高速公路隧道供配電系統(tǒng)設(shè)計問題分析

湖北省城建設(shè)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(fēng)系統(tǒng)組成，不同系統(tǒng)的設(shè)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(gòu)成部分，可以提供全天候照明功能，將隧道內(nèi)部環(huán)境的平均照度穩(wěn)定控制在合理范圍內(nèi)。但是設(shè)計人員需要構(gòu)建智能照明控制系統(tǒng)，重點控制系統(tǒng)運行負(fù)荷。如果負(fù)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(shè)備、專用供電回路組成。在隧道出現(xiàn)火災(zāi)或嚴(yán)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(shè)備進(jìn)行獨立供電。（3）通風(fēng)系統(tǒng)。系統(tǒng)同時具備環(huán)境監(jiān)測、風(fēng)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(fēng)系統(tǒng)，根據(jù)隧道環(huán)境空氣一氧化碳濃度來調(diào)節(jié)風(fēng)機運行負(fù)荷。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計原則

（1）標(biāo)準(zhǔn)性原則。為降低隧道供配電系統(tǒng)設(shè)計難度，消除人為因素對系統(tǒng)設(shè)計質(zhì)量造成的影響，設(shè)計人員需要嚴(yán)格遵循相關(guān)設(shè)計規(guī)范，貫徹供配電設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。（2）安全性原則。在制訂隧道供配電系統(tǒng)設(shè)計方案時，設(shè)計人員要以保障系統(tǒng)安全可靠、設(shè)計方案可行為首要目的。同時，盡可量簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

2 高速公路隧道供配電系統(tǒng)常見設(shè)計問題

2.1 變壓器容量選擇不當(dāng)

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(fù)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(dān)系統(tǒng)負(fù)荷。但是，高速公路速調(diào)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(yù)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(fù)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(fù)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(fù)荷差值往往會達(dá)到幾十千瓦。但在傳統(tǒng)設(shè)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(dǎo)致設(shè)備性能被浪費。

此外，在變壓器的實際運行負(fù)荷過高或過低時，將加快設(shè)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(shè)計問題

從配電電纜設(shè)計角度來看，主要面臨的設(shè)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(chǎn)生較大損耗，導(dǎo)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(dāng)?shù)膯栴}，導(dǎo)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(hù)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(hù)。斷路器主要被用于處理電流短路問題，裝置結(jié)構(gòu)較為復(fù)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(dǎo)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(jié)底，問題在于所配置變壓器保護(hù)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(shè)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(guān)閉各處重要性較低的電力負(fù)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(yīng)，最終達(dá)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(shè)計問題：（1）在室內(nèi)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(fù)電力負(fù)荷的使用功能，需要采取人工方式開展合閘操作，在恢復(fù)供電與合閘過程中，對電力輸送質(zhì)量及效率造成了影響。（2）為保障失壓脫扣裝置可以在室內(nèi)停電后的第一時間便采取關(guān)閉電力負(fù)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(shè)備。而在安裝失壓脫扣保護(hù)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(yīng)急電源設(shè)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(yīng)急電源，在主電源供電中斷后，應(yīng)急電源需要在指定時間內(nèi)平穩(wěn)切換，恢復(fù)系統(tǒng)正常運行狀態(tài)，這也是安裝應(yīng)急電源的意義所在。但一些隧道供配電系統(tǒng)中卻存在應(yīng)急電源配置不當(dāng)?shù)膯栴}，常見設(shè)計問題包括應(yīng)急電源持續(xù)時間較短、單一應(yīng)急電源供電不穩(wěn)定、應(yīng)急電源模式與系統(tǒng)匹配度不足等。這些問題的存在導(dǎo)致系統(tǒng)應(yīng)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(shè)計優(yōu)化策略

