隧道橫洞變電所環境的降溫設計與實現

摘要 高速公路隧道內環境惡劣，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故障頻發，從而導致環境溫度過高，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。該系統通過設置機械通風過濾設備，實現隧道變電所內環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，保障隧道機電系統如監控系統、通風系統、照明系統以及消防系統等的日常供電。隧道內橫洞變電所由于其特殊地理位置，變電所內粉塵污穢較多，環境污染嚴重。現有橫洞內變電所多設置簡單的通風設備，隧道內多種污染物造成變電所的通風設備損壞，未經過濾的空氣直接進入變電所，造成室內設備快速損壞[1]。同時，通風設備的損壞造成隧道橫洞變電所內通風不暢，夏天溫度較高，高溫環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 變電所現狀及分析

1.1 隧道洞內橫洞變電所現狀

某隧道內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。

經現場調研，隧道的行車環境較為惡劣，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溫度均在25℃左右，夏季變電所內溫度可達40℃以上。

1.2 變電所的環境要求

根據《20 kV及以下變電所設計規范》（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節設施”。

變電所主要放置隧道機電設備的供電設備，各設備對運行環境的溫濕度要求如表1。

1.3 變電所環境分析

隧道變電所內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部損耗使設備本身具有一定的溫度。周圍環境溫度過高，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。配電箱內的電子產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品的使用壽命，影響保護器性能的穩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，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，電子元件的反向導向導電電流增加、放大倍數減小等。

2 改造方案

2.1 總體方案

為了保證變電所內機電設備的正常運行，首先需要對變電所內部環境進行清潔。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境，須對變電所內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狀，該次設計通過以下措施實現變電所環境的改善：

（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 通風過濾系統的改造

2.2.1 通風過濾系統配置

該設計在各變電所安裝一套通風過濾系統，通過將配電室外部（主洞環境較好的隧道端）冷空氣經進風口[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域（如變壓器柜所在區域），在變電所內循環降溫，再經排風口排風。

通風過濾系統包括進風過濾裝置、除塵引風機、送風管道、出風口、現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，使進入室內的空氣達到90%的凈化。溫度傳感器安裝在設備容易發熱的位置。

為避免通風過濾裝置導致橫洞變電所內風壓過高的問題，在隧道橫洞墻壁上開孔后安裝排風機作為通風過濾系統的排風口，排風口排風機可根據變電所內外風壓差自動開啟或關閉（變電所內風壓>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 通風過濾系統控制

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

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

（1）多路采集：周期性讀取各路傳感器的采集數據。

（2）數據轉換：按照所測量的物理量要求支持數據轉換。

（3）數據存儲：上位機對讀取的數據全部保存，建立相應數據庫，并支持報表輸出。

（4）操作權限：通過設置口令實現軟件操作的分級權限。

（5）數據回查：支持歷史數據以曲線圖形式顯示，便于查詢高、低溫的時間周期。

（6）數據監測：監測進風口溫度及室內環境溫度差，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;提供系統界面彈出、蜂鳴等多種告警方式。

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

同時，通風過濾系統與隧道火災探測報警系統實現聯動，隧道主洞發生火災時，該系統關閉通風過濾系統，避免隧道主洞內火災煙霧侵入變電所。

2.3 變電所內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，造成室內設備嚴重污染，灰塵較大，需進行如下工作：

（1）對變電所內部空間以及室內電力設備、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現場環境采集的溫度數據調整設備的啟停邏輯，根據室內外溫度進行啟停。經實際調研，夏季變電所溫度可達到40 ℃，開啟該通風過濾系統之后，變電所平均溫度可保持在26 ℃左右，且后期持續降溫效果顯著。

4 結語

隧道橫洞變電所作為隧道內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。橫洞變電所內環境溫度過高會導致變電所內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夏季高溫的現狀和變電所現有的房建條件及室內設備的運行情況，充分利用隧道橫洞變電所現有物理條件，在橫洞變電所內增設通風過濾系統，利用隧道主洞風壓，將過濾后的冷空氣送入變電所，在隧道變電所內實現循環降溫效果，為隧道橫洞變電所內的設備正常運行提供了環境保障。同時，在運營管理過程中，該系統對橫洞內變電所環境的監測提供了科學的管理手段。

參考文獻

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

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

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