葐栴}。山區(qū)特長隧道供電方案是設(shè)計評審專家關(guān)注的焦點，安全的供電方案是隧道順利設(shè)計、良好運營的關(guān)鍵因素。每個特長隧道有不同特點，應(yīng)做到充分調(diào)研后提出不同方案的可靠性，為設(shè)計工作提供可參考的經(jīng)驗。