3.1 明確變壓器容量

在變壓器設(shè)計環(huán)節(jié)，存在著變壓器配置結(jié)構(gòu)不合理、容量選擇不當(dāng)?shù)膯栴}。因此，設(shè)計人員應(yīng)采取以下處理策略：（1）在供配電系統(tǒng)中配置1臺基礎(chǔ)變壓器用于對應(yīng)區(qū)段隧道照明及監(jiān)控等輔助設(shè)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(fù)荷較低時，只需讓基礎(chǔ)變壓器保持運行狀態(tài)即可。隨著系統(tǒng)運行負(fù)荷的不斷增加，如啟動射流風(fēng)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(fù)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(fù)荷率將保持動態(tài)變化狀態(tài)。當(dāng)多路風(fēng)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(shè)計人員需要綜合分析電動機負(fù)荷率變化情況、變壓器基本電價，選擇適當(dāng)?shù)淖儔浩黝~負(fù)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(fù)載率控制在60%～ 90%。

3.2 合理選擇變壓器保護(hù)裝置

在隧道供配電變壓器保護(hù)裝置設(shè)計環(huán)節(jié)，可選擇配置負(fù)荷開關(guān)、高壓熔斷器、限流熔斷器等保護(hù)裝置。與斷路器相比，這類保護(hù)裝置的使用功能較為豐富，同時具備分離控制、負(fù)荷功能切換、短路保護(hù)等保護(hù)功能，可以有效應(yīng)對各類電氣故障，及時控制故障問題、快速恢復(fù)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(hù)，快速切斷短路線路與其他線路、設(shè)備的連接。同時，設(shè)計人員需要結(jié)合工程實際情況，合理選擇保護(hù)裝置的具體規(guī)格。

在供配電系統(tǒng)中安裝失壓脫扣保護(hù)裝置時，面臨多項設(shè)計問題，難以做到對裝置保護(hù)功能的充分發(fā)揮。因此，設(shè)計人員可選擇在電力線路中配置分目線。如此，在室內(nèi)停電條件下，系統(tǒng)不僅可以在短時間內(nèi)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(fù)電力負(fù)荷等設(shè)計問題。

3.3 電纜截面積取值

在低壓配電電纜設(shè)計時，工作人員要根據(jù)設(shè)計方案開展施工模擬試驗，檢查電纜在運行過程中所產(chǎn)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(jìn)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(jì)適用原則，采取經(jīng)濟(jì)電流最小設(shè)計方式，構(gòu)建配套經(jīng)濟(jì)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(jì)成本等，綜合分析各項因素，明確電纜截面積最優(yōu)值。設(shè)計人員還應(yīng)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(shè)置平衡點、全面掌握配電回路壓降情況，將導(dǎo)體損耗費用控制在較低程度內(nèi)。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(zhì)量、規(guī)格參數(shù)進(jìn)行目視檢查，核查質(zhì)檢報告等相關(guān)文件，并從中隨機抽取少量電纜作為樣品進(jìn)行檢測，重點檢查絕緣部位厚度、老化程度。

3.4 配置應(yīng)急備用電源

在應(yīng)急備用電源設(shè)計環(huán)節(jié)，需要綜合分析電源特點、系統(tǒng)電力負(fù)荷波動情況、應(yīng)急供電時間等因素，在其基礎(chǔ)上明確應(yīng)急備用電源的參數(shù)指標(biāo)要求。為保障應(yīng)急備用電源的供電穩(wěn)定性，可選擇配置組合式應(yīng)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(yīng)急備用電源電路出現(xiàn)故障問題后，仍可用另一路應(yīng)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(yīng)急備用電源的實際電容量，延長供電時間。

4 結(jié)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(zhì)量，企業(yè)需要加強對隧道供配電系統(tǒng)設(shè)計工作的重視力度，深入分析各類常見設(shè)計問題及出現(xiàn)成因，針對性采取優(yōu)化設(shè)計策略，攻克各項設(shè)計難題，為隧道供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供設(shè)計支持與前提基礎(chǔ)